1、結構計算軟件的局限性、適用性和近似性。

　　隨著計算機結構分析軟件的廣泛應用和普及，它使人們擺脫了過去必須進行的大量的手工計算，使人們的工作效率得以大幅度的提高。與此同時，人們對結構計算軟件的依賴性也越來越大，有時甚至過分地相信計算軟件，而忽略了結構概念設計的重要性。由于種種原因，目前的結構計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：結構的模型化誤差;非結構構件對結構剛度的影響;樓板對結構剛度的影響;溫度變化在結構構件中產生的應力;結構的實際阻尼(比);回填土對地下室約束相對剛度比;地基基礎和上部結構的相互作用等等。有些影響因素目前還無法給出準確的模型描述，也只能給出簡化的表達或簡單的處理，受人為影響較大。加之，建筑體型越來越復雜，這就對結構計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。正是因為如此，結構工程師應對所用計算軟件的基本假定、力學模型及其適用范圍有所了解，并應對計算結果進行分析判斷確認其正確合理、有效后方可用于工程設計。

　　2、現階段常用的結構分析模型

　　實際結構是空間的受力體系，但不論是靜力分析還是動力分析，往往必須采取一定的簡化處理，以建立相應的計算簡圖或分析模型。目前，常用的結構分析模型可分為兩大類：第一類為平面結構空間協同分析模型;另一類為三維空間有限元分析模型。

　　1) 平面結構空間協同分析模型。將結構劃分若干片正交或斜交的平面抗側力結構，但對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力結構均參與工作，并按空間位移協調條件進行水平力的分配。樓板假定在其自身平面內剛度無限大。這一分析模型目前已經很少采用。其主要適用于平面布置較為規則的框架結構、框-剪結構、剪力墻結構等。

　　2) 三維空間有限元分析模型。將建筑結構作為空間體系，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剛度無限大，還可假定樓板分塊無限剛。該模型以節點位移為未知量，由矩陣位移法形成線性方程組求解。

　　3、常用結構計算軟件

　　多、高層結構的基本受力構件有柱、梁、支撐、剪力墻和樓板。柱、梁及支撐均為一維構件，可用空間桿單元來模擬其受力狀態。空間桿單元的每個端點有6個自由度，即3個平動自由度和3個轉角自由度。對一維構件，各種有限元分析軟件對這類構件的模型化假定差異不大。剪力墻和普通樓板均為二維構件，這兩種構件的模型化假定是關鍵，它直接決定了多、高層結構分析模型的科學性，同時也決定了軟件分析結果的精度和可信度。目前國內外流行的幾個結構計算軟件對剪力墻和樓板的模型化假定差異較大。現進行分述。

　　3.1 TAT結構計算軟件TAT是由中國建筑科學研究院開發的建筑結構專用軟件，采用菜單操作，圖形化輸入幾何數據和荷載數據。程序對剪力墻采用開口薄壁桿件模型，并假定樓板在平面內剛度無限大，平面外剛度為零。這使得結構的自由度大為減少，計算分析得到一定程度的簡化，從而大大提高了計算效率。薄壁桿件模型采用開口薄壁桿件理論，將整個平面聯肢墻或整個空間剪力墻模擬為開口薄壁桿件，每個桿件有兩個端點，每個端點有7個自由度，前6個自由度的含義與空間桿單元相同，第7個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保持不變，在平面外可以翹曲，同時忽略其剪切變形的影響。這一假定實際上增大了結構的剛度，薄壁桿件單元及其墻肢越多，則結構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薄壁桿件單元，將上下層剪力墻洞口之間的部分作為連梁單元。這一假定將實際結構中連梁對墻肢的線約束簡化為點約束，削弱了連梁對墻肢的約束，從而消弱了結構的剛度。連梁越多，連梁的高度越大，則結構剛度消弱越大。

　　3) 引入樓板在其自身平面內剛度無限大，而平面外剛度為零的假定。

　　實際工程中許多布置復雜的剪力墻難以滿足薄壁桿件模型的基本假定，從而使計算結果難以滿足工程設計的精度要求。

　　1) 變截面的剪力墻：在平面布置復雜的建筑結構中，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調，會導致一定的計算誤差。

　　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，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基本假定就是認為桿件截面外形輪廓線在自身平面內保持不變，在墻肢較多的情況下，該假定會導致較大誤差。

　　4) 框支剪力墻：框支剪力墻和轉換梁在其交接面上是線變形協調的，而采用薄壁桿件理論分析框支墻時，由于薄壁桿件是以點傳力的，作為一個薄壁桿件的框支墻只有一點和轉換梁的某點是變形協調的，這必然會帶來較大的計算誤差。

　　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，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，梁要通過剛臂與薄壁桿件的剪心相連，其結果是強化了剪力墻對梁端的嵌固作用，使梁端彎矩的計算值偏大。

　　6) 柱、墻上下偏心：程序將自動在上(薄壁) 柱的下端加一水平剛域，剛域的存在對結構整體剛度有較大的影響。

　　7) 對懸挑剪力墻、無樓板約束的剪力墻等也不適合采用薄壁桿件單元計算。

　　TAT軟件適合于框架、框架- 剪力墻、剪力墻及筒體結構，但應用時應根據結構的實際情況對剪力墻進行處理以減小計算誤差。

　　1) 剪力墻的輸入處理：對長度超過8m的剪力墻和多肢剪力墻應在適當的位置，按照使每個薄壁柱的剛度盡量均勻的原則人為設置計算洞口，這樣可使薄壁柱的受力更符合實際。當洞口較小時，在實際施工時按無洞處理。

　　2) 剪力墻洞口的處理：因為TAT采用薄壁柱模型，每層薄壁柱上下各有一個節點與上下層的柱、薄壁柱或無柱節點相連，通過這樣的連系將上下層力傳遞計算，當上下層洞口不對齊時，由于洞口會切割一個薄壁柱為2個或更多，造成上下層節點不一一對應，使上下層傳力混亂，這時應采用簡化的方法進行處理。剪力墻洞口一般分對齊、開通、忽略三種處理方法。

　　3) 框支剪力墻的處理：對于框支剪力墻，用薄壁柱模擬的剪力墻就有個傳力問題，上部薄壁柱只能傳力給下面一個點，而下部往往是由多個點來支撐上部剪力墻的，這時應對框支梁上部的剪力墻進行離散化處理，將計算產生的誤差控制在局部平面內，這樣才能在結構的整體分析中得到一個比較滿意的結果，然后再利用高精度平面有限元程序對關鍵部位進行細致的內力分析。

　　TBSA 也是由中國建筑科學研究院開發的多、高層建筑的結構專用程序，其計算模型和原理與TAT相似，這里不再贅述。

　　3.2 SATWE結構計算軟件SATWE 是專門為多、高層建筑結構分析與設計而研制的空間結構有限元分析軟件，適用于各種復雜體型的高層鋼筋混凝土框架、框剪、剪力墻、筒體結構等，也適用于混凝土- 鋼混合結構和高層鋼結構。

　　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上構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分而增加的內部自由度消去，將其剛度凝聚到邊界節點上，從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度，而且墻元的每個節點都具有空間全部6個自由度，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，同時也降低了剪力墻的幾何描述和板殼單元劃分的難度，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選用這一單元并對墻元的細分和墻上開洞作了自動化處理。

　　板殼單元模型的主要特點是用每一節點6個自由度的殼元來模擬剪力墻單元。剪力墻既有平面內剛度，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，這是一種接近實際情況的模型。該模型的特點是：1) 具有平面內、外剛度，可與空間任何構件連接，較好地反映剪力墻真實受力狀態，其剛度與實際剛度較為一致。

　　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齊，適用于較復雜的結構，較真實地分析出剪力墻的內力和變形。

　　4) 結構自由度數目增多，計算工作量增加，計算效率有所降低。

　　SATWE 在對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無限剛;2) 假定樓板分塊平面內無限剛;3) 假定樓板分塊平面內無限剛，并帶有彈性連接板帶;4) 假定樓板為彈性板。

　　為提高計算效率，在保證一定的分析精度的前提下，針對不同類型的工程，采用不同的樓板假定。

　　在使用SATWE軟件時，值得注意的有兩點：1) 墻元的劃分并非越細越好。當墻元劃分過細時，由于單元有一定的厚度，當單元的長、寬與單元的厚度比較接近時，墻單元就不能再作為墻單元計算。

　　2) 在地震作用分析時，程序對振型分解法提供了兩種解法：總剛分析方法和側剛分析方法。兩者的主要區別在于對墻元側向節點自由度的處理上，前者將其作為子結構出口自由度，參加總剛的集成，后者將其作為子結構的內部自由度，在單元計算階段就凝聚掉，這就造成墻元之間的變形不協調，使之在變形的過程中可以自由開裂，使得計算出的結構剛度偏小，尤其在采用彈性樓板假定以及錯層結構中會產生較大的誤差。

　　3.3 ETABS 軟件ETABS 軟件是由美國Berkeley地震工程研究中心開發的高層建筑三維專用有限元分析軟件，其特點是采用空間桿單元模擬梁、柱、支撐構件，采用膜元模型來模擬剪力墻，樓板可采用平面內無限剛假定、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化為一個墻板單元，把有較大洞口的一片剪力墻簡化為一個由墻板單元和連梁組成的墻板-梁體系，即把洞口兩側部分作為兩個墻板單元，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化，解決了剪力墻單元劃分的難題，結構自由度有所減少，分析效率也得到了一定的提高，位移的協調性介于薄壁桿件模型和有限元模型之間，分析結果也較薄壁桿件模型更合理。

　　膜元模型的不足之處主要是：膜元模型中是按“柱線”來把剪力墻劃分為一個個墻板單元的，為了使上、下層之間的墻板單元角點變形協調，模型要求整個結構從上到下“柱線”對齊、貫通。對于復雜工程，特別是當剪力墻洞口上下不對齊、不等寬以及各層與剪力墻搭接的梁平面位置有變化時，將導致“柱線”又多又密，這不僅會增加許多墻板單元，增加計算量，更重要的是會使許多墻板單元變得又細又長，單元的幾何比例不當，造成墻板單元剛度奇異，使分析結果失真。此外，將剪力墻洞口間部分模型化為一個梁單元，削弱了實際結構中連梁對墻肢的約束，其結果是結構整體計算的分析結果偏柔，這一點與TAT計算軟件相似。

　　事實上，ETABS 采用空間協同工作體系，因此是準三維分析程序。其主要優點是針對建筑結構的特點進行編制，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，協同工作假定帶來一定的計算誤差，同時，對剪力墻的模型化假定也使得ETABS分析結果偏柔。

　　2003年10月，由中國建筑設計研究院標準所和美國CSI公司聯合推出符合中國規范的ETABSV8中文版，為我國的結構計算軟件市場注入了新的活力。ETABS 軟件功能十分強大，除了可以進行線性靜、動力反應分析外，還可以進行非線性靜、動力反應分析、推覆分析和P - Δ效應分析等。

　　3.4 SAP2000 軟件20世紀70年代初，美國Willson 教授等人編制了結構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用。經過二十多年的發展和完善，90 年代中期，Willson 教授等人將美國、加拿大和新西蘭等國的設計規范和常用設計材料的特性編入程序，根據計算分析結果，直接進行下一步設計，推出了被稱為21世紀的結構分析與設計程序SAP2000.該軟件以空間桿單元模擬梁、柱、支撐，以殼元模擬剪力墻。可以進行線性靜、動力反應分析，也可以進行非線性靜、動力反應分析、推覆分析和P - Δ效應分析等。但SAP2000因其價格昂貴、前后處理工作量大且與我國規范不相符合等原因，在我國的應用和推廣受到一定的制約。

　　4、從整體上把握結構的各項性能

　　由于結構計算軟件存在著一定的適用性、局限性和近似性，在計算輸出的結果中可能存在部分構件或部位內力異常的情況，尤其是對于復雜結構。這時，不能據此來否定分析軟件的正確性，更不能對異常構件、部位置之不理或偏信于計算機的結果，而是應該從整體上來把握和控制結構體系的各項性能，對內力異常的構件或部位，應從明確的結構概念出發來分析和處理，從而確保結構的安全性、經濟性、合理性。

　　1) 剪重比控制：剪重比指結構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構總重力荷載代表值之比。它在某種程度上反映了結構的剛柔程度。剪重比應在一個比較合理的范圍內，以保證結構整體剛度的適中。剪重比太小，說明結構整體剛度偏柔，水平荷載或水平地震作用下將產生過大的水平位移或層間位移;剪重比太大，說明結構整體剛度偏剛，會引起很大的地震內力，不經濟。

　　2) 位移比控制：位移比是指樓層的最大彈性水平位移(或層間位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)的平均值之比。位移比的大小是反映結構平面規則與否的重要依據，它側重控制的是結構側向剛度與扭轉剛度之間的一種相對關系，而非其絕對大小，它的目的是使結構抗側力構件的布置更有效、更合理。

　　3) 周期比控制：周期比是指結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1 的比值，其主要目的是控制結構在地震作用下的扭轉效應。周期比實際上反映了結構的扭轉剛度和側向剛度之間的一種對應關系，同時也反映了結構抗側力構件布置的合理性和有效性。

　　4) 層剛度比控制：我國的“抗震規范”和“高規”均對結構的樓層側向剛度比作出了規定，其主要目的是為了保證結構豎向剛度變化的均勻性，防止出現剛度突變的情況。層剛度比較直觀地反映了結構樓層側向剛度沿豎向分布的均勻程度，它是衡量結構豎向規則與否的重要標志。

　　5、抗震概念設計的一些重要準則

　　抗震分析是建筑結構計算分析的一個重要方面，由于地震作用的不確定因素太多，僅憑計算分析是不能保證結構安全的，抗震概念設計就成為抗震設計的一個重要組成部分，它應該貫穿于結構計算分析和細部構造的全過程。抗震設計應符合以下原則：1) 應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。

　　2) 對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。

　　3) 應避免因部分結構或構件的破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。

　　4) 結構應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，產生過大的應力集中或塑性變形集中。

　　6) 結構在兩個主軸方向的動力特性宜接近。

　　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) 在地震作用下節點的承載力應大于相連構件的承載力。當構件屈服、剛度退化時，節點應能保持承載力和剛度不變。

　　6、結　語

　　1)根據建筑結構的特點，選擇合適的結構計算軟件，并應了解軟件的基本假定、計算模型和適用范圍。

　　2) 根據結構計算模型的特點，對實際結構采取必要的技術處理，使計算模型和實際結構盡可能地接近，以滿足工程設計精度的要求。

　　3) 概念設計是結構設計的核心和靈魂，它統領結構設計的全過程。運用結構概念設計從整體上把握結構的各項性能，這樣才能對計算分析結果進行科學的判斷、合理的采用。

  結構工程師基礎科目(一)考試普通化學練習題匯總
·2009年結構工程師考試時間：9月19、20日
·08年考試規范、標準: 二級結構工程師

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