高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件應(yīng)用中易產(chǎn)生的問(wèn)題

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高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件應(yīng)用中易產(chǎn)生的問(wèn)題
著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高層建筑在城市建設(shè)中發(fā)展迅速，建筑業(yè)對(duì)建筑外型及平面要求越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)體系的多樣化是現(xiàn)代高層建筑的重要特點(diǎn)，建筑平、立面日益復(fù)雜，而工程上又要求設(shè)計(jì)更快、更合理、更安全、準(zhǔn)確，這就需要我們的設(shè)計(jì)軟件日趨完善，同時(shí)也要求設(shè)計(jì)人員詳盡地了解軟件，最大限度地發(fā)揮出軟件的功能。目前，國(guó)內(nèi)在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，工程中應(yīng)用較多的高層結(jié)構(gòu)分析軟件主要有兩類：
　　一類是利用薄壁桿件理論的三維桿系結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，目前工程中常用的TAT、TBSA屬于這一類。第二類是利用殼元理論的三維組合結(jié)構(gòu)有限分析軟件，SATWE軟件屬于這類軟件。

　　一、這兩類軟件均屬于高層建筑結(jié)構(gòu)空間分析軟件，已有很多應(yīng)用實(shí)例，但是它們畢竟是兩種不同的軟件，它們究竟有些什么區(qū)別?對(duì)計(jì)算結(jié)果有什么影響?在實(shí)際工程中應(yīng)該注意些什么？

(一)、TAT軟件利用薄壁桿件理論，它具有兩條基本假定： 　　1. 把彼此相連在一起的剪力墻模型化為一個(gè)薄壁桿件單元，把上、下層剪力墻洞口間的部分模型化為一個(gè)連系梁?jiǎn)卧?允許開(kāi)裂，可以進(jìn)行剛度折減的梁?jiǎn)卧? 　　2. 對(duì)于樓板，假定平面內(nèi)無(wú)限剛，平面外剛度為零。

　　SATWE軟件采用空間桿單元來(lái)模擬梁、柱及支撐桿件，用在殼單元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。墻元是專用于模擬高層結(jié)構(gòu)中剪力墻的，對(duì)于尺寸較大或帶洞口的剪力墻，按照子結(jié)構(gòu)的基本思想，由程序自動(dòng)進(jìn)行細(xì)分，然后用靜力凝聚原理將由于墻元細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去，從而保證墻元的精度和有限的出口自由度，這種墻元對(duì)剪力墻的洞口的大小及空間位置無(wú)限制，具有較好的適應(yīng)性，墻元不僅具有墻所在平面內(nèi)剛度，可以較好的模擬工程中剪力墻的實(shí)際受力狀態(tài)。對(duì)于樓板SATWE給出了四種簡(jiǎn)化假定：　　1. 樓板整體平面內(nèi)無(wú)限剛； 　　2. 分塊無(wú)限剛； 　　3. 分塊無(wú)限剛帶彈性連接板帶；　　4. 彈性樓板。在應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況和分析精度，選用其中一種或幾種簡(jiǎn)化假定。

　　(二)TAT軟件在許多工程中有大量的應(yīng)用，它的計(jì)算特點(diǎn)是自由度少，使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析得到了極大的簡(jiǎn)化，因而運(yùn)算速度快，計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)硬件要求較低。但是實(shí)際工程中的許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剪力墻很難滿足其基本假定，這時(shí)則需要我們把實(shí)際工程的計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣經(jīng)過(guò)人為修改而達(dá)到理想化的模型又同實(shí)際工程具有一定差別，就難以保證其計(jì)算的準(zhǔn)確性。

　　SATWE軟件相對(duì)TAT來(lái)講，運(yùn)算時(shí)間要長(zhǎng)的多，對(duì)硬件要求比較高。但是，這種墻元模型允許剪力墻上下層洞口不對(duì)齊，可以準(zhǔn)確地分析復(fù)雜的框剪、剪力墻結(jié)構(gòu)，可以分析樓板局部開(kāi)大洞口，板柱體系，轉(zhuǎn)換層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

　　(三)TAT和SATWE軟件的工程應(yīng)用

　　當(dāng)建筑物為普通框架結(jié)構(gòu)時(shí)，這兩種軟件的計(jì)算結(jié)果差別不大，如果框架結(jié)構(gòu)有錯(cuò)層，則略有差異，這是因?yàn)镾ATWE把錯(cuò)層構(gòu)件質(zhì)量加在每一層分界的節(jié)點(diǎn)上，而TAT把錯(cuò)層構(gòu)件連接起來(lái)加在其頂端，這樣，計(jì)算結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致周期偏大。

　　(四)在計(jì)算風(fēng)載時(shí)，SATWE取本層迎風(fēng)面面積，TAT則取本層和上層各一半的面積，這樣的結(jié)果TAT忽略了第一層的一半迎風(fēng)面荷載。

二、在設(shè)計(jì)中TAT軟件運(yùn)算時(shí)易產(chǎn)生的問(wèn)題：

　　(一)對(duì)于板-柱體系不宜采用TAT的計(jì)算結(jié)果

　　對(duì)于板-柱體系在采用TAT進(jìn)行分析時(shí)，要將樓板簡(jiǎn)化為等帶梁，這種處理方法對(duì)樓板的模擬與實(shí)際情況出入較大。因?yàn)榫湍壳岸?，等帶梁寬的取值還沒(méi)有一個(gè)科學(xué)的規(guī)則。由于SATWE軟件考慮了樓板彈性變形，可以用彈性樓板單元較真實(shí)地模擬樓板的剛度和變形。

　　(二)在分析框支剪力墻和轉(zhuǎn)換大梁時(shí)，在其連接面上是線變形協(xié)調(diào)的，采用薄壁桿件理論分析框肢墻時(shí)，由于薄壁桿件是以點(diǎn)傳力的，作為一個(gè)薄壁桿件的框肢墻只有一點(diǎn)和轉(zhuǎn)換大梁的一點(diǎn)進(jìn)行變形協(xié)調(diào)，其變形關(guān)系與框肢轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)原形相差甚大。還有，我們知道在豎向荷載作用下簡(jiǎn)單平面框肢結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換大梁跨中不僅有彎矩，還存在著軸向拉應(yīng)力，混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度低，因此軸向拉力是不可忽視的，但程序中假定“樓板平面內(nèi)無(wú)限剛，平面外剛度為零”這種情況下，不能分析出轉(zhuǎn)換梁的軸力。

　　(三)框架梁與剪力墻的連接

　　在與剪力墻垂直連接的框架梁的計(jì)算中，常常出現(xiàn)與剪力墻連接的梁端彎矩計(jì)算值偏大的現(xiàn)象，而實(shí)際上，剪力墻在平面外向上的剛度并不大，梁受剪力墻的約束并不強(qiáng)，在程序計(jì)算過(guò)程中，按照薄壁桿件的基本假定，梁要通過(guò)剛臂與薄壁桿件的剪力墻相連，這里說(shuō)的剛臂是計(jì)算者人為地強(qiáng)加給梁的，由于薄壁桿件只能反映彼此相連在一起的各墻肢的綜合剛度，它結(jié)果是強(qiáng)化了剪力墻對(duì)梁的嵌固作用，使梁端彎矩偏大，這就是我們常遇到的有些梁超筋的原因。

　　(四)當(dāng)截面不相同且差異較大的剪力墻相連接時(shí)，這時(shí)TAT的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的計(jì)算誤差，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免剪力墻厚度變化過(guò)大。

　　(五)較矮、較長(zhǎng)的剪力墻且洞口較少時(shí)，這樣的剪力墻很難滿足薄壁桿件在幾何尺寸上的基本要求會(huì)產(chǎn)生很大誤差。

　　(六)剪力墻上下層洞口部分連系梁，在TAT計(jì)算中是用梁?jiǎn)卧M其剛度和變形，由于連梁與薄壁桿件之間是通過(guò)剛臂實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)變形協(xié)調(diào)連接，而在剪力墻原形中是以線變形協(xié)調(diào)的，同連梁模擬剪力墻，其計(jì)算結(jié)果是偏柔的，連梁越多，偏柔程度越大。

　　(七)在計(jì)算中，由于桿系單元是通過(guò)點(diǎn)接觸傳力的，因而在分析計(jì)算時(shí)，不管實(shí)際情況如何，都要求剪力墻的上下洞口對(duì)齊，那么我們就不得不通過(guò)挪動(dòng)洞口來(lái)人為地規(guī)定傳力路線，其結(jié)果導(dǎo)致與實(shí)際情況產(chǎn)生差異，一方面，計(jì)算洞取多大，該加在什么地方都是人為的，沒(méi)有一定規(guī)律可尋，而這些因素與分析結(jié)果的精度密切相關(guān)，這就使分析結(jié)果帶有很強(qiáng)的主觀性；另一方面，如計(jì)算洞口后，計(jì)算簡(jiǎn)圖與剪力墻原形相差甚遠(yuǎn)，按這樣的簡(jiǎn)圖分析，既使計(jì)算洞口加得非常理想，其分析結(jié)果也很難如實(shí)地反映剪力墻的原形位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

　　(八)地下室或人防工程處理

用TAT軟件計(jì)算時(shí)，由于地下室或人防工程外圍護(hù)結(jié)構(gòu)都采用剪力墻，使之形成一封閉的連續(xù)墻體，用TAT這種薄壁桿系計(jì)算與計(jì)算假定不符，則需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的方法之一是忽略外圍墻體計(jì)算，實(shí)際配筋時(shí)采用構(gòu)造配筋；二是外圍墻體根據(jù)上部墻段進(jìn)行簡(jiǎn)化，而這樣兩種簡(jiǎn)化后計(jì)算出的結(jié)果，僅能作為參考，不能作為計(jì)算依據(jù)。

　　(九)應(yīng)用SATWE軟件應(yīng)注意四種樓板的簡(jiǎn)化假定的選擇：

　　1.“假定樓板整體平面無(wú)限剛”多用于常規(guī)結(jié)構(gòu)；

　　2.“假定樓板分塊內(nèi)無(wú)限剛”適用于多塔式錯(cuò)層結(jié)構(gòu)；

　　3.“假定樓板分塊平面內(nèi)無(wú)限剛，并帶有彈性連接板帶”適用于樓板局部開(kāi)大洞口，塔樓與塔樓之間上部相連的多塔結(jié)構(gòu)。

　　4.“假定樓板為彈性板”用于特殊樓板結(jié)構(gòu)或要求分析精度高的高層結(jié)構(gòu)，還有當(dāng)結(jié)構(gòu)平面的長(zhǎng)寬比較大時(shí)，應(yīng)考慮樓板的彈性變形。

在運(yùn)用軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整軟件的各項(xiàng)參數(shù)及簡(jiǎn)化模型，使其最大限度地反映實(shí)際工程的情況，盡可能地使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際模型相一致。在工程設(shè)計(jì)中不能迷信計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果，更不能因某一部分的計(jì)算結(jié)果有誤差就全盤(pán)否定計(jì)算軟件，只有在實(shí)踐中逐步了解軟件并在工作中避免其產(chǎn)生誤差，這樣才能使我們的設(shè)計(jì)更安全，更合理。