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常用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件與結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-01-14 共3頁(yè)

    實(shí)際工程中許多布置復(fù)雜的剪力墻難以滿(mǎn)足薄壁桿件模型的基本假定,從而使計(jì)算結(jié)果難以滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的精度要求。
    1) 變截面的剪力墻:在平面布置復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)中,常存在薄壁桿件交叉連接、彼此相連的薄壁桿件截面不同,甚至差異較的情況。由于這些薄壁桿件的扇形坐標(biāo)不同,其翹曲角的含義也不同,因而由截面翹曲而引起的縱向位移不易協(xié)調(diào),會(huì)導(dǎo)致一定的計(jì)算誤差。
    2) 長(zhǎng)墻、矮墻:由于薄壁桿件模型不考慮剪切變形的影響,而長(zhǎng)墻、矮墻是以剪切變形為主的構(gòu)件,其幾何尺寸也難以滿(mǎn)足薄壁桿件的基本要求,采用薄壁桿件理論分析這些剪力墻時(shí),存在著較的模型化誤差。
    3) 多肢剪力墻:薄壁桿件模型的一個(gè)基本假定就是認(rèn)為桿件截面外形輪廓線(xiàn)在自身平面內(nèi)保持不變,在墻肢較多的情況下,該假定會(huì)導(dǎo)致較誤差。
    4) 框支剪力墻:框支剪力墻和轉(zhuǎn)換梁在其交接面上是線(xiàn)變形協(xié)調(diào)的,而采用薄壁桿件理論分析框支墻時(shí),由于薄壁桿件是以點(diǎn)傳力的,作為一個(gè)薄壁桿件的框支墻只有一點(diǎn)和轉(zhuǎn)換梁的某點(diǎn)是變形協(xié)調(diào)的,這必然會(huì)帶來(lái)較的計(jì)算誤差。
    5) 框架梁與剪力墻的連接:在一般情況下和剪力墻垂直相連的框架梁,其受剪力墻的約束并不強(qiáng),梁這一端的彎矩一般并不,但用薄壁桿件理論分析剪力墻時(shí),梁要通過(guò)剛臂與薄壁桿件的剪心相連,其結(jié)果是強(qiáng)化了剪力墻對(duì)梁端的嵌固作用,使梁端彎矩的計(jì)算值偏。
    6) 柱、墻上下偏心:程序?qū)⒆詣?dòng)在上(薄壁) 柱的下端加一水平剛域,剛域的存在對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度有較的影響。
    7) 對(duì)懸挑剪力墻、無(wú)樓板約束的剪力墻等也不適合采用薄壁桿件單元計(jì)算。
    TAT軟件適合于框架、框架- 剪力墻、剪力墻及筒體結(jié)構(gòu),但應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況對(duì)剪力墻進(jìn)行處理以減小計(jì)算誤差。
    1) 剪力墻的輸入處理:對(duì)長(zhǎng)度超過(guò)8m的剪力墻和多肢剪力墻應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢茫凑帐姑總€(gè)薄壁柱的剛度盡量均勻的原則人為設(shè)置計(jì)算洞口,這樣可使薄壁柱的受力更符合實(shí)際。當(dāng)洞口較小時(shí),在實(shí)際施工時(shí)按無(wú)洞處理。
    2) 剪力墻洞口的處理:因?yàn)門(mén)AT采用薄壁柱模型,每層薄壁柱上下各有一個(gè)節(jié)點(diǎn)與上下層的柱、薄壁柱或無(wú)柱節(jié)點(diǎn)相連,通過(guò)這樣的連系將上下層力傳遞計(jì)算,當(dāng)上下層洞口不對(duì)齊時(shí),由于洞口會(huì)切割一個(gè)薄壁柱為2個(gè)或更多,造成上下層節(jié)點(diǎn)不一一對(duì)應(yīng),使上下層傳力混亂,這時(shí)應(yīng)采用簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行處理。剪力墻洞口一般分對(duì)齊、開(kāi)通、忽略三種處理方法。
    3) 框支剪力墻的處理:對(duì)于框支剪力墻,用薄壁柱模擬的剪力墻就有個(gè)傳力問(wèn)題,上部薄壁柱只能傳力給下面一個(gè)點(diǎn),而下部往往是由多個(gè)點(diǎn)來(lái)支撐上部剪力墻的,這時(shí)應(yīng)對(duì)框支梁上部的剪力墻進(jìn)行離散化處理,將計(jì)算產(chǎn)生的誤差控制在局部平面內(nèi),這樣才能在結(jié)構(gòu)的整體分析中得到一個(gè)比較滿(mǎn)意的結(jié)果,然后再利用高精度平面有限元程序?qū)﹃P(guān)鍵部位進(jìn)行細(xì)致的內(nèi)力分析。
    TBSA 也是由中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的多、高層建筑的結(jié)構(gòu)專(zhuān)用程序,其計(jì)算模型和原理與TAT相似,這里不再贅述。
    3.2 SATWE結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件SATWE 是專(zhuān)門(mén)為多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,適用于各種復(fù)雜體型的高層鋼筋混凝土框架、框剪、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等,也適用于混凝土- 鋼混合結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)。
    SATWE是用墻元來(lái)模擬剪力墻。SATWE中的墻元是在板殼單元的基礎(chǔ)上構(gòu)造出的一種通用墻元,它采用靜力凝聚原理將由于墻元的細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去,將其剛度凝聚到邊界節(jié)點(diǎn)上,從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度,而且墻元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有空間全部6個(gè)自由度,可以方便地與任意空間梁、柱單元連接,而無(wú)需任何附加約束,同時(shí)也降低了剪力墻的幾何描述和板殼單元?jiǎng)澐值碾y度,提高了分析效率。板殼單元是目前模擬剪力墻的最理想單元,SATWE選用這一單元并對(duì)墻元的細(xì)分和墻上開(kāi)洞作了自動(dòng)化處理。
    板殼單元模型的主要特點(diǎn)是用每一節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度的殼元來(lái)模擬剪力墻單元。剪力墻既有平面內(nèi)剛度,又有平面外剛度,樓板既可以按彈性考慮,也可按剛性板考慮,這是一種接近實(shí)際情況的模型。該模型的特點(diǎn)是:1) 具有平面內(nèi)、外剛度,可與空間任何構(gòu)件連接,較好地反映剪力墻真實(shí)受力狀態(tài),其剛度與實(shí)際剛度較為一致。
    2) 通過(guò)靜力凝聚形成的墻元來(lái)模擬剪力墻,解決了剪力墻模型化的問(wèn)題。
    3) 允許剪力墻洞口不對(duì)齊,適用于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu),較真實(shí)地分析出剪力墻的內(nèi)力和變形。
    4) 結(jié)構(gòu)自由度數(shù)目增多,計(jì)算工作量增加,計(jì)算效率有所降低。
    SATWE 在對(duì)樓板的處理上采用了四種不同的假定:1) 假定樓板整體平面內(nèi)無(wú)限剛;2) 假定樓板分塊平面內(nèi)無(wú)限剛;3) 假定樓板分塊平面內(nèi)無(wú)限剛,并帶有彈性連接板帶;4) 假定樓板為彈性板。
    為提高計(jì)算效率,在保證一定的分析精度的前提下,針對(duì)不同類(lèi)型的工程,采用不同的樓板假定。
    在使用SATWE軟件時(shí),值得注意的有兩點(diǎn):1) 墻元的劃分并非越細(xì)越好。當(dāng)墻元?jiǎng)澐诌^(guò)細(xì)時(shí),由于單元有一定的厚度,當(dāng)單元的長(zhǎng)、寬與單元的厚度比較接近時(shí),墻單元就不能再作為墻單元計(jì)算。
    2) 在地震作用分析時(shí),程序?qū)φ裥头纸夥ㄌ峁┝藘煞N解法:總剛分析方法和側(cè)剛分析方法。兩者的主要區(qū)別在于對(duì)墻元側(cè)向節(jié)點(diǎn)自由度的處理上,前者將其作為子結(jié)構(gòu)出口自由度,參加總剛的集成,后者將其作為子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部自由度,在單元計(jì)算階段就凝聚掉,這就造成墻元之間的變形不協(xié)調(diào),使之在變形的過(guò)程中可以自由開(kāi)裂,使得計(jì)算出的結(jié)構(gòu)剛度偏小,尤其在采用彈性樓板假定以及錯(cuò)層結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生較的誤差。
    3.3 ETABS 軟件ETABS 軟件是由美國(guó)Berkeley地震工程研究中心開(kāi)發(fā)的高層建筑三維專(zhuān)用有限元分析軟件,其特點(diǎn)是采用空間桿單元模擬梁、柱、支撐構(gòu)件,采用膜元模型來(lái)模擬剪力墻,樓板可采用平面內(nèi)無(wú)限剛假定、分塊無(wú)限剛假定和彈性假定。膜元模型是把無(wú)洞口或有較小洞口的一片剪力墻簡(jiǎn)化為一個(gè)墻板單元,把有較洞口的一片剪力墻簡(jiǎn)化為一個(gè)由墻板單元和連梁組成的墻板-梁體系,即把洞口兩側(cè)部分作為兩個(gè)墻板單元,上、下層剪力墻洞口之間部分作為一根連梁。墻板單元由膜單元+邊梁 邊柱組成,膜單元只有墻平面內(nèi)的抗彎、抗剪和抗壓剛度,平面外剛度為零;邊梁為一種特殊的剛性梁,在墻平面內(nèi)的抗彎、抗剪和軸向剛度無(wú)限,垂直于墻平面的抗彎、抗剪和抗扭剛度為零;邊柱的作用為等效替代剪力墻的平面外剛度,邊柱可能是實(shí)際工程中的一根柱,也可能是人為虛擬的柱。膜元模型使得剪力墻的幾何描述和前處理工作得到了簡(jiǎn)化,解決了剪力墻單元?jiǎng)澐值碾y題,結(jié)構(gòu)自由度有所減少,分析效率也得到了一定的提高,位移的協(xié)調(diào)性介于薄壁桿件模型和有限元模型之間,分析結(jié)果也較薄壁桿件模型更合理。
    膜元模型的不足之處主要是:膜元模型中是按“柱線(xiàn)”來(lái)把剪力墻劃分為一個(gè)個(gè)墻板單元的,為了使上、下層之間的墻板單元角點(diǎn)變形協(xié)調(diào),模型要求整個(gè)結(jié)構(gòu)從上到下“柱線(xiàn)”對(duì)齊、貫通。對(duì)于復(fù)雜工程,特別是當(dāng)剪力墻洞口上下不對(duì)齊、不等寬以及各層與剪力墻搭接的梁平面位置有變化時(shí),將導(dǎo)致“柱線(xiàn)”又多又密,這不僅會(huì)增加許多墻板單元,增加計(jì)算量,更重要的是會(huì)使許多墻板單元變得又細(xì)又長(zhǎng),單元的幾何比例不當(dāng),造成墻板單元?jiǎng)偠绕娈悾狗治鼋Y(jié)果失真。此外,將剪力墻洞口間部分模型化為一個(gè)梁?jiǎn)卧魅趿藢?shí)際結(jié)構(gòu)中連梁對(duì)墻肢的約束,其結(jié)果是結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的分析結(jié)果偏柔,這一點(diǎn)與TAT計(jì)算軟件相似。
    事實(shí)上,ETABS 采用空間協(xié)同工作體系,因此是準(zhǔn)三維分析程序。其主要優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行編制,使用起來(lái)比較方便。不足之處是它并非完全三維空間分析程序,協(xié)同工作假定帶來(lái)一定的計(jì)算誤差,同時(shí),對(duì)剪力墻的模型化假定也使得ETABS分析結(jié)果偏柔。
    2003年10月,由中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院標(biāo)準(zhǔn)所和美國(guó)CSI公司聯(lián)合推出符合中國(guó)規(guī)范的ETABSV8中文版,為我國(guó)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件市場(chǎng)注入了新的活力。ETABS 軟件功能十分強(qiáng),除了可以進(jìn)行線(xiàn)性靜、動(dòng)力反應(yīng)分析外,還可以進(jìn)行非線(xiàn)性靜、動(dòng)力反應(yīng)分析、推覆分析和P - Δ效應(yīng)分析等。
    3.4 SAP2000 軟件20世紀(jì)70年代初,美國(guó)Willson 教授等人編制了結(jié)構(gòu)通用有限元分析程序SAP5,該軟件在國(guó)際上得到了極其廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展和完善,90 年代中期,Willson 教授等人將美國(guó)、加拿和新西蘭等國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范和常用設(shè)計(jì)材料的特性編入程序,根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,直接進(jìn)行下一步設(shè)計(jì),推出了被稱(chēng)為21世紀(jì)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)程序SAP2000.該軟件以空間桿單元模擬梁、柱、支撐,以殼元模擬剪力墻。可以進(jìn)行線(xiàn)性靜、動(dòng)力反應(yīng)分析,也可以進(jìn)行非線(xiàn)性靜、動(dòng)力反應(yīng)分析、推覆分析和P - Δ效應(yīng)分析等。但SAP2000因其價(jià)格昂貴、前后處理工作量且與我國(guó)規(guī)范不相符合等原因,在我國(guó)的應(yīng)用和推廣受到一定的制約。

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