摘要近幾年,隨著在結(jié)構(gòu)計算軟件日益普及的今天,結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的軟件也有所增加。設(shè)計人員只需作必要的數(shù)據(jù)輸入,計算機(jī)就會給出計算分析結(jié)果。設(shè)計師的設(shè)計工作對結(jié)構(gòu)計算軟件的依賴性也越來越大,從而忽略結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的重要性,就幾種目前使用的軟件的基本功能進(jìn)行闡述,重視概念設(shè)計對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要,是一種綜合設(shè)計能力的體現(xiàn),能較好地提高建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量。
關(guān)鍵詞建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)軟件有限元分析ETABS剪力墻單元
本文基于對軟件的應(yīng)用體會,提出一些觀點(diǎn)與廣大工程師進(jìn)行討論。內(nèi)容涉及基本的有限元分析技術(shù)和相關(guān)軟件的技術(shù)要點(diǎn)討論。
1剪力墻的單元形式
在高層結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中,剪力墻所使用的單元形式以及計算結(jié)果的精度是個關(guān)鍵問題,也是我們最為關(guān)注的問題,可以說這一技術(shù)要點(diǎn)的不斷進(jìn)步也伴隨著結(jié)構(gòu)軟件的不斷更新及發(fā)展。
在國內(nèi)最早的剪力墻單元模型是基于薄壁柱理論,它們也應(yīng)用于早期TBSA和TAT等國內(nèi)較早的結(jié)構(gòu)分析軟件中,目前這些程序仍然在結(jié)構(gòu)分析設(shè)計工程實(shí)踐中使用,因此,現(xiàn)在工程師一般不使用此類程序計算帶有剪力墻的結(jié)構(gòu)。另一種處理方法為墻板元體系,墻板元單元模型主要是由(核心墻板元,邊柱和平面剛性梁)幾種不同特性的單元,共同組成的剪力墻單元模型,它能夠同時考慮平面內(nèi)和平面外剛度,其未知量較少,計算的精度比較高。目前清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院編寫的TUS通過增加內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的方式形成了一種改進(jìn)型墻板元,并且在目前的程序版本中使用。
另外一種處理方法是以中國建筑科學(xué)研究院PKPM工程部SATWE程序?yàn)榇淼膲υＰ?它是基于子結(jié)構(gòu)基本思想和靜力凝聚原理所形成的剪力墻單元模型,能夠較好地模擬剪力墻的受力狀態(tài)。與墻板元相比,對于洞口的大小和位置處理也比較靈活,因?yàn)槟哿俗杂啥?計算速度提高很多。但是墻元模型內(nèi)部進(jìn)行了程序默認(rèn)的單元簡化處理,因此必須有特定的內(nèi)力輸出和輸入端口,在某些情況下存在單元精度不足的缺陷,且剪力墻開邊洞等一些情況處理得不夠準(zhǔn)確。
從剪力墻本身的幾何特征和受力特性分析,與殼元最接近,殼元既具有平面內(nèi)剛度,又具有平面外剛度,并可以進(jìn)行任意的剖分,這些都是作為剪力墻模型有利的特性,也是合理的模型形式。但是用殼元模擬剪力墻用于實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一定的困難―基于精確細(xì)分模型得到準(zhǔn)確分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,設(shè)計的進(jìn)行和設(shè)計結(jié)果的輸出,也就是后處理問題。因?yàn)槿绻褂脷ぴ獊砟M剪力墻,為了得到較好的分析精度,必須對其進(jìn)行剖分,而不同的工程師及不同的工程類型的精度需求可能需要不同的剖分細(xì)度。分析完成之后,如果程序輸出的是剪力墻每個單元的內(nèi)力結(jié)果和配筋結(jié)果是很復(fù)雜的,也不可能在實(shí)際工程中使用。另外的問題是因?yàn)椴捎脝卧史志_模擬結(jié)構(gòu)的受力和變形特性,與墻元相比需要較長的計算時間。
目前,ETABS在處理結(jié)果被眾多工程師接受的有限元軟件之一。在ETABS中剪力墻使用真實(shí)的殼元模型,工程師可以根據(jù)需要按個數(shù)或最大尺寸方式進(jìn)行殼元的有限元劃分,ETABS還提出了剪力墻標(biāo)簽和連梁標(biāo)簽的概念,也就是在單元劃分的基礎(chǔ)上,剪力墻的內(nèi)力輸出和設(shè)計的執(zhí)行及輸出都是基于標(biāo)簽來做的,工程師可以通過標(biāo)簽的指定和修改任意控制剪力墻設(shè)計的單個對象范圍,這就解決了殼元剪力墻模型后處理方面的不足。ETABS可以對剪力墻基于各種規(guī)范及理論的設(shè)計,ETABS中文版在保留了大部分剪力墻設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,將中國規(guī)范的剪力墻設(shè)計方法完整地貫入到了原程序中,并且在剪力墻開洞方法等方面都作了很多的改進(jìn)。
基于有限元分析理論,單純的膜元本身不能夠單獨(dú)作為剪力墻單元模型在有限元結(jié)構(gòu)分析軟件中進(jìn)行使用,適用范圍是不考慮空間整體性的手算方式。膜元只具有平面內(nèi)剛度,不具有平面外剛度,這對于剪力墻的受力特性顯然是不科學(xué)的。對于膜元來做剪力墻,因?yàn)槟ぴ獩]有平面外剛度,因此其在平面外一定會發(fā)生非常的變形。因此,膜元是不能獨(dú)立作為剪力墻模型的,除非象墻板元模型一樣與其他單元來配合使用,由其他單元來來補(bǔ)充考慮剪力墻對于平面外作用的抵抗能力。
目前建筑設(shè)計中平面布局要求,大面積的樓板開洞,或復(fù)雜平面布局,多塔聯(lián)體結(jié)構(gòu)中,剛性樓板的假定已經(jīng)不再滿足結(jié)構(gòu)有限元分析的實(shí)際需要,因此越來越多的結(jié)構(gòu)需要采用真實(shí)的彈性樓板驗(yàn)算。ETABS程序提供了多種需求情況下真實(shí)的彈性樓板模型,可以僅考慮平面內(nèi)剛度,最大限度地減少單元的數(shù)量;也可以僅考慮平面外剛度,需要時可以考慮剪切變形的影響;還可以同時考慮平面內(nèi)和平面外的剛度,進(jìn)行真實(shí)的殼元彈性樓板分析,不同單元形式的樓板真實(shí)參與結(jié)構(gòu)的整體分析。在ETABS中如果需要也可以進(jìn)行剛性樓板的假定,并且可以在同一樓層中指定多塊剛性隔板,不同的剛性隔板間保持彈性連接,這樣可以滿足更復(fù)雜的多塔及聯(lián)體結(jié)構(gòu)的需要。
2網(wǎng)格不匹配時自動線約束的作用
正如我們前面所談到的,通用有限元程序在結(jié)構(gòu)分析中使用時,為了保證結(jié)果的精確性必須進(jìn)行一定程度的單元細(xì)分,特別是對于面單元和實(shí)體單元。在單元細(xì)分過程中,同為面單元的剪力墻、連梁及樓板剖分過程中,由于工程實(shí)際的幾何復(fù)雜性,很難保證剖分之后單元節(jié)點(diǎn)之間的精確對位連接,此時在結(jié)構(gòu)分析過程中便會產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)不匹配處的變形不協(xié)調(diào)。
由于節(jié)點(diǎn)的不匹配,相關(guān)節(jié)點(diǎn)處也不會有內(nèi)力傳遞,為了避免這一點(diǎn),在一般通用有限元程序中,工程師必須對剪力墻和連梁進(jìn)行進(jìn)一步剖分以便獲得節(jié)點(diǎn)匹配的結(jié)果,如果模型中使用殼元樓板模型,那么考慮樓板與剪力墻間的剖分匹配問題將是更復(fù)雜耗時的問題。
基于這一問題,在ETABSV8版本中,引入了面單元自動線約束的概念,自動線約束的含義是在結(jié)構(gòu)單元剖分不匹配時,在不匹配的節(jié)點(diǎn)自動生成一個過渡的線約束,保證單元節(jié)點(diǎn)的變形協(xié)調(diào)及內(nèi)力傳遞。ETABS解決了單元剖分的節(jié)點(diǎn)匹配問題,也解決了通用有限元程序用于結(jié)構(gòu)分析設(shè)計實(shí)踐工作中的第二個障礙,因?yàn)槿斯そ鉀Q這一問題是繁雜耗時的工作,是不被工程實(shí)踐所接受的。也正因?yàn)楹芎玫亟鉀Q了剪力墻后處理問題和單元剖分的節(jié)點(diǎn)匹配問題,ETABS才成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域最為工程師接受的通用有限元分析與設(shè)計軟件,在全球得到了最廣泛的應(yīng)用和推廣。
3ETABS中連梁采用梁單元
對于結(jié)構(gòu)模型中連梁的處理,ETABSV8版本保留了按殼元模擬連梁和按梁元模擬連梁兩種方式,工程師可以根據(jù)實(shí)際工程的需求來進(jìn)行選擇,但一般情況下程序還是建議使用殼元模擬連梁單元。因?yàn)榫�單元模擬連梁時,連梁與剪力墻的平面內(nèi)剛度差距較大,內(nèi)力分配會出現(xiàn)問題,相交節(jié)點(diǎn)位置也會出現(xiàn)應(yīng)力集中。殼元模擬的連梁真實(shí)反映了連梁的高度幾何特性,符合連梁的受力特性,其與剪力墻墻肢間至少有4個節(jié)點(diǎn)相連,內(nèi)力分配會更為合理。
4ETABS等同于TAT
對有限元發(fā)展及結(jié)構(gòu)有限元輔助分析程序的發(fā)展,SAP程序是世界上第一套結(jié)構(gòu)三維有限元分析程序。而ETABS程序是為了方便建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的使用而在SAP系列程序的基礎(chǔ)上升級而來的,其基本理論和核心計算部分與SAP是完全一致的。與SAP程序相比,ETABS程序在保持結(jié)構(gòu)空間三維分析的基礎(chǔ)上,為了便于建筑結(jié)構(gòu)分析設(shè)計的使用,作了很多操作方面和數(shù)據(jù)結(jié)果輸出方面的改進(jìn)。比如SAP中沒有樓層概念,ETABS中則具有清晰的樓層概念;ETABS中具有梁和柱不同的線對象,在SAP中統(tǒng)一作為線對象來處理;SAP只對剪力墻作分析,不對其進(jìn)行設(shè)計,在ETABS中具有詳細(xì)的剪力墻設(shè)計等后處理功能。
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