常用结构计算软件与结构概念设计探讨

本文是建筑网基于对软件的应用体会,提出一些观点与广大工程师进行讨论。内容涉及基本的有限元分析技术和相关软件的技术要点讨论。

1剪力墙的单元形式

在高层结构分析和设计中,剪力墙所使用的单元形式以及计算结果的精度是个关键问题,也是我们最为关注的问题,可以说这一技术要点的不断进步也伴随着结构软件的不断更新及发展。

在国内最早的剪力墙单元模型是基于薄壁柱理论,它们也应用于早期TBSA和TAT等国内较早的结构分析软件中,目前这些程序仍然在结构分析设计工程实践中使用,因此,现在工程师一般不使用此类程序计算带有剪力墙的结构。另一种处理方法为墙板元体系,墙板元单元模型主要是由(核心墙板元,边柱和平面刚性梁)几种不同特性的单元,共同组成的剪力墙单元模型,它能够同时考虑平面内和平面外刚度,其未知量较少,计算的精度比较高。目前清华大学建筑设计研究院编写的TUS通过增加内部节点的方式形成了一种改进型墙板元,并且在目前的程序版本中使用。

另外一种处理方法是以中国建筑科学研究院PKPM工程部SATWE程序为代表的墙元模型,它是基于子结构基本思想和静力凝聚原理所形成的剪力墙单元模型,能够较好地模拟剪力墙的受力状态。与墙板元相比,对于洞口的大小和位置处理也比较灵活,因为凝聚了自由度,计算速度提高很多。但是墙元模型内部进行了程序默认的单元简化处理,因此必须有特定的内力输出和输入端口,在某些情况下存在单元精度不足的缺陷,且剪力墙开边洞等一些情况处理得不够准确。

从剪力墙本身的几何特征和受力特性分析,与壳元最接近,壳元既具有平面内刚度,又具有平面外刚度,并可以进行任意的剖分,这些都是作为剪力墙模型有利的特性,也是合理的模型形式。但是用壳元模拟剪力墙用于实际工程的结构设计存在一定的困难―基于精确细分模型得到准确分析结果的基础上,设计的进行和设计结果的输出,也就是后处理问题。因为如果使用壳元来模拟剪力墙,为了得到较好的分析精度,必须对其进行剖分,而不同的工程师及不同的工程类型的精度需求可能需要不同的剖分细度。分析完成之后,如果程序输出的是剪力墙每个单元的内力结果和配筋结果是很复杂的,也不可能在实际工程中使用。另外的问题是因为采用单元剖分精确模拟结构的受力和变形特性,与墙元相比需要较长的计算时间。

目前,ETABS在处理结果被众多工程师接受的有限元软件之一。在ETABS中剪力墙使用真实的壳元模型,工程师可以根据需要按个数或最大尺寸方式进行壳元的有限元划分,ETABS还提出了剪力墙标签和连梁标签的概念,也就是在单元划分的基础上,剪力墙的内力输出和设计的执行及输出都是基于标签来做的,工程师可以通过标签的指定和修改任意控制剪力墙设计的单个对象范围,这就解决了壳元剪力墙模型后处理方面的不足。ETABS可以对剪力墙基于各种规范及理论的设计,ETABS中文版在保留了大部分剪力墙设计方法的基础上,将中国规范的剪力墙设计方法完整地贯入到了原程序中,并且在剪力墙开洞方法等方面都作了很多的改进。

基于有限元分析理论,单纯的膜元本身不能够单独作为剪力墙单元模型在有限元结构分析软件中进行使用,适用范围是不考虑空间整体性的手算方式。膜元只具有平面内刚度,不具有平面外刚度,这对于剪力墙的受力特性显然是不科学的。对于膜元来做剪力墙,因为膜元没有平面外刚度,因此其在平面外一定会发生非常的变形。因此,膜元是不能独立作为剪力墙模型的,除非象墙板元模型一样与其他单元来配合使用,由其他单元来来补充考虑剪力墙对于平面外作用的抵抗能力。

目前建筑设计中平面布局要求,大面积的楼板开洞,或复杂平面布局,多塔联体结构中,刚性楼板的假定已经不再满足结构有限元分析的实际需要,因此越来越多的结构需要采用真实的弹性楼板验算。ETABS程序提供了多种需求情况下真实的弹性楼板模型,可以仅考虑平面内刚度,最大限度地减少单元的数量;也可以仅考虑平面外刚度,需要时可以考虑剪切变形的影响;还可以同时考虑平面内和平面外的刚度,进行真实的壳元弹性楼板分析,不同单元形式的楼板真实参与结构的整体分析。在ETABS中如果需要也可以进行刚性楼板的假定,并且可以在同一楼层中指定多块刚性隔板,不同的刚性隔板间保持弹性连接,这样可以满足更复杂的多塔及联体结构的需要。

2网格不匹配时自动线约束的作用

正如我们前面所谈到的,通用有限元程序在结构分析中使用时,为了保证结果的精确性必须进行一定程度的单元细分,特别是对于面单元和实体单元。在单元细分过程中,同为面单元的剪力墙、连梁及楼板剖分过程中,由于工程实际的几何复杂性,很难保证剖分之后单元节点之间的精确对位连接,此时在结构分析过程中便会产生节点不匹配处的变形不协调。

由于节点的不匹配,相关节点处也不会有内力传递,为了避免这一点,在一般通用有限元程序中,工程师必须对剪力墙和连梁进行进一步剖分以便获得节点匹配的结果,如果模型中使用壳元楼板模型,那么考虑楼板与剪力墙间的剖分匹配问题将是更复杂耗时的问题。

基于这一问题,在ETABSV8版本中,引入了面单元自动线约束的概念,自动线约束的含义是在结构单元剖分不匹配时,在不匹配的节点自动生成一个过渡的线约束,保证单元节点的变形协调及内力传递。ETABS解决了单元剖分的节点匹配问题,也解决了通用有限元程序用于结构分析设计实践工作中的第二个障碍,因为人工解决这一问题是繁杂耗时的工作,是不被工程实践所接受的。也正因为很好地解决了剪力墙后处理问题和单元剖分的节点匹配问题,ETABS才成为建筑结构设计领域最为工程师接受的通用有限元分析与设计软件,在全球得到了最广泛的应用和推广。

3ETABS中连梁采用梁单元

对于结构模型中连梁的处理,ETABSV8版本保留了按壳元模拟连梁和按梁元模拟连梁两种方式,工程师可以根据实际工程的需求来进行选择,但一般情况下程序还是建议使用壳元模拟连梁单元。因为线单元模拟连梁时,连梁与剪力墙的平面内刚度差距较大,内力分配会出现问题,相交节点位置也会出现应力集中。壳元模拟的连梁真实反映了连梁的高度几何特性,符合连梁的受力特性,其与剪力墙墙肢间至少有4个节点相连,内力分配会更为合理。

4ETABS等同于TAT

对有限元发展及结构有限元辅助分析程序的发展,SAP程序是世界上第一套结构三维有限元分析程序。而ETABS程序是为了方便建筑结构分析和设计的使用而在SAP系列程序的基础上升级而来的,其基本理论和核心计算部分与SAP是完全一致的。与SAP程序相比,ETABS程序在保持结构空间三维分析的基础上,为了便于建筑结构分析设计的使用,作了很多操作方面和数据结果输出方面的改进。比如SAP中没有楼层概念,ETABS中则具有清晰的楼层概念;ETABS中具有梁和柱不同的线对象,在SAP中统一作为线对象来处理;SAP只对剪力墙作分析,不对其进行设计,在ETABS中具有详细的剪力墙设计等后处理功能。