概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)措施

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建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施
摘要：在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施至關(guān)重要。一定程度上它反映了一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)水平，下面就這兩個(gè)問題談一下本人的一點(diǎn)看法。 關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 概念設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)措施
　　在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施至關(guān)重要。一定程度上它反映了一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)水平，下面就這兩個(gè)問題談一下本人的一點(diǎn)看法?！?br /> 1　概念設(shè)計(jì)的重要性
　　概念設(shè)計(jì)是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵,一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì),并能有意識(shí)地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。一般認(rèn)為,概念設(shè)計(jì)做得好的結(jié)構(gòu)工程師,隨著他的不懈追求,其結(jié)構(gòu)概念將隨他的年齡與實(shí)踐的增長而越來越豐富,設(shè)計(jì)成果也越來越創(chuàng)新、完善。遺憾的是,隨著社會(huì)分工的細(xì)化,大部分結(jié)構(gòu)工程師只會(huì)依賴規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、計(jì)算機(jī)程序做習(xí)慣性傳統(tǒng)設(shè)計(jì),缺乏創(chuàng)新,更不愿(不敢)創(chuàng)新,有的甚至拒絕對(duì)新技術(shù)、新工藝的采納(害怕承擔(dān)創(chuàng)新的責(zé)任)。大部分工程師在一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)全面應(yīng)用的今天,對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果明顯不合理、甚至錯(cuò)誤而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。隨著年齡的增長 ,導(dǎo)致他們?cè)诖髮W(xué)學(xué)的那些孤立的概念都被逐漸忘卻,更談不上設(shè)計(jì)成果的不斷創(chuàng)新。強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要,主要還因?yàn)楝F(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多缺陷或不可計(jì)算性,比如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論的計(jì)算方法,而截面設(shè)計(jì)卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,這一矛盾使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn),為了彌補(bǔ)這類計(jì)算理論的缺陷,或者實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量無法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì),都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)計(jì)算機(jī)結(jié)果的高精度特點(diǎn),往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的誤解,結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng),才能比較客觀、真實(shí)地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。概念設(shè)計(jì)之所以重要,還在于在方案設(shè)計(jì)階段,初步設(shè)計(jì)過程是不能借助于計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念,選擇效果最好、造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方案,為此,需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念,深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能,并能有意識(shí)地、靈活地運(yùn)用它們。
2　協(xié)同工作與結(jié)構(gòu)體系
　　協(xié)同工作的概念廣泛存在于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造中,對(duì)于任一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品,我們均不希望其在遠(yuǎn)未達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命(負(fù)荷、功能)時(shí),它的某些部件(或零件)即出現(xiàn)破壞。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu),協(xié)同工作的概念即是要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個(gè)構(gòu)件相互配合,共同工作。這不僅要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)能共同受力,協(xié)同工作,同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài),還要求他們能有共同的耐久壽命。結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作表現(xiàn)在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系上,必須視基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)為一個(gè)有機(jī)的整體,不能把兩者割裂開來處理。舉例而言,對(duì)磚混結(jié)構(gòu) ,必須依靠圈梁和構(gòu)造柱將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接成一個(gè)整體,而不能單純依靠基礎(chǔ)自身的剛度來抵御不均勻沉降,所有圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置,都必須圍繞這個(gè)中心。對(duì)協(xié)同工作的理解,還在于當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí),結(jié)構(gòu)中的各個(gè)構(gòu)件能同時(shí)達(dá)到較高的應(yīng)力水平。在多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能避免短柱,其主要的目的是使同層各柱在相同的水平位移時(shí),能同時(shí)達(dá)到最大承載能力,但隨著建筑物的高度與層數(shù)的加大,巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來越大,從而造成高層建筑的底部數(shù)層出現(xiàn)大量短柱,為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn),對(duì)于大截面柱,可以通過對(duì)柱截面開豎槽,使矩形柱成為田形柱,從而增大長細(xì)比,避免短柱的出現(xiàn),這樣就能使同層的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在相近的水平位移下,達(dá)到最大的水平承載力;而對(duì)于梁的跨高比的限制,一般還沒有充分認(rèn)識(shí)到。實(shí)際上與長短柱混雜的效果一樣,長、短梁在同一榀框架中并存,也是極為不利的,短跨梁在水平力的作用下,剪力很大,梁端正、負(fù)彎矩也很大,其配筋全部由水平力決定,豎向荷載基本不起作用,甚至于梁端正彎矩鋼筋也會(huì)出現(xiàn)超筋現(xiàn)象,同時(shí),由于梁的剪力增大,也會(huì)使支承柱的軸力大幅增大,這種設(shè)計(jì)是不符合協(xié)同工作原則的,同時(shí),結(jié)構(gòu)的造價(jià)必將會(huì)上升。多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的即是為了抵抗水平力的作用,防止扭轉(zhuǎn),為有效的抵抗水平力作用,平面上兩個(gè)正交方向的尺寸宜盡量接近,目的是保證這兩個(gè)方向上的“慣性矩”相等,以防止一個(gè)方向強(qiáng)度(穩(wěn)定性)儲(chǔ)備太大,而另一個(gè)方向較弱,因此,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)(柱、剪力墻)宜設(shè)置在四周,以增大整體的抗側(cè)剛度及抗扭慣性矩,同時(shí),應(yīng)加大梁或樓層的剛度,使柱(或剪力墻)能承擔(dān)較大的整體彎矩,這就是“轉(zhuǎn)換層”的概念。防止扭轉(zhuǎn)的目的,是因?yàn)樵谂まD(zhuǎn)發(fā)生時(shí),各柱節(jié)點(diǎn)水平位移不等,距扭轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)的角柱剪力很大,而中柱剪力較小,破壞由外向里,先外后里。為防止扭轉(zhuǎn),抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱布置,宜設(shè)在結(jié)構(gòu)兩端,緊靠四周設(shè)置,以增大抗扭慣性矩。因此,高層或超高層建筑中,盡管角柱軸壓比較小,但其在抗扭過程中作用卻很大(若角柱先壞,整個(gè)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度或強(qiáng)度下降,中柱必定依次破壞),同時(shí),在水平力的作用下,角柱軸力的變化幅度也會(huì)很大,這樣勢(shì)必要求角柱有較大的變形能力。由于角柱的上述作用,角柱設(shè)計(jì)時(shí)在承載力和變形能力上都應(yīng)有較多考慮,如加大配箍,采用密排箍筋柱、鋼管混凝土柱。目前,部分已建建筑在其四角設(shè)置巨型鋼管柱,從而極大地增強(qiáng)了角柱的強(qiáng)度和抗變形能力。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,柱軸壓比的限值已成為困擾結(jié)構(gòu)工程師的實(shí)際問題,隨著建筑高度的增加,結(jié)構(gòu)下部柱截面也越來越大,而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋,即使采用高強(qiáng)混凝土,柱截面也不會(huì)明顯降低。實(shí)際上,柱的軸壓比大小,直接反映了柱的塑性變形能力,而構(gòu)件的變形能力會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)的延性。混凝土基本理論指出:混凝土構(gòu)件的曲率延性,即彎曲變形能力主要取決于截面的相對(duì)受壓區(qū)高度和受壓區(qū)邊緣混凝土的極限變形能力。相對(duì)受壓區(qū)高度主要取決于軸壓比、配筋等,混凝土的極限變形能力主要取決于箍筋的約束程度,即箍筋的形式和配箍特征值(λ=ρｆｙｆｃ)。因此,為了增大柱在地震作用下的變形能力,控制柱的軸壓比和改善配箍具有同樣的意義,因而采用密排螺旋箍筋柱或鋼管混凝土均可以提高柱軸壓比的限值。
3　協(xié)同工作與材料利用率
　　協(xié)同工作設(shè)計(jì)的另一個(gè)目的,還在于對(duì)材料的充分利用。一般來講,材料利用率越高(即應(yīng)力水平越高),該結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作程度也越高(從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度,盡管結(jié)構(gòu)性能最好的方案,不一定是材料利用率最高),尤其對(duì)我國這樣一個(gè)發(fā)展中國家,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的即是花最少的錢,做最好的建筑,這就要求設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的充分利用,這從梁類構(gòu)件的演變可以看出。矩形截面梁是最普通的受彎構(gòu)件,它的材料利用率很低,原因有二:一方面是靠近中和軸的材料應(yīng)力水平低,另一方面是梁的彎矩沿梁長一般是變化的,這樣對(duì)等截面梁來說,大部分區(qū)段,即使是拉、壓邊緣,其應(yīng)力水平均較低。針對(duì)梁的這種受力特點(diǎn),用結(jié)構(gòu)概念分析,主要是因?yàn)榱航孛娲嬖趹?yīng)變梯度,只有當(dāng)構(gòu)件是軸心受力時(shí),材料利用率才可能增大,于是就出現(xiàn)了平面桁架,平面桁架可以理解成“掏空”的梁———將梁中多余材料去除,既經(jīng)濟(jì),又降低自重;故桁架的上弦相應(yīng)于梁的受壓邊,下弦相應(yīng)于受拉鋼筋。規(guī)則桁架中腹桿的受力(拉、壓)與梁中主拉、壓應(yīng)力方向一致,根據(jù)上述分析,還可以將桁架的外形設(shè)計(jì)為與彎矩圖相似的形狀,從而使桁架的弦桿受力均勻。由于桁架中大量存在壓桿,壓桿的強(qiáng)度往往由其穩(wěn)定性決定,而不是由桿件截面材料強(qiáng)度決定,因此,在平面桁架的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)設(shè)法降低壓桿的長細(xì)比。單純?cè)龃蠼孛媸窍虏?特別是上弦桿,應(yīng)努力增加其平面外的剛度(有時(shí)上弦采用雙桿形成的復(fù)合壓桿),提供平面外約束(增加支撐),如果把這些平面外的支撐再連接成桁架,這樣就使平面桁架變?yōu)槠矫娼徊骅旒?最后發(fā)展為空間網(wǎng)架?？臻g網(wǎng)架的材料利用率高,應(yīng)力水平高,故在大跨度、大空間結(jié)構(gòu)中廣泛使用,但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中仍然存在壓桿,壓桿(特別是鋼壓桿)的應(yīng)力水平不可能太高(因?yàn)殡S著跨度的增加,網(wǎng)架的高度增大,腹桿的長度將增大,同時(shí)節(jié)點(diǎn)距離的增大也導(dǎo)致弦桿長度的增大),這樣高強(qiáng)材料就不能使用。因此,努力減少或消除結(jié)構(gòu)中的壓桿,就使我們找到了懸索結(jié)構(gòu),懸索結(jié)構(gòu)中所有的“桿件”均為拉桿,這樣就使懸索結(jié)構(gòu)中桿件的應(yīng)力水平極高,材料利用率極大,高強(qiáng)材料得以充分利用,還可施加預(yù)應(yīng)力。因而在超大跨度的結(jié)構(gòu)中,懸索結(jié)構(gòu)(或包括懸索結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu))是首選的結(jié)構(gòu)類型。就混凝土基本理論的發(fā)展來看,也體現(xiàn)了使各種材料充分發(fā)揮性能,并相互協(xié)同工作的特點(diǎn)。林同炎教授認(rèn)為:鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土之間的區(qū)別在于鋼筋混凝土是將混凝土與鋼筋兩者簡(jiǎn)單地結(jié)合在一起,并讓他們自行地共同工作,預(yù)應(yīng)力混凝土是將高強(qiáng)鋼筋與高強(qiáng)混凝土能動(dòng)地結(jié)合在一起,使兩種材料均產(chǎn)生非常好的性能。反映了人們對(duì)混凝土中的協(xié)同工作認(rèn)識(shí)和運(yùn)用過程的加深。目前廣泛使用的鋼-混凝土結(jié)構(gòu) ,是將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相互取長補(bǔ)短形成的一種新型的結(jié)構(gòu)形成。尤其是鋼管混凝土,與預(yù)應(yīng)力混凝土相似,更將這兩種材料能動(dòng)地結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的又一次革命。鋼管混凝土的原理有二:1)借助鋼管對(duì)核心混凝土的約束,使核心混凝土有更高的強(qiáng)度和變形能力;2)核心混凝土又對(duì)鋼管壁的穩(wěn)定提供了有效可靠的支撐。鋼管混凝土的極限承載力遠(yuǎn)大于鋼管和核心混凝土兩者的承載力之和,約為兩者之和的17～2 0倍,其極限變形能力是普通鋼筋混凝土的幾倍甚至幾十倍,這是鋼材與混凝土的又一次理想結(jié)合。它的出現(xiàn),使傳統(tǒng)意義上的受壓破壞特征由脆性變?yōu)檠有?對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的延性設(shè)計(jì)意義巨大,也使超高層建筑底層柱的軸壓比限制問題迎刃而解。從上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的演化,推而廣之,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,只有當(dāng)構(gòu)件越多處于軸心受力狀態(tài),其材料的利用率才可以高,經(jīng)濟(jì)性也就越好。對(duì)框架結(jié)構(gòu),豎向載作用下,框架柱宜處于小偏心受壓下工作,若大量柱處于大偏心受壓工作狀態(tài),則該結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性一般不好,故對(duì)非地震區(qū)的框架結(jié)構(gòu),其框架柱應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)為小偏心受壓。這里就出現(xiàn)了一個(gè)矛盾,在地震作用下,大部分柱可能處于大偏心受壓狀態(tài)工作,截面設(shè)計(jì)時(shí),大量柱的配筋僅僅是為萬一發(fā)生地震而增加的,這些鋼材在不發(fā)生地震時(shí),將不起絲毫作用,這顯然是不經(jīng)濟(jì)的,與抗震設(shè)計(jì)的整體思想也不相符。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn),一方面應(yīng)設(shè)法加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性,必要時(shí),在某些樓層設(shè)置剛性轉(zhuǎn)換層,從而加大整體彎矩,減小引起柱彎曲變形的局部彎矩;另一方面,對(duì)柱的設(shè)計(jì),可將整個(gè)樓層面的柱設(shè)計(jì)為多肢柱,使多肢柱的每一根桿件都能處于軸心受力狀態(tài),如對(duì)鋼管混凝土柱,只有在小偏心受壓(或接近軸壓)時(shí),鋼管和核心混凝土才能更好地協(xié)同工作,在偏心距較大的受壓構(gòu)件中使用時(shí),更宜將其設(shè)計(jì)成雙肢、三肢或四肢組成的組合構(gòu)件。
4　結(jié)　語
　　協(xié)同工作的原則也是整體工作的原則。在概念設(shè)計(jì)日益重要的今天,要求結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)有深厚的基本理論基礎(chǔ),并能不斷吸取他人先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想。對(duì)自己的作品、設(shè)計(jì)(即使是已建成的),應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行深刻的反思,對(duì)每一項(xiàng)設(shè)計(jì)都精益求精。
　　以上僅為本人觀點(diǎn)，不對(duì)之處，請(qǐng)各位專家批評(píng)指正。
                                                                    　　　　　　　　　　　　　2005.10.8.

常用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件與結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)
論文上傳：jiegou
論文作者：不詳
摘要：隨著計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分析軟件的廣泛應(yīng)用和普及，它使人們擺脫了過去必須進(jìn)行的大量的手工計(jì)算，使人們的工作效率得以大幅度的提高。與此同時(shí)，人們對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的依賴性也越來越大，有時(shí)甚至過分地相信計(jì)算軟件，而忽略了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性。 關(guān)鍵詞：常用 結(jié)構(gòu)計(jì)算 軟件 概念設(shè)計(jì)

金屬屋頂系列-濟(jì)南元易金屬屋面有限責(zé)任公司

目錄：　1)聯(lián)系方式 2)公司簡(jiǎn)介 3)主要特點(diǎn) 4)元易屋頂介紹 5)彩涂板介紹 6)工藝流程 7)工程集錦 8)工程示例圖
1、結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的局限性、適用性和近似性。
隨著計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分析軟件的廣泛應(yīng)用和普及，它使人們擺脫了過去必須進(jìn)行的大量的手工計(jì)算，使人們的工作效率得以大幅度的提高。與此同時(shí)，人們對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的依賴性也越來越大，有時(shí)甚至過分地相信計(jì)算軟件，而忽略了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性。由于種種原因，目前的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件總是存在著一定的局限性、適用性和近似性，并非萬能。如：結(jié)構(gòu)的模型化誤差；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響；樓板對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響；溫度變化在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力；結(jié)構(gòu)的實(shí)際阻尼(比)；回填土對(duì)地下室約束相對(duì)剛度比；地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的相互作用等等。有些影響因素目前還無法給出準(zhǔn)確的模型描述，也只能給出簡(jiǎn)化的表達(dá)或簡(jiǎn)單的處理，受人為影響較大。加之，建筑體型越來越復(fù)雜，這就對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件提出了更高的要求，而軟件本身往往又存在一定的滯后性。正是因?yàn)槿绱耍Y(jié)構(gòu)工程師應(yīng)對(duì)所用計(jì)算軟件的基本假定、力學(xué)模型及其適用范圍有所了解，并應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析判斷確認(rèn)其正確合理、有效后方可用于工程設(shè)計(jì)。2、現(xiàn)階段常用的結(jié)構(gòu)分析模型　　實(shí)際結(jié)構(gòu)是空間的受力體系，但不論是靜力分析還是動(dòng)力分析，往往必須采取一定的簡(jiǎn)化處理，以建立相應(yīng)的計(jì)算簡(jiǎn)圖或分析模型。目前，常用的結(jié)構(gòu)分析模型可分為兩大類：第一類為平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同分析模型；另一類為三維空間有限元分析模型。1) 平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同分析模型。將結(jié)構(gòu)劃分若干片正交或斜交的平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，但對(duì)任意方向的水平荷載和水平地震作用，所有正交或斜交的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)均參與工作，并按空間位移協(xié)調(diào)條件進(jìn)行水平力的分配。樓板假定在其自身平面內(nèi)剛度無限大。這一分析模型目前已經(jīng)很少采用。其主要適用于平面布置較為規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)、框－剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等。2) 三維空間有限元分析模型。將建筑結(jié)構(gòu)作為空間體系，梁、柱、支撐均采用空間桿單元，剪力墻單元模型目前國內(nèi)有薄壁桿件模型、空間膜元模型、板殼單元模型以及墻組元模型。樓板可假定為彈性，也可假定在其自身平面內(nèi)剛度無限大，還可假定樓板分塊無限剛。該模型以節(jié)點(diǎn)位移為未知量，由矩陣位移法形成線性方程組求解。3、常用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件　　多、高層結(jié)構(gòu)的基本受力構(gòu)件有柱、梁、支撐、剪力墻和樓板。柱、梁及支撐均為一維構(gòu)件，可用空間桿單元來模擬其受力狀態(tài)?？臻g桿單元的每個(gè)端點(diǎn)有6個(gè)自由度，即3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)角自由度。對(duì)一維構(gòu)件，各種有限元分析軟件對(duì)這類構(gòu)件的模型化假定差異不大。剪力墻和普通樓板均為二維構(gòu)件，這兩種構(gòu)件的模型化假定是關(guān)鍵，它直接決定了多、高層結(jié)構(gòu)分析模型的科學(xué)性，同時(shí)也決定了軟件分析結(jié)果的精度和可信度。目前國內(nèi)外流行的幾個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)剪力墻和樓板的模型化假定差異較大?，F(xiàn)進(jìn)行分述。3.1 TAT結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件　　TAT是由中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)專用軟件，采用菜單操作，圖形化輸入幾何數(shù)據(jù)和荷載數(shù)據(jù)。程序?qū)袅Σ捎瞄_口薄壁桿件模型，并假定樓板在平面內(nèi)剛度無限大，平面外剛度為零。這使得結(jié)構(gòu)的自由度大為減少，計(jì)算分析得到一定程度的簡(jiǎn)化，從而大大提高了計(jì)算效率。薄壁桿件模型采用開口薄壁桿件理論，將整個(gè)平面聯(lián)肢墻或整個(gè)空間剪力墻模擬為開口薄壁桿件，每個(gè)桿件有兩個(gè)端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)有7個(gè)自由度，前6個(gè)自由度的含義與空間桿單元相同，第7個(gè)自由度是用來描述薄壁桿件截面翹曲的。開口薄壁桿件模型的基本假定為：1) 在線彈性條件下，桿件截面外形輪廓線在其自身平面內(nèi)保持不變，在平面外可以翹曲，同時(shí)忽略其剪切變形的影響。這一假定實(shí)際上增大了結(jié)構(gòu)的剛度，薄壁桿件單元及其墻肢越多，則結(jié)構(gòu)剛度增大的程度越高。2) 將同一層彼此相連的剪力墻墻肢作為一個(gè)薄壁桿件單元，將上下層剪力墻洞口之間的部分作為連梁?jiǎn)卧?。這一假定將實(shí)際結(jié)構(gòu)中連梁對(duì)墻肢的線約束簡(jiǎn)化為點(diǎn)約束，削弱了連梁對(duì)墻肢的約束，從而消弱了結(jié)構(gòu)的剛度。連梁越多，連梁的高度越大，則結(jié)構(gòu)剛度消弱越大。3) 引入樓板在其自身平面內(nèi)剛度無限大，而平面外剛度為零的假定。實(shí)際工程中許多布置復(fù)雜的剪力墻難以滿足薄壁桿件模型的基本假定，從而使計(jì)算結(jié)果難以滿足工程設(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，甚至差異較大的情況。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) 長墻、矮墻：由于薄壁桿件模型不考慮剪切變形的影響，而長墻、矮墻是以剪切變形為主的構(gòu)件，其幾何尺寸也難以滿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)，存在著較大的模型化誤差。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)致較大誤差。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)帶來較大的計(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大，但用薄壁桿件理論分析剪力墻時(shí)，梁要通過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)算值偏大。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)整體剛度有較大的影響。7) 對(duì)懸挑剪力墻、無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)長度超過8m的剪力墻和多肢剪力墻應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢?，按照使每個(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)按無洞處理。2) 剪力墻洞口的處理：因?yàn)門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、薄壁柱或無柱節(jié)點(diǎn)相連，通過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?！　BSA 也是由中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的多、高層建筑的結(jié)構(gòu)專用程序，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 是專門為多、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)分和墻上開洞作了自動(dòng)化處理?！　“鍤卧Ｐ偷闹饕攸c(diǎn)是用每一節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度的殼元來模擬剪力墻單元。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) 通過靜力凝聚形成的墻元來模擬剪力墻，解決了剪力墻模型化的問題。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?！　ATWE 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)無限剛；2) 假定樓板分塊平面內(nèi)無限剛；3) 假定樓板分塊平面內(nèi)無限剛，并帶有彈性連接板帶；4) 假定樓板為彈性板?！　樘岣哂?jì)算效率,在保證一定的分析精度的前提下,針對(duì)不同類型的工程,采用不同的樓板假定?！　≡谑褂肧ATWE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^細(xì)時(shí)，由于單元有一定的厚度，當(dāng)單元的長、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)，使之在變形的過程中可以自由開裂，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)生較大的誤差。3.3 ETABS 軟件　　ETABS 軟件是由美國Berkeley地震工程研究中心開發(fā)的高層建筑三維專用有限元分析軟件，其特點(diǎn)是采用空間桿單元模擬梁、柱、支撐構(gòu)件，采用膜元模型來模擬剪力墻，樓板可采用平面內(nèi)無限剛假定、分塊無限剛假定和彈性假定。膜元模型是把無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，把有較大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、抗剪和軸向剛度無限大，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?！　∧ぴＰ偷牟蛔阒幹饕牵耗ぴＰ椭惺前?ldquo;柱線”來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”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”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，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?，削弱了?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?！　∈聦?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，由中國建筑設(shè)計(jì)研究院標(biāo)準(zhǔn)所和美國CSI公司聯(lián)合推出符合中國規(guī)范的ETABSV8中文版，為我國的結(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)大，除了可以進(jìn)行線性靜、動(dòng)力反應(yīng)分析外，還可以進(jìn)行非線性靜、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，該軟件在國際上得到了極其廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過二十多年的發(fā)展和完善，90 年代中期，Willson 教授等人將美國、加拿大和新西蘭等國的設(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?？梢赃M(jìn)行線性靜、動(dòng)力反應(yīng)分析，也可以進(jìn)行非線性靜、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、前后處理工作量大且與我國規(guī)范不相符合等原因，在我國的應(yīng)用和推廣受到一定的制約。4、從整體上把握結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能　　由于結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件存在著一定的適用性、局限性和近似性，在計(jì)算輸出的結(jié)果中可能存在部分構(gòu)件或部位內(nèi)力異常的情況，尤其是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這時(shí)，不能據(jù)此來否定分析軟件的正確性，更不能對(duì)異常構(gòu)件、部位置之不理或偏信于計(jì)算機(jī)的結(jié)果，而是應(yīng)該從整體上來把握和控制結(jié)構(gòu)體系的各項(xiàng)性能，對(duì)內(nèi)力異常的構(gòu)件或部位，應(yīng)從明確的結(jié)構(gòu)概念出發(fā)來分析和處理，從而確保結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性。1) 剪重比控制：剪重比指結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力與該層及其上各層總重力荷載代表值的比值，一般是指底層水平剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值之比。它在某種程度上反映了結(jié)構(gòu)的剛?cè)岢潭?。剪重比?yīng)在一個(gè)比較合理的范圍內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)整體剛度的適中。剪重比太小，說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏柔，水平荷載或水平地震作用下將產(chǎn)生過大的水平位移或?qū)娱g位移；剪重比太大，說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏剛，會(huì)引起很大的地震內(nèi)力，不經(jīng)濟(jì)。2) 位移比控制：位移比是指樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）與該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）的平均值之比。位移比的大小是反映結(jié)構(gòu)平面規(guī)則與否的重要依據(jù)，它側(cè)重控制的是結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對(duì)關(guān)系，而非其絕對(duì)大小，它的目的是使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的布置更有效、更合理。3) 周期比控制：周期比是指結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動(dòng)為主的第一周期T1 的比值，其主要目的是控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。周期比實(shí)際上反映了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和側(cè)向剛度之間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也反映了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置的合理性和有效性。4) 層剛度比控制：我國的“抗震規(guī)范”和“高規(guī)”均對(duì)結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度比作出了規(guī)定，其主要目的是為了保證結(jié)構(gòu)豎向剛度變化的均勻性，防止出現(xiàn)剛度突變的情況。層剛度比較直觀地反映了結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度沿豎向分布的均勻程度，它是衡量結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則與否的重要標(biāo)志。5、抗震概念設(shè)計(jì)的一些重要準(zhǔn)則　　抗震分析是建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的一個(gè)重要方面，由于地震作用的不確定因素太多，僅憑計(jì)算分析是不能保證結(jié)構(gòu)安全的，抗震概念設(shè)計(jì)就成為抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，它應(yīng)該貫穿于結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和細(xì)部構(gòu)造的全過程?？拐鹪O(shè)計(jì)應(yīng)符合以下原則：1) 應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑。2) 對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。3) 應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。4) 結(jié)構(gòu)應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。5) 宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。6) 結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜接近。7) 采用有效的措施防止過早的剪切、錨固和受壓等脆性破壞，因此采用“約束混凝土”是非常重要的措施。8) 在地震作用下節(jié)點(diǎn)的承載力應(yīng)大于相連構(gòu)件的承載力。當(dāng)構(gòu)件屈服、剛度退化時(shí),節(jié)點(diǎn)應(yīng)能保持承載力和剛度不變。6、結(jié)　語1)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),選擇合適的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，并應(yīng)了解軟件的基本假定、計(jì)算模型和適用范圍。2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)采取必要的技術(shù)處理，使計(jì)算模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能地接近，以滿足工程設(shè)計(jì)精度的要求。3) 概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心和靈魂，它統(tǒng)領(lǐng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程。運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)從整體上把握結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，這樣才能對(duì)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的判斷、合理的采用