STAAD建模杂谈PPT

1、7/22/20221STAAD建模杂谈7/22/20222通过模型研究现实世界科学研究的传统方法在手算阶段，结构工程师受到客观计算条件的限制，必须使用分阶段的简化模型以避免繁冗的计算，这是不得以而为之。但在计算技术迅猛发展的今天，一个熟练的设计者可在几小时内建立几千甚至上万个节点的有限元模型并且在几分钟内求解出结果，这时强调结构的简化还有什么实际意义吗？如果说模型简化是必需的，那么设计者除了依靠自己的经验和直觉外，还有没有一般的规律可循？我们怎么才能凭空创造出一个好的结构模型？它们需要哪些基本的构造？我们如何甄别出相对好或不好的模型？如何预防和改正一些常见的模型错误？下面我们结合使用STAAD

2、/CHINA建模时的一些具体决策和手段对上述问题作一讨论 7/22/20223简化模型为什么是必须的？建模的平方定律。 按照系统论的观点，除非能够采用某些简化手段，否则计算量将以问题规模增长量的平方倍数增长，这就是所谓的“计算的平方定律”。我们可将其改造为“建模的平方定律”：设计者建模耗费的精力和成本同模型规模的平方成正比。 例子-daihai在不同的设计阶段，针对特定考察目标，建立合理深度的简化模型。 7/22/20224建模的整体方法：概念设计与抽象建模（Abstract Modeling)什么样的分体系相互关系才能形成结构整体性，林同炎教授做了精辟的论述“.空间结构整体性的基本要求可概括

3、为：1、要求水平分体系承受水平荷载，并把荷载传至竖向分体系，且能保持其截面的几何形状。2、要求竖向分体系将恒载及水平剪力传至基础。3、竖向分体系必须联系在一起，以便获得更好的抗弯和抗压曲能力.” 。 7/22/20225建模的整体方法：概念设计与抽象建模（续）结构具有整体性首先意味结构具有整体变形的关键特征：平截面和刚周边变形协调。 纵向的抗剪体系是确保实现整体平截面变形协调的关键；刚隔片系统是实现刚周边的关键。 例子烟道模型讨论 7/22/20226模型整体性的判断的几个观点为什么要采取整体性假设呢？林同炎教授从正面做了回答：“由于有了整体方法，不论是在方案阶段还是在具体设计阶段，设计者的创

4、造力就只会受到他们的想象力和见识的限制”。在建模时“只见树木，不见森林”往往会带来隐蔽而致命的问题。 例子 一桁架天桥 7/22/20227模型整体性的判断的几个观点（续）结构的整体性假设要求必须设置刚隔片和纵向抗剪体系（定性考虑），并且还要具有足够的面内刚度（定量考虑），以形成空间整体作用。刚度究竟做到多少合适，是一个值得研究的问题。 a）格构柱的剪力对其稳定的影响（受压）b ）组合梁的完全抗剪计算（受弯） 2 a）穿越式桁架桥的整体失稳 2 b）箱梁的畸变屈曲反例：魁北克大桥失事7/22/20228模型简化的最有效方法分解：空间分解为平面，平面分解为杆件为了能够高效的计算，设计者习惯于通过

5、假设整体性将一个规模较大的系统分解为一系列线性相关的规模较小的系统，通过对分解后的小系统之间关系的考察以及各个小系统的单独考察来获得整个系统的近似性能。通过对小系统继续分解，这种分析过程可以一直深入到结构最基本的层面。 分析只是结构设计诸多环节中的一个，而且不是最重要的环节。过分的强调分析的精度是没有意义的。7/22/20229建模的利器刚度组装（ Stiffness Construction )）杆元的表达能力更强）刚度组装在中的实现构件偏心或主从节点）也可以直接加刚度很大的杆，但可能引起数值计算的问题两个例子格构式柱与钢砼组合梁7/22/202210为什么要进行刚度组装？概念设计（Conc

6、ept Design)刚度组装建的格构柱有下面的好处）设计者可以定义出几乎任意的组合断面；）杆系模型相对板壳单元的模型在规模大为减小；）杆系模型可方便直接地使用相关规范进行构件验算得出结果，而板壳单元的结果只能凭工程经验进行判断；）设计者面对的是自己熟悉的杆件内力拉、压、弯、剪、扭，比起面对板壳单元的应力来要直观得多；）设计者只在需在STAAD的GUI中简单的重新指定柱肢和缀条的截面即可改变柱肢规格，相对比下，调整板壳单元模型的工作量几乎和重新建模一样巨大！ 7/22/202211为什么要进行刚度组装？概念设计(续)如果刚度组装能在有限元软件中实现的更加自动化，会带来建模效率的质的飞跃。设计者

7、在一开始只需关注整体结构的各部分（子结构）的相互关系，然后根据自己的需要定义任意的子结构，并且能象赋予截面一样的赋给任意的杆元，在需要时可任意的修改子结构的定义。也许这时高层建筑可以简单的使用带有内部结构的高阶杆元模拟，如果需要改结构方案，只需简单的重新指定截面就行了！ 7/22/202212分层次建模针对结构的不同部分，设计者建立不同深度的模型比较有利：需重点考察的部分建精细些，需一般考察的建粗糙些；受力性能明确的部分建简单些，受力性能模糊的建详细些。不要试图在一个模型中通过一次运行分析解决所有的设计问题例子拉索钢烟囱7/22/202213截面定义的影响因素）截面形状的拓扑分类：开口与闭口（

8、单连通）; 扭转刚度与弯扭屈曲)广义截面模板（，）)等刚代换与检验精度 ; 异型断面的外部表)刚度组装可作为截面定义的特殊手段7/22/202214杆件连接与支座定义的整体观点）支座定义的常见问题例子平面和空间的简支桁架)倾斜支座的反力显示，SET INCLINED REACTION 7/22/202215杆件连接与支座定义的整体观点（续）节点约束问题的重要性针对不同的结构体系是不同的。 )构件的相对线刚度关系是影响节点传力性能的第二因素。 3)节点的受力状态也会影响连接刚度。 4)通常出于简化目的可以不用只拉构件进行只拉分析 7/22/202216用于动力分析的简化模型 用于静力分析的模型主

9、要表达了结构刚度的分布，如果需要在此基础上进行动力分析，则必须要描述结构质量的分布。实际结构物的质量都是连续分布的，这时需要将其朝节点上进行集中。通常最终模型中的质量自由度数越少越好。但简化后的模型与实际结构之间至少应存在质量、刚度以及阻尼的对应关系。质量的模拟是建立动力分析模型的关键。 物理概念是结构分析的丰富源泉， 根据刚体力学的一般原理可以更好的理解动力分析的简化模型。 7/22/202217用于动力分析的简化模型(续）在多高层建筑中，正确地模拟楼面的刚度和质量是很重要的。为有效地减少质量自由度，可以使用STAAD的主从节点的ZX从属来模拟平面内无限刚的楼面。此时可将楼面的平动质量和转动

10、惯量集中在主节点上，也可将质量均布在楼面杆件上，因为刚片本身能进行质量凝聚。通常主节点的位置应位于楼面质心处，但若偏差一般也不会造成偏于危险的结果。（注意用户仍然可使用FLOOR LOAD命令进行楼面荷载的自动导荷） 如果说因为楼板开洞过大必须考虑板面内的弹性变形 ，因此只能用SHELL单元模拟，这种论点似是而非楼面做为刚隔片系统，我们必须保证其面内刚度，必要时需加厚楼板并增加内外环梁例子多层结构的概念模型7/22/202218用于动力分析的简化模型(续）对于一些特殊的承载大型设备的工业结构，当设备的质量与刚度远大于结构本身时，如何合理地模拟出设备的力学行为对结构计算的结果有决定性的影响。一个思路是使用主从节点的RIGID从属关系模拟出刚体设备，刚体的平动质量和绕三个轴的转动惯量可定义到主节点上，主节点的位置即为刚体的质心。使用这种方式能较好地模拟石油化工行业中的大型设备或锅炉行业中的悬吊式锅炉等。 例子悬吊锅炉的概念模型 7/22/202219建立几何模型的一些基本操作途径）利用STAAD的GUI，尽量使用编辑命令 ）导入文件 ）使用结构向导）利用电子表格（例如EXCEL的计算功能）利用柱面坐标系统，编辑输入文件7/22/202220检查模型错误的一般思路）避免几何建模错误 ）使用测试荷载工况。 ）模型最小化查错方法。注释与