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雕工结构

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PKPM软件在应用中的问题解析1  

2009-07-01 21:50:05|  分类: 结构 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、常用结构计算软件分析

1、TAT结构计算软件

TAT对剪力墙采用开口薄壁杆件模型,并假定楼板在平面内刚度无限大,平面外刚度为零。这使得结构的自由度大为减少,计算分析得到一定程度的简化,从而大大提高了计算效率。

薄壁杆件模型采用开口薄壁杆件理论,将整个平面联肢墙或整个空间剪力墙模拟为开口薄壁杆件,每个杆件有两个端点,,每个端点有7 个自由度,前6 个自由度的含义与空间杆单元相同,第7 个自由度是用来描述薄壁杆件截面翘曲的。开口薄壁杆件模型的基本假定为:1)在线弹性条件下,杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持不变,在平面外可以翘曲,同时忽略其剪切变形的影响。这一假定实际上增大了结构的刚度,薄壁杆件单元及其墙肢越多,则结构刚度增大的程度越高。2)将同一层彼此相连的剪力墙墙肢作为一个薄壁杆件单元,将上下层剪力墙洞口之间的部分作为连梁单元。这一假定将实际结构中连梁对墙肢的线约束简化为点约束,削弱了连梁对墙肢的约束,从而消弱了结构的刚度。连梁越多,连梁的高度越大,则结构刚度消弱越大。连梁实际上是以剪切变形为主、传递水平力的剪切块,用弯曲变形为主的梁单元来模拟,显然误差较大。这也是连梁超筋的主要原因。3)引入楼板在其自身平面内刚度无限大,而平面外刚度为零的假定。

实际工程中许多布置复杂的剪力墙难以满足薄壁杆件模型的基本假定,从而使计算结果难以满足工程设计的精度要求。1)变截面的剪力墙:在平面布置复杂的建筑结构中,常存在薄壁杆件交叉连接、彼此相连的薄壁杆件截面不同,甚至差异较大的情况。由于这些薄壁杆件的扇形坐标不同,其翘曲角的含义也不同,因而由截面翘曲而引起的纵向位移不易协调,会导致一定的计算误差。2)长墙、矮墙:由于薄壁杆件模型不考虑剪切变形的影响,而长墙、矮墙是以剪切变形为主的构件,其几何尺寸也难以满足薄壁杆件的基本要求,采用薄壁杆件理论分析这些剪力墙时,存在着较大的模型化误差。3)多肢剪力墙:薄壁杆件模型的一个基本假定就是认为杆件截面外形轮廓线在自身平面内保持不变,在墙肢较多的情况下,该假定会导致较大误差。4)框支剪力墙:框支剪力墙和转换梁在其交接面上是线变形协调的,而采用薄壁杆件理论分析框支墙时,由于薄壁杆件是以点传力的,作为一个薄壁杆件的框支墙只有一点和转换梁的某点是变形协调的,这必然会带来较大的计算误差。5)框架梁与剪力墙的连接:在一般情况下和剪力墙垂直相连的框架梁,其受剪力墙的约束并不强,梁这一端的弯矩一般并不大,但用薄壁杆件理论分析剪力墙时,梁要通过刚臂与薄壁杆件的剪心相连,其结果是强化了剪力墙对梁端的嵌固作用,使梁端弯矩的计算值偏大。6)柱、墙上下偏心:程序将自动在上(薄壁) 柱的下端加一水平刚域,刚域的存在对结构整体刚度有较大的影响。7)对悬挑剪力墙、无楼板约束的剪力墙等也不适合采用薄壁杆件单元计算。

TAT软件适合于框架、框架-剪力墙、剪力墙及筒体结构,但应用时应根据结构的实际情况对剪力墙进行处理以减小计算误差。1)剪力墙的输入处理:对长度超过8m的剪力墙和多肢剪力墙应在适当的位置,按照使每个薄壁柱的刚度尽量均匀的原则人为设置计算洞口,这样可使薄壁柱的受力更符合实际。当洞口较小时,在实际施工时按无洞处理。2)剪力墙洞口的处理:因为TAT 采用薄壁柱模型,每层薄壁柱上下各有一个节点与上下层的柱、薄壁柱或无柱节点相连,通过这样的连系将上下层力传递计算,当上下层洞口不对齐时,由于洞口会切割一个薄壁柱为2个或更多,造成上下层节点不一一对应,使上下层传力混乱,这时应采用简化的方法进行处理。剪力墙洞口一般分对齐、开通、忽略三种处理方法。3)框支剪力墙的处理:对于框支剪力墙,用薄壁柱模拟的剪力墙就有个传力问题,上部薄壁柱只能传力给下面一个点,而下部往往是由多个点来支撑上部剪力墙的,这时应对框支梁上部的剪力墙进行离散化处理,将计算产生的误差控制在局部平面内,这样才能在结构的整体分析中得到一个比较满意的结果,然后再利用高精度平面有限元程序对关键部位进行细致的内力分析。

TBSA程序算模型和原理与TAT相似。

2、SATWE结构计算软件

SATWE是专门为多、高层建筑结构分析与设计而研制的空间结构有限元分析软件,适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土框架、框架-剪力墙、剪力墙、筒体结构等,也适用于混凝土-钢混合结构和高层钢结构。

SATWE是用墙元来模拟剪力墙。SATWE中的墙元是在板壳单元的基础上构造出的一种通用墙元,它采用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去,将其刚度凝聚到边界节点上,从而保证了墙元的精度和有限的出口自由度,而且墙元的每个节点都具有空间全部6个自由度,可以方便地与任意空间梁、柱单元连接,而无需任何附加约束,同时也降低了剪力墙的几何描述和板壳单元划分的难度,提高了分析效率。板壳单元是目前模拟剪力墙的最理想单元,SATWE选用这一单元并对墙元的细分和墙上开洞作了自动化处理。

板壳单元模型的主要特点是用每一节点6个自由度的壳元来模拟剪力墙单元。剪力墙既有平面内刚度,又有平面外刚度,楼板既可以按弹性考虑,也可按刚性板考虑,这是一种接近实际情况的模型。该模型的特点是:1)具有平面内、外刚度,可与空间任何构件连接,较好地反映剪力墙真实受力状态,其刚度与实际刚度较为一致。2)通过静力凝聚形成的墙元来模拟剪力墙,解决了剪力墙模型化的问题。3)允许剪力墙洞口不对齐,适用于较复杂的结构,较真实地分析出剪力墙的内力和变形。4)结构自由度数目增多,计算工作量增加,计算效率有所降低。

SATWE在对楼板的处理上采用了四种不同的假定:1)假定楼板整体平面内无限刚;2)假定楼板分块平面内无限刚;3)假定楼板分块平面内无限刚,并带有弹性连接板带;4)假定楼板为弹性板。为提高计算效率,在保证一定的分析精度的前提下,针对不同类型的工程,采用不同的楼板假定。

在使用SATWE软件时,值得注意的有两点:1)墙元的划分并非越细越好。当墙元划分过细时,由于单元有一定的厚度,当单元的长、宽与单元的厚度比较接近时,墙单元就不能再作为墙单元计算。2)在地震作用分析时,程序对振型分解法提供了两种解法:总刚分析方法和侧刚分析方法。两者的主要区别在于对墙元侧向节点自由度的处理上,前者将其作为子结构出口自由度,参加总刚的集成,后者将其作为子结构的内部自由度,在单元计算阶段就凝聚掉,这就造成墙元之间的变形不协调,使之在变形的过程中可以自由开裂,使得计算出的结构刚度偏小,尤其在采用弹性楼板假定以及错层结构中会产生较大的误差。3)为了减少壳元在形成极限时的误差,使结构刚度计算更加合理,一般应忽略剪力墙的小翼缘,把独立小墙肢按柱定义。SATWE连梁均采用空间壳元模型。计算时把连梁部分乘以连梁刚度折减系数后与两边墙体组成带洞口的组合墙元参与整体分析,最后通过应力积分求出连梁内力。


3、ETABS结构计算软件

ETABS软件是由美国Berkeley地震工程研究中心开发的高层建筑三维专用有限元分析软件,其特点是采用空间杆单元模拟梁、柱、支撑构件,采用膜元模型来模拟剪力墙,楼板可采用平面内无限刚假定、分块无限刚假定和弹性假定。

膜元模型是把无洞口或有较小洞口的一片剪力墙简化为一个墙板单元,把有较大洞口的一片剪力墙简化为一个由墙板单元和连梁组成的墙板-梁体系,即把洞口两侧部分作为两个墙板单元,上、下层剪力墙洞口之间部分作为一根连梁。墙板单元由膜单元+边梁+边柱组成,膜单元只有墙平面内的抗弯、抗剪和抗压刚度,平面外刚度为零;边梁为一种特殊的刚性梁,在墙平面内的抗弯、抗剪和轴向刚度无限大,垂直于墙平面的抗弯、抗剪和抗扭刚度为零;边柱的作用为等效替代剪力墙的平面外刚度,边柱可能是实际工程中的一根柱,也可能是人为虚拟的柱。膜元模型使得剪力墙的几何描述和前处理工作得到了简化,解决了剪力墙单元划分的难题,结构自由度有所减少,分析效率也得到了一定的提高,位移的协调性介于薄壁杆件模型和有限元模型之间,分析结果也较薄壁杆件模型更合理。

膜元模型的不足之处主要是:膜元模型中是按“柱线”来把剪力墙划分为一个个墙板单元的,为了使上、下层之间的墙板单元角点变形协调,模型要求整个结构从上到下“柱线”对齐、贯通。对于复杂工程,特别是当剪力墙洞口上下不对齐、不等宽以及各层与剪力墙搭接的梁平面位置有变化时,将导致“柱线”又多又密,这不仅会增加许多墙板单元,增加计算量,更重要的是会使许多墙板单元变得又细又长,单元的几何比例不当,造成墙板单元刚度奇异,使分析结果失真。此外,将剪力墙洞口间部分模型化为一个梁单元,削弱了实际结构中连梁对墙肢的约束,其结果是结构整体计算的分析结果偏柔,这一点与TAT计算软件相似。

事实上,ETABS采用空间协同工作体系,因此是准三维分析程序。其主要优点是针对建筑结构的特点进行编制,使用起来比较方便。不足之处是它并非完全三维空间分析程序,协同工作假定带来一定的计算误差,同时,对剪力墙的模型化假定也使得ETABS分析结果偏柔。2003年10月,由中国建筑设计研究院标准所和美国CSI 公司联合推出符合中国规范的ETABS V8中文版,为我国的结构计算软件市场注入了新的活力。目前ETABS中文版V9软件具有世界最新空间有限元分析技术,除了保留原有的美国规范、欧洲规范、英国规范、加拿大规范等国家规范之外,加入最新中国2002年相关规范内容。可以同时进行混凝土结构、钢结构和混合结构的静力、动力分析。可以按照规范要求自动生成地震作用荷载、风荷载。具有不限制自由度数的强大分析功能,可以进行多种荷载工况组合的静力分析、振型分析、反应谱分析、线性和非线性时程分析、静力非线性Pushover分析、施工阶段顺序加载分析。可以考虑P-Δ效应、大变形几何非线性等。

4、SAP2000结构计算软件

20世纪70年代初,美国Willson教授等人编制了结构通用有限元分析程序SAP5,该软件在国际上得到了极其广泛的应用。经过二十多年的发展和完善,90年代中期,Willson教授等人将美国、加拿大和新西兰等国的设计规范和常用设计材料的特性编入程序,根据计算分析结果,直接进行下一步设计,推出了被称为21 世纪的结构分析与设计程序SAP2000。该软件以空间杆单元模拟梁、柱、支撑,以壳元模拟剪力墙。可以进行线性静、动力反应分析,也可以进行非线性静、动力反应分析、推覆分析和P-Δ效应分析等。但SAP2000因其价格昂贵、前后处理工作量大且与我国规范不相符合等原因,在我国的应用和推广受到一定的制约。目前SAP2000中文版V9软件具有框架单元、索单元、板单元、壳单元、平面单元、实体单元、连接单元、铰单元等单元,提供线性和非线性、静力和动力分析,可以进行静力分析、振型分析、反应谱分析、时程分析、曲屈分析、移动荷载分析、稳态分析、功能谱密度分析、静力Pushover分析、施工顺序加载分析等。SAP2000中文版V9软件是通用有限元分析与设计软件,适用于桥梁、工业建筑、输电塔、设备基础、电力设施、索膜结构、运动场所、演出场所等特种结构。

        
        



        







        
          
             
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