空心楼盖谢靖中博士在安徽演示研讨会上的讲演1.docx
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空心楼盖谢靖中博士在安徽演示研讨会上的讲演1
谢靖中博士在安徽研讨演示会上的讲演要点
2010年7月6日
第一部分:
建筑结构设计.计算中的先进技术
一,STRAT软件概况
二,创新性核心技术,准确可靠的计算结果
1,准确可靠的板单元
2,全新开发的高性能墙单元
3,先进、实用的杆系单元积分算子法
4,基于积分算子法的纤维单元
5,基于全新混凝土开裂机制的大震弹塑性分析功能
6,STRAT大震弹塑性时程功能
7,新型加载控制的PushOver计算
8,先进的稀疏存储求解器
9,STRAT软件完备的荷载功能
三,建筑结构设计、计算技术的新发展
例1:
坡屋面的计算
例2:
多塔结构顶板的分析
四,完备的结构设计功能
1,全面的构件验算功能
2,完善的施工图功能
五,赵影工程师操作演示
(1)
1,带坡屋面、楼梯多高层建模计算演示
2,非线性分析计算演示
3,水池筒仓建模计算演示
第二部分·新型结构的研究与软件开发
一,轻型住宅钢结构(无比钢)
二,现浇空心板楼盖结构
1,现浇空心板楼盖结构优点
2,适用范围
3,现浇空心板基本本构关系研究
4,板柱结构现有设计方法的局限性
5,受力岛设计理论
6,设计及实例
7,板柱结构抗震问题试验与研究
三,赵影工程师操作演示
(2)
1,现浇空心板楼盖结构(密肋板)
2,现浇空心板楼盖结构(圆管板)
3,复杂楼板计算、设计
第一部分·建筑结构设计.计算中的先进技术
一,STRAT软件概况
通用:
能够适应任意结构的建模、计算。
专用:
对各类建筑结构、构筑物,进行专业化开发。
紧密衔接规范,直接面向设计,结果在设计中直接可用。
绘制施工图
适用范围:
Ø多高层混凝土结构、钢结构、钢-砼混合结构,多塔/联体/错层/夹层/转换层/厚板转换,支撑/坡屋面/弹性楼板。
Ø空间钢构架,厂房,网架,网壳。
Ø体育场馆,巨型结构,交错桁架结构。
Ø无梁楼盖,现浇空心板。
Ø水池,筒仓。
Ø砖混结构、配筋混凝土砌块。
Ø轻型薄壁钢结构住宅。
Ø连续梁、异型楼板、螺旋楼梯等各类小结构。
二,创新性核心技术,准确可靠的计算结果
STRAT软件是利用最新、最先进的技术开发而成。
STRAT软件面向工程问题开展的科学研究,取得多方面成果:
有限元力学、工程结构、软件开发。
对国内其他软件的技术支持:
同济MTS软件的核心计算部分是谢博士2000年开发完成;
向广厦软件GSSAP转让平面单元,块体元,振型计算(子空间、Ritz,Lanzos)。
1,准确可靠的板单元。
对比了与普通软件在标准3*4跨无柱帽带边梁实心板的计算结果。
右图示板内点的计算结果对比:
A、B、C等跨中部位计算结果高度一致,而在柱边的D、E、F的节点部位差异很大。
还对比了有柱帽无梁楼盖的计算结果,同样跨中A、B、C基本一致,而在柱边的D、E、F的节点部位差异更大。
谢博士对比了不同软件的网格剖分,生成结果的应力分析云图,STRAT软件优势明显。
为了更好的说明问题,谢博士建了一个简单的3跨连续板模型,这个模型有理论解。
在用不同软件进行计算,再将结果与理论界对比发现:
STRAT软件的误差不大于0.35%,其它软件都在1%以上,有些还达到15%。
这些事例说明,我们的板单元的优势。
这就是STRAT软件在空心板、水池筒仓方便计算方面领先的原因。
2,全新开发的高性能墙单元
剪力墙计算一般软件一直是未能很好解决的问题,普遍存在的现象:
Ø连梁开洞计算、或直接加梁计算,结果不同
Ø同一榀结构上,开洞算、加梁算超筋的位置不同
Ø加梁导致刚度小,开洞导致刚度大——计算结果可调节
Ø原因:
Ø墙元不能有效计算结点集中弯矩;
Ø不能正确计算墙、梁相接的结构。
谢博士针对以上问题进行了专门研究,必将成果应用于本软件设计。
3,先进、实用的杆系单元积分算子法
Ø于2000年前后独立提出。
后来发现70、80、90年代国外都有人采用相同的思路。
但积分积分算子法更加完备、深入。
尤其在单元荷载的处理上。
此前方法仍只能处理简单荷载(均布、集中等),积分算子法能处理任意荷载。
Ø“具有广泛的普适性……对杆系结构分析的矩阵位移法的规范化、统一化、程序化作了根本性的工作”。
Ø是当前能处理任意非均质构件、及其荷载的唯一方法。
Ø随时间的推移、不断应用完善,更加显示出其优越性。
ØSTRAT软件中的基础方法
Ø积分算子法广泛应用于STRAT软件:
变截面梁柱:
锲形、加掖、鱼腹。
多段截面按一个单元计算,不需在程序内力分段处理。
变截面、变厚度鱼腹梁
牛腿柱
Ø精确计算预应力,精确计算变截面梁预应力
上图这种常见加腋梁:
梁高900,加腋300。
此前只能简化,计算等效结点弯矩时忽略加腋影响。
与STRAT软件积分算子法精确计算结果,端弯矩相差48.2%
Ø近期发展:
正在研究包含几何非线性变形的积分算子法。
4,基于积分算子法的纤维单元(积分算子法重要的应用)
现行方法:
数值积分方法,非线性计算实际上是积分点处的非线性。
对于混凝土开裂区、钢构件塑性铰区,不能任意加密纤维分段,不能反映刚度突变。
限制单元计算精度。
要想提高计算精度,就必须将单元纵向细分(需数百段),这样就会增加计算量,或者采用柔度法。
积分算子法:
不受积分点数的限制,纤维纵向分段可以任意加密。
也不需要单元分段,一个梁单元即可充分模拟塑性区。
STRAT软件典型梁纤维单元
STRAT软件典型柱纤维单元
对于不平衡内力的处理:
计算过程中的不平衡内力,为非均质构件上的复杂荷载。
积分算子法,可以直接导算端部约束力。
5,基于全新混凝土开裂机制的大震弹塑性分析功能
Ø钢筋混凝土开裂机制的特殊性:
钢筋混凝土是高延性的钢筋,与脆性、拉压异性的混凝土的结合体。
钢筋加劲作用、混凝土握裹作用,决定不同于单一材料特性
Ø
现有方法:
沿用单一延性、脆性材料的处理方式,未反映复合材料特性。
Ø裂缝:
是混凝土非线性性能的关键因素,确定构件刚度、延性,最终决定结构整体的延性、耗能能力。
裂缝是混凝土、钢筋相互作用的结果。
涉及裂缝面处的微观粘结滑移分布。
裂缝类型
裂缝微粘结力的影响
Ø现有计算技术:
细分块体元模型:
能计算考虑混凝土开裂。
它的计算机制是脆性材料的特性,未能考虑钢筋、砼之间的握裹作用。
仅能计算裂缝位置,不能得到宽度。
不能根据裂缝宽度处理拉应力释放,裂缝位置也是不严格的。
其粘结单元:
反映宏观粘结滑移,不能反映裂缝面的微观粘结力分布。
拉压纤维模型:
不考虑粘结滑移,进行裂缝处理。
ØSTRAT软件裂缝处理:
采用新型粘结滑移的数学模型,模拟裂缝侧边的微观粘结力的分布、开展。
利用这种模型:
1)STRAT软件的纤维单元,能够计算处混凝土裂缝的宽度,和裂缝的间距;
2)能够准确地模拟混凝土再次开裂的情况;
3)并且能计算极限最小裂缝间距(在增加拉力的情况下不再出现新裂缝的现象)。
STRAT软件首次在混凝土非线性分析中,同时模拟宏观粘结滑移、微观粘结滑移。
积分算子法+裂缝模拟计算,从而确定STRAT国际领先的结构弹塑性分析软件。
6,STRAT大震弹塑性时程功能
Ø钢筋、混凝土非线性滞回性能,考虑刚度蜕化、裂面效应。
Ø恒、活荷载非线性逐级加载。
可单独用于静力非线性加载分析。
Ø基底激振(地震作用)、多点动荷载激振(爆炸冲击、设备振动)。
Ø动力响应、静力响应。
Ø计算结构倒塌。
构件退出机制,破坏构件能量释放和转移。
结构整体失效机制。
Ø面向工程设计:
统计楼层位移、楼层剪力,统计最大值、平均值
图表显示,输出作为计算书。
7,
新型加载控制的PushOver计算
Ø现有方法:
总体变形控制
Ø缺陷:
基于规则结构(理论基础);
加载简单,不能反映结构扭转;
不能反映楼面内变形(弹性楼板)。
ØSTRAT方法:
荷载总量控制;
加载情况反映结构平面特点:
考虑扭转效应,可考虑弹性楼板;
与弹性反应谱方法完全兼容;
有明确地加载、终止加载的判断依据;
结果客观、可信。
8,先进的稀疏存储求解器
独立开发的求解器,包括:
LDLT直接法,LU直接法,PCG迭代法;优化流程,精控内存,优化内外存交换机制;配套技术:
前后处理、图形显示速度。
实用表明:
STRAT软件微机上,实现百万自由度计算,并且在各个方面具备相应能力。
这是STRAT软件能够进行空心板,水池筒仓等结构完整计算的基本保证。
计算实例:
上海虹桥交通枢纽(部分),框架结构,2.1万节点,12.4万自由度
地下车库(湖南)(2层,10万m2,180mx300m)
密肋空心板楼盖结构,25万梁柱单元,15.2万节点,45.7万自由度。
覆土、人防。
STRAT软件PCG求解7分钟
青岛颐中高层(52层)
预应力现浇空心板大板楼盖,整体板单元细分模型。
15.1万节点,90.5万自由度。
模态分析,反应谱计算
上海天下粮仓(33个仓联体)。
15.9万节点,94.8万自由度。
39种荷载工况。
模态分析,反应谱计算
9,STRAT软件完备的荷载功能
结构计算中,荷载功能更为重要。
相比较结构模型的简化,荷载简化造成的计算误差更直接、明显。
STRAT软件具有以下7个明显优势:
Ø强大的网格载功能:
我们特有的“网格荷载”概念和处理方法,可以对楼面、坡屋面、任意空间曲面,施加恒活荷载、风荷载、垂直荷载、切向荷载、水压土压。
操作极为简便的操作,一次操作实现全部曲面加载。
空间球面加载
空间网架加载
Ø四种风荷载导算模式,适应任意结构的计算
A,按结构外轮廓简化导算。
B,导算至外围节点。
程序自动区分迎风面、背风面,准确处理凹面、凸面,风压系数的差别。
C,按面导算。
利用空间网格荷载单元,适用任意空间结构,能导算曲面垂直风荷载。
D,按构件导算。
适用于镂空结构、维护构件、平面结构。
Ø强大的表面压力处理功能:
能够导算水压力、土压力,谷物表面压力(指数变化),谷仓锥体切向力、环向力,环池、方池动水压力。
任意复杂容器,一个命令实
现全部加载。
Ø地基基础面弹簧。
Ø温度荷载:
温度场,单元直接设定。
Ø移动荷载。
Ø预拉力,预压力,单拉计算。
三,建筑结构设计、计算技术的新发展
有限元技术、软件技术的发展,为高精度、更精确地建筑结构分析计算,提供了条件。
例1:
坡屋面的计算
1、建立不作简化的三维计算模型
2、准确导算恒、活荷载:
恒载是斜面投影,活载是水平面投影。
3、必须包含屋面板的作用。
示例:
坡屋面框架
表:
屋面对构件计算结果的影响
含屋面板
不含屋面板
立柱A轴力(kN)
106
-91
屋面梁轴力(kN)
-20
266
4、正确反映下一层楼板作用
坡屋面下一层楼板
弹性
刚性
立柱轴力N(kN)
106
73
屋面梁轴力N(kN)
20
9
楼面梁轴力N(kN)
47
0
例2:
多塔结构顶板的分析
规范的严格限制,作为多塔嵌固面时,须采用梁板结构,板厚180。
实际上无法真正作为嵌固面。
嵌固与刚度比有关。
高层结构梁刚度小于柱、墙刚度能起到的作用是水平约束。
多塔顶板问题,是可以计算的。
在STRAT楼盖板单元细分模型中,取消刚性楼层假定,就可能正确计算。
下图是用STRAT软件完成的广东某医院的结构设计。
广东某医院
四,完备的结构设计功能
1,全面的构件验算功能
Ø混凝土:
直线/弧线/变截面,配筋、裂缝挠度计算。
Ø钢:
直线/弧线/变截面,梁/柱/撑。
强度稳定计算,挠度计算。
Ø钢管(圆):
直线/弧线,柱/撑,承载力验算。
Ø钢管(方):
直线/弧线,柱/撑,承载力验算。
Ø型钢混凝土:
直线/弧线,梁/柱/撑,配筋计算。
Ø钢-砼叠合梁:
直线/弧线,梁,强度、拴钉、负筋计算(可考虑释放端部负弯矩)。
Ø预应力:
直线/变截面,梁/柱/撑,计算非预应力筋、裂缝挠度,体外预应力计算。
Ø剪力墙:
1,完善的施工图功能
楼面配筋图
梁柱详图
连续梁智能编号
五,赵影工程师演示
1,带坡屋面、楼梯多高层建模计算演示
2,非线性分析计算演示
3,水池筒仓建模计算演示