高層建筑結構計算軟件應用中易產生的問題

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高層建筑結構計算軟件應用中易產生的問題
著我國經濟的飛速發(fā)展，高層建筑在城市建設中發(fā)展迅速，建筑業(yè)對建筑外型及平面要求越來越高，結構體系的多樣化是現(xiàn)代高層建筑的重要特點，建筑平、立面日益復雜，而工程上又要求設計更快、更合理、更安全、準確，這就需要我們的設計軟件日趨完善，同時也要求設計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，國內在高層結構設計中，工程中應用較多的高層結構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構有限元分析軟件，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構有限分析軟件，SATWE軟件屬于這類軟件。

　　一、這兩類軟件均屬于高層建筑結構空間分析軟件，已有很多應用實例，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?對計算結果有什么影響?在實際工程中應該注意些什么？

(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連系梁單元(允許開裂，可以進行剛度折減的梁單元) 　　2. 對于樓板，假定平面內無限剛，平面外剛度為零。

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

　　(二)TAT軟件在許多工程中有大量的應用，它的計算特點是自由度少，使復雜的結構分析得到了極大的簡化，因而運算速度快，計算簡單，對硬件要求較低。但是實際工程中的許多復雜結構的剪力墻很難滿足其基本假定，這時則需要我們把實際工程的計算模型進行簡化，這樣經過人為修改而達到理想化的模型又同實際工程具有一定差別，就難以保證其計算的準確性。

　　SATWE軟件相對TAT來講，運算時間要長的多，對硬件要求比較高。但是，這種墻元模型允許剪力墻上下層洞口不對齊，可以準確地分析復雜的框剪、剪力墻結構，可以分析樓板局部開大洞口，板柱體系，轉換層等復雜結構。

　　(三)TAT和SATWE軟件的工程應用

　　當建筑物為普通框架結構時，這兩種軟件的計算結果差別不大，如果框架結構有錯層，則略有差異，這是因為SATWE把錯層構件質量加在每一層分界的節(jié)點上，而TAT把錯層構件連接起來加在其頂端，這樣，計算結果就會導致周期偏大。

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

二、在設計中TAT軟件運算時易產生的問題：

　　(一)對于板-柱體系不宜采用TAT的計算結果

　　對于板-柱體系在采用TAT進行分析時，要將樓板簡化為等帶梁，這種處理方法對樓板的模擬與實際情況出入較大。因為就目前而言，等帶梁寬的取值還沒有一個科學的規(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地模擬樓板的剛度和變形。

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

　　(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算中，常常出現(xiàn)與剪力墻連接的梁端彎矩計算值偏大的現(xiàn)象，而實際上，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，在程序計算過程中，按照薄壁桿件的基本假定，梁要通過剛臂與薄壁桿件的剪力墻相連，這里說的剛臂是計算者人為地強加給梁的，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，它結果是強化了剪力墻對梁的嵌固作用，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)當截面不相同且差異較大的剪力墻相連接時，這時TAT的計算結果會產生一定的計算誤差，在設計時應盡量避免剪力墻厚度變化過大。

　　(五)較矮、較長的剪力墻且洞口較少時，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產生很大誤差。

　　(六)剪力墻上下層洞口部分連系梁，在TAT計算中是用梁單元模擬其剛度和變形，由于連梁與薄壁桿件之間是通過剛臂實現(xiàn)的點變形協(xié)調連接，而在剪力墻原形中是以線變形協(xié)調的，同連梁模擬剪力墻，其計算結果是偏柔的，連梁越多，偏柔程度越大。

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

　　(八)地下室或人防工程處理

用TAT軟件計算時，由于地下室或人防工程外圍護結構都采用剪力墻，使之形成一封閉的連續(xù)墻體，用TAT這種薄壁桿系計算與計算假定不符，則需要進行簡化，簡化的方法之一是忽略外圍墻體計算，實際配筋時采用構造配筋；二是外圍墻體根據上部墻段進行簡化，而這樣兩種簡化后計算出的結果，僅能作為參考，不能作為計算依據。

　　(九)應用SATWE軟件應注意四種樓板的簡化假定的選擇：

　　1.“假定樓板整體平面無限剛”多用于常規(guī)結構；

　　2.“假定樓板分塊內無限剛”適用于多塔式錯層結構；

　　3.“假定樓板分塊平面內無限剛，并帶有彈性連接板帶”適用于樓板局部開大洞口，塔樓與塔樓之間上部相連的多塔結構。

　　4.“假定樓板為彈性板”用于特殊樓板結構或要求分析精度高的高層結構，還有當結構平面的長寬比較大時，應考慮樓板的彈性變形。

在運用軟件進行計算機輔助設計時，應根據實際情況調整軟件的各項參數及簡化模型，使其最大限度地反映實際工程的情況，盡可能地使其計算結果與實際模型相一致。在工程設計中不能迷信計算機的計算結果，更不能因某一部分的計算結果有誤差就全盤否定計算軟件，只有在實踐中逐步了解軟件并在工作中避免其產生誤差，這樣才能使我們的設計更安全，更合理。