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： 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。 空间钢构架，厂房，网架，网壳。 体育场馆，巨型结构，交错桁架结构 。 无梁楼盖，现浇空心板。 水池，筒仓。 砖混结构、配筋混凝土砌块。 轻型薄壁钢结构住宅。 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： 连梁开洞计算、或直接加梁计算，结果不同 同一榀结构上，开洞算、加梁算超筋的位置不同 加梁导致刚度小,开洞导致刚度大计算结果可调节 原因: 墙元不能有效计算结点集中弯矩; 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 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。 “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” 。 是当前能处理任意非均质构件、及其荷载的唯一方法。 随时间的推移、不断应用完善，更加显示出其优越性。 STRAT 软件中的基础方法 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 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% 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 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 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。 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 MQcm裂缝微粘结力的影响 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。 STRAT 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 钢筋、混凝土非线性滞回性能，考虑刚度蜕化、裂面效应。 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。 基底激振(地震作用) 、多点动荷载激振(爆炸冲击、设备振动)。 动力响应、静力响应。 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。 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 现有方法：总体变形控制 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)。 STRAT 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： 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 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。 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。 地基基础面弹簧。 温度荷载：温度场，单元直接设定。 移动荷载。 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 -91p50*644、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。屋面梁轴力(kN) -20 266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 混凝土： 直线/弧线/变截面，配筋、裂缝挠度计算。 钢： 直线/弧线/变截面，梁/柱/撑。强度稳定计算，挠度计