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1、在工程设计、结构安全鉴定等众多工程实践过程中，我们经常会遇到诸如结构分析的深度，如何简化结构模型以便迅速找到合理误差范围内结构或构件的计算结果等许多问题，本文就其中结构分析的目的、分析与设计的关系及关于结构模型的问题谈谈笔者的一些体会。1 结构分析结构分析是确定在给定荷载下结构中产生的内力和变形，以便使结构设计得合理并能检查现有结构的安全状况。在结构设计中，必须先从结构的概念开始拟定一种结构形式，然后再进行分析。这样做能确定构件的尺寸以及所需要的钢筋，以便a）.承受设计荷载而不致出现结构或结构构件的破坏（承载能力极限状态设计）；b）.结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的规定（正常使用极限状态
2、设计）。由于通常在工作荷载作用下，结构处于弹性状态，因此以弹性状态假设为基础的结构理论就适用于正常状态。结构的倒塌通常在远远超出材料弹性范围，超出临界点后才会发生，因而建立在材料非弹性状态基础上的极限强度理论是合理确定结构安全性，防止倒塌所必需的。不过弹性理论可用来确定延性结构强度的安全近似值（塑性下限逼近法），在钢筋混凝土设计中通常采用这种方法。基于这种原因，在本文中仅仅采用结构的弹性理论。2 结构模型仔细的观察所有结构都是三维构件的组合体，对其进行精确的分析，甚至在理想状态下，也是一个棘手的工作，即使专业人员也无从考虑。由于这种原因，分析人员工作的一个重要部分是将实际结构和荷载状态简化成一
3、个易于合理分析的模型。这样，结构框架系统可分解成板和楼盖梁，楼盖梁是由柱支撑的交叉梁系，柱将荷载传递到基础上。因为传统的结构分析不能分析板的作用，所以经常理想化成类似于梁的条形系统。同样，普通的方法不能处理三维框架系统，因此利用平面结构组合系统建立整个结构的模型，分别加以分析。现代的有限元法可以分析整个系统从而革新了结构分析，这样可对荷载作用下结构的性能做出更可靠的预测。实际荷载状态也是很难确定和很难客观表达的，为了进行分析，必须进行简化。例如：桥梁结构上的交通荷载主要是动载和可变荷载，通常理想化成静态行使的标准汽车或分布荷载，以用来模拟实际产生的最危险的荷载状态。同样，连续梁有时简化为简支梁
4、，刚性结点简化为铰结点，忽略填充墙，把剪力墙简化成梁。在决定如何建立一个结构模型使之比较客观，但又比较简单时，分析人员必须记住每个这样的理想化都将使所求的结果更加可疑。分析的越客观，产生的信心越大，所取的安全系数（或可忽略的因素）可以越小。这样，除非规范条款控制，工程师必须估算出结构精确分析所需追加的费用与结构中可能节省的费用相比，是否合算。结构分析与结构设计的关系结构分析的最重要的用处是在结构设计中作为一种工具。它通常是反复试算过程中的一个环节，在这种方法中，首先，在假定的恒载下对假定的结构体系进行分析，然后根据分析结果设计各构件，这个阶段称为初步设计。由于这种设计常常在变化，通常采用粗略的
5、快速分析方法就足够了。在此阶段，估计结构的成本，修正荷载及构件特性，并对设计进行检查以便改进。至此，所作的更改已纳入到结构中，需进行更精细的分析，并修改构件设计。这种设计过程会收敛，收敛的速度取决于设计者的能力。很清楚，为了设计需要从“迅速而粗略”到“精确”的各种分析方法。因而，有能力的分析人员必须掌握严密的分析方法，必须能够通过适当的假设条件进行简化分析，必须了解可利用的标准设计和分析手段以及建筑规范中允许的简化方法。同时，现代的分析人员必须精通结构矩阵分析的基本原理及其在数字计算机中的应用以及会应用现有的结构分析程序及有关软件。常用结构软件比较目前结构计算程序主要有:PKPM系列（TAT、
6、SATWE）、TBSA系（TBSA、TBWE、TBSAP）、BSCW、GSCAD、SAP系列。其他一些结构计算程序如ETABS等，虽然功能强大，且在国外也相当流行，但国内实际上使用的不多。一、计算程序分析与比较1、主体计算程序的模型与优缺点从主体计算程序所采用的模型单元来说：TAT和TBSA属于结构空间分析的第一代程序，其构件均采用空间杆系单元，其中梁、柱均采用简化的空间杆单元，剪力墙则采用空间薄壁杆单元。在形成单刚后再加入刚性楼板位移协调矩阵，引入了楼板无限刚性假设，大大减少了结构自由度。SATWE、TBWE和TBSAP在此基础上加入了墙元，SATWE和TBSAP还加入了楼板分块刚性假设与弹
7、性楼板假设，更能适应复杂结构。SATWE提供了梁元、等截面圆弧形曲梁单元、柱元、杆元、墙元、弹性楼板单元（包括三角形和矩形薄壳单元、四节点等参薄壳单元）和厚板单元（包括三角形厚板单元和四节点等参厚板单元）。还通过与JCCAD联合，实现基础-上部结构整体协同计算。TBSAP提供的单元除了常用杆单元、梁柱单元外，还提供了用以计算板的四边形或三角形壳元、墙元、用以计算厚板转换层的八节点四十八自由度三维元、广义单元（包括罚单元与集中单元），以及进行基础计算用的弹性地基梁单元、弹性地基柱单元（桩元）、三角形或四边形弹性地基板单元和地基土元。TBSAP可以对结构进行基础-上部结构-楼板的整体联算。从计算准
8、确性角度来说：SAP84是最为精确的，其单元类型非常丰富，而且能够对结构进行静力、动力等多种计算。最关键的是使用SAP84时，能根据结构实际情况进行单元划分，其计算模型最接近实际结构。BSCW和GSCAD的情况比较特殊，严格说来这两个程序均是前后处理工具，其开发者并没有进行结构计算程序的开发。但BSCW与其计算程序一起出售，因此有必要提一下。BSCW一直是使用广东省建筑设计研究院的一个框剪结构计算软件，这个程序应属于空间协同分析程序，即结构计算的第二代程序（第一代为平面分析，第二代为空间协同，第三代为空间分析）。GSCAD则可以选择生成SS、TBSA、TAT或是SSW的计算数据。SS和SSW均
9、是广东省建筑设计研究院开发的，其中SS采用空间杆系模型，与TBSA、TAT属于同一类软件；而SSW根据其软件说明来看也具有墙元，但不清楚其墙元的类型，而且此程序目前尚未通过鉴定。薄壁杆件模型的缺点是：1、没有考虑剪力墙剪切变形。2、变形不协调。当结构模型中出现拐角刚域时，截面翘曲自由度（对应的杆端力为双力矩）不连续，造成误差。由于此模型假定薄壁杆件断面保持平截面，实际上忽略了各墙肢次要变形，增大了结构刚度。同一薄壁杆墙肢数越多，刚度增加越大；薄壁杆越多，刚度增加越大。但另一方面，对于剪力墙上洞口，空间杆系程序只能作为梁进行分析，将实际结构中连梁对墙肢的一段连续约束简化为点约束，削弱了结构刚度。
10、连梁越高，则削弱越大；连梁越多，则削弱越大。所以计算时对实际结构的刚度是增大还是削弱要看墙肢与连梁的比例。杆单元点接触传力与变形的特点使TBSA、TAT等计算结构转换层时误差较大。因为从实际结构来看，剪力墙与转换结构的连接是线连接（不考虑墙厚的话），实际作用于转换结构的力是不均匀分布力，而杆系模型只能简化为一集中力与一弯矩。另一方面，由于一个薄壁柱只有通过剪心传递力与位移，所以在处理多墙肢薄壁柱转换时十分麻烦，如将剪心与下层柱相连，则令转换梁过于危险，如设置实际并不存在的计算洞令力传至转换梁又会改变上层墙体的变形协调条件（不要相信TBSA手册中所言设连梁高为层高可以解决问题，一段连续约束简化成
11、一个点约束，误差决不会小）。为了解决薄壁柱单元造成剪力墙分析过于粗糙的问题，ETABS、SAP84、SATWE、TBWE、TUS、TBSAP等软件先后引入了墙单元。对于有墙元模型的软件，要分清楚其单元类型。墙元有两种：一是板-梁墙元（又称Wilson嵌板单元模型），这种模型在国外应用较多。其实质是平面单元，把剪力墙简化为一个膜单元+边梁+边柱，基本上是一个由平面单元经改造成的空间单元。剪力墙洞口间部分模型化为一个梁单元，削弱了剪力墙实际的变形协调关系，由前一段的讨论可知这种单元导致整体计算结果偏柔；一是由有限元中的四节点空间壳元缩聚而来的（以下称为板壳墙元），板壳元既有平面内刚度也有平面外刚度
12、，且剪力墙洞口间部分也作为墙元进行整体分析，因此板壳墙元更能精确地分析复杂剪力墙结构。以上几种带有墙元的软件中，ETABS和TUS采用板-梁墙元，SAP84、SATWE和TBSAP均采用壳墙元。TBWE所采用的墙组元实际上是一种改进的薄壁杆件模型，它与普通的薄壁杆件模型的不同之处在于：1、不强求剪力墙为开口截面，可以分析闭口及半开半闭截面；2、其杆件未知位移取为杆端截面的横向位移和各节点的纵向位移，数目随墙肢节点数增加而增加，不象普通薄壁杆件那样固定为14个，保证了杆件的位移协调；3、采用最小势能原理，建立考虑剪力墙剪切变形的总势能表达式，然后对其求导并令其值为0即建立考虑剪切变形的单元刚度矩
13、阵。墙组元实际上是一种介于薄壁杆件单元和连续体有限元之间的分析单元。从结构分析的准确性来说，从好到差排列依次为：板壳墙元、墙组元、板-梁墙元。另外一个有争议的问题是对异形柱的处理。异形柱在广东又叫短肢剪力墙，虽然名称和剪力墙拉上了关系，但其计算却不能用剪力墙的方法来算。TBSA用户手册建议将异形柱折算成惯性矩相同的矩形截面柱进行整体分析，取得内力后再进行详细的计算。这种方法用起来很不方便，另外这种折算只能保证两个参数的正确，其他如截面面积、转动惯量等参数都很难与原构件保持一致。目前能直接对异形柱进行计算与绘图的软件有BSCW、GSCAD和PKPM:由于广东省建筑设计研究院在异形柱的研究方面有比
14、较成熟的理论，因此BSCW和GSCAD对异形柱的计算与绘图极为方便可靠，目前广东省住宅建筑设计常采用短肢剪力墙结构，导致大量的异形柱，因此这两个程序比较流行。在用PMCAD进行输入时，可以看到有不同类型的截面，采用这些截面输入的异形柱可以传递到TAT或SATWE中进行计算，并在PK中进行配筋（仅适用于99年5月以后的Windows版程序），不过PKPM中对异形柱内力的求算并不是通过查表进行（广州城市建设开发总公司设计院编制的广东省异形柱规程采用此方法，这些表格是根据有限元分析的结果编制的），而是参考了多肢剪力墙的配筋方法，在求出作用于形心的弯矩、轴力、剪力后按照材料力学公式分解到异形截面每一关
15、键点的应力，通过积分得到每一段柱肢平面内的弯矩、轴力和剪力，然后以每一直线段柱肢作为一个矩形截面，按对称配筋计算出其钢筋面积。二结构主体计算程序的适用性与易用性比较从适用性（功能）的角度，按强到弱排列依次为:ETABSSAP84SATWE、TBSAPTBWE、GSCAD、TUSTAT、TBSABSCW。ETABS除一般高层计算功能外，还可计算钩、顶、弹簧、结构阻尼运动、斜板、变截面梁或腋梁等特殊构件和一定的结构非线性变形；SAP84原本是一个通用有限元程序，后来为结构分析的需要加入了墙元等专用单元，其单元库最为完备，功能强大；SATWE和TBSAP应属于同一档次的软件，都能进行楼板和剪力墙的有
16、限元分析，适应工程的能力强，而TBWE、GSCAD和TUS则差一些，不能进行弹性楼板计算；BSCW只能进行平面为正交布置的结构计算，是没有前途的软件。从易用性的角度来看:按好到差的顺序排列应为:TUSGSCAD、SATWE、TATTBSA、TBWEBSCWSAP84、ETABS。TUS的图形界面在WINDOWS下开发，较之其它国内开发的高层计算程序的图形界面更加良好；GSCAD和新版的PKPM均为WINDOWS界面软件，但带有DOS下的影子；SAP84和ETABS则最为麻烦。这个排列不仅考虑了图形界面的优劣，还尽量反映各种软件前后处理过程中的方便程度。比如GSCAD、SATWE、TAT在进行图形输入时均能做到修改结构平面后不影响原有荷载，而TBSA则没有实现这一点。从综合性能来说：PKPM系列的SATWE是最好的，主要优点在于：能适应目前复杂的结构计算要求，数据准备工作量小，计算中可考虑多种因素，施工图出图方便oSATWE经过多年发展，已经可以在计算中考虑多种影响因素，如：1、恒、活载分算；2、梁活载不利布置计算；3、
