广厦结构工程计算中的40个问题

工程计算中的40个问题及其算例分析每个问题包括如下6个方面内容：1）问题的背景和来源；2）典型算例介绍；3）不同计算模型简介；4）列举不同方法和软件计算结果；5）对计算结果分析和比较；6）结论和建议。一、偏心算例1.工程名：梁托偏墙.prj问题的背景：梁托墙,墙对梁有偏心时，对梁产生较大扭矩，为何有些计算算不出梁扭矩和柱弯矩？算例：1)墙对梁的偏心100mm；2)在墙上布置50kN/m的荷载，模拟上面还有多层墙；3)考证有偏心计算的计算精度。工程计算中有大量的偏心存在，偏心引起的弯扭较大，偏心计算是当前计算中的难点。计算模型：1）GSSAP采用偏心刚域方法计算；2）SATWE采用没有人工布置刚性梁方法。3）SATWE采用人工布置刚性梁方法。偏心刚域方法：当多个节点之间的运动关系为刚体运动时，其中一个节点作为计算节点，其它节点的刚度变换到计算节点即可。两墙肢与柱相交，墙的两节点和柱节点之间刚体运动，柱节点为计算节点，墙的节点刚度变换后凝聚到计算节点，这种方法在理论和实践上能准确计算各种偏心情况。在所有的软件中，GSSAP第1次按偏心刚域方法对所有偏心实现了自动处理,没有完全按此方法就是就会有问题。不同方法和软件计算结果：计算方法理论结果GSSAPSATWE(无刚梁)SATWE(有刚梁)柱底轴力(kN)97.0097.0097.0097.00柱底弯矩(kN.m)-6.50-6.50028.1梁扭矩(kN.m)-6.50-6.50028.4分析和比较：1）GSSAP偏心刚域方法与理论结果完全吻合；2）SATWE没有人工布置刚性梁时，无扭矩，结果有问题；3）SATWE人工布置刚性梁时，刚梁长取偏心100mm，结果有较大误差，随刚梁长度增大误差减小，梁长度要求大于300mm。结论和建议：1）GSSAP偏心刚域方法可以准确计算扭矩，按实际模型输入偏心墙即可；2）SATWE必须梁墙间人工加刚性梁，要注意刚梁长度控制。罚约束应用不合理，引起力不平衡。2.工程名：两柱两梁.prj问题的背景：两根梁同时搭接在两根柱上，以往有两种计算方法：1)把柱当墙输入；2)梁端与柱中之间加刚梁。采用方法1会影响柱的内力调整和截面计算，对柱配筋需人工处理；采用方法2输入较繁琐，有内外力不平衡的现象。算例：两柱托两梁，在其中一根梁上布置50kN/m的均布荷载，工业结构中常见到的一种情况。不同方法和软件计算结果：分析和比较：1）偏心刚域方法与理论结果完全吻合；2）加刚梁会产生内外力不平衡的现象，柱的弯矩偏小。结论和建议：GSSAP偏心刚域方法可以准确计算，按实际模型输入梁的偏心即可。计算模型：1）GSSAP采用偏心刚域方法计算。2）SATWE采用人工布置刚梁方法(刚梁长350mm)。计算方法理论结果GSSAPSATWE柱底轴力(kN)347.50347.50347.3柱底弯矩(kN.m)-87.50-87.50-84.43.工程名：梁托两墙.prj问题的背景：转换大梁同时托两片剪力墙，以往的常用软件无法计算。算例：1)在其中一条墙上布置50kN/m的荷载；2)计算梁的扭矩和柱的弯矩。不同方法和软件计算结果：分析和比较：1）偏心刚域方法与理论结果完全吻合；2）SATWE人工布置刚性梁时，刚梁长取偏心150mm，结果有较大误差。结论和建议：GSSAP偏心刚域方法可以准确计算，按实际模型输入墙的偏心即可。计算模型：1）GSSAP采用偏心刚域方法计算。2）SATWE采用人工布置刚梁方法。计算方法理论结果GSSAPSATWE柱底轴力(kN)123.75123.75122.7柱底弯矩(kN.m)-7.50-7.5022.5梁扭矩(kN.m)-7.50-7.5013.64.工程名：梁托垂墙.prj问题的背景：转换大梁托L形、Z形墙时，所托墙有垂直于梁的部分，以往处理方法是墙下加刚梁，输入繁琐。算例：1)在垂直于梁的墙上布置20kN/m的荷载；2)计算梁的扭矩和柱的弯矩。不同方法和软件计算结果：分析和比较：两种方法计算结果与理论结果一致。结论和建议：采用墙下加刚性梁计算方法操作较麻烦，最好是采用偏心刚域方法，按实际模型输入垂直墙即可。计算模型：1）GSSAP采用偏心刚域方法计算。2）SATWE采用人工布置刚梁方法。计算方法理论结果STAWEGSSAP柱底轴力(kN)33.2533.333.25柱底弯矩(kN.m)-2.19-2.2-2.19梁扭矩(kN.m)-2.19-2.2-2.195.工程名：墙端柱.prj问题的背景：当墙端或墙中柱与剪力墙有较大偏心时，计算软件对偏心处理有无问题？算例：1)在柱顶上布置1000kN的集中活荷载；2)计算墙和柱的弯矩。不同方法和软件计算结果：分析和比较：1)3个软件能保证轴力平衡；2)偏心刚域方法保证基底弯矩平衡；3)SATWE墙柱无偏心时基底弯矩平衡，有偏心时不平衡。结论和建议：GSSAP偏心刚域方法可以准确计算，按实际柱对墙的偏心输入柱即可。计算模型：GSSAP采用偏心刚域方法计算。计算方法ETABSSATWEGSSAP柱底轴力(kN)658.8538.6575.07墙底轴力(kN)341.2461.4424.93合计轴力(kN)100010001000计算方法SATWEGSSAP柱底弯矩(kN.m)16.718.8墙底弯矩(kN.m)753.4383.8弯矩平衡验算不平衡平衡6.工程名：柱托多柱.prj问题的背景：在伸缩缝处常见一柱托两柱情况，加刚性梁计算有何问题？算例：1)在层2柱顶上分别布置1000kN和2000kN的集中活荷载;2)查看柱底内力情况。不同方法和软件计算结果：分析和比较：1）偏心刚域方法与理论结果完全吻合；2）SATWE计算由于刚性梁(长300mm)的影响，会产生弯矩和剪力不平衡的现象。结论和建议：GSSAP偏心刚域方法可以准确计算，按实际的偏心输入柱即可，无需其它柱间加刚性梁等特殊计算方法。计算模型：1）GSSAP采用偏心刚域方法计算。2）SATWE采用人工布置刚梁方法。计算方法理论结果GSSAPSATWE柱底轴力(kN)300030003000柱底弯矩(kN.m)3003003151）在实际工程中，存在大量的偏心，柱跟柱、墙跟柱、梁跟墙柱，包括板跟墙柱梁，都存在这种情况；2）偏心刚域方法在理论和实践上能准确计算所有偏心情况，这是没有任何争议的；3）在一个软件中如果对所有偏心没有完全实现这个方法，计算肯定有问题，如SATWE和SSW等软件，很多方面就没有这样做。4）GSSAP在国内外所有软件中第1个完全实现了这种方法，自动处理，不需人工干预。二、标高算例1.工程名：梁标高.prj问题的背景：当梁下沉并且下沉高度大于梁高时，以往各软件都把梁拉到楼层平面上计算，这种不考虑梁下沉影响的处理方法导致计算结果有较大误差。算例：梁下沉1000mm。工程中梁板的相对标高并不都为0，以往计算常常不考虑标高的影响，计算结果与实际情况有很大区别。不同方法和软件计算结果：分析和比较：是否增加节点对下沉梁及相交柱计算结果影响较大。结论和建议：1)计算程序应准确考虑梁标高对计算结果的影响；2)特别注意：通过修改标高来输入错层结构时，软件应按照实际模型计算。计算模型：1）GSSAP中自动在柱跨中增加节点；2）将梁拉到楼层平面上计算，不增加柱跨中节点。计算方法柱中增加节点柱中不增加节点相差百分比下沉梁支座弯矩(kN.m)-26-3119%下沉梁跨中弯矩(kN.m)181328%2.工程名：板标高.prj问题的背景：同一楼面不同区域板标高相差较大时，以往简化计算将板拉到同一楼层平面，计算结果有什么问题?算例：板下沉1000mm。不同方法和软件计算结果：分析和比较：1)振型5两刚板分别扭动，振型6两刚板反向在X向平动；2)将板拉到同一楼层平面计算不出振型5和6。结论和建议：应按楼板的实际标高建模并按弹性板参与计算，否则水平位移及构件内力可能有较大误差。计算模型：GSSAP计算中，自动将标高不在楼面的板按照弹性板计算。振型5振型63.工程名：斜屋面1.prj问题的背景：对于起坡屋面，以往处理办法是将斜屋面拉平并加大荷载来计算，计算结果与实际情况相差较大，如何解决?算例：中间起坡高度2000mm。不同方法和软件计算结果：分析和比较：1）采用GSSAP和ETABS计算是正确的。2）实际模型与将斜屋面拉平加大荷载方法的计算结果相比，梁弯矩减少，柱的弯矩增大，结果相差较大。结论和建议：应采用实际模型计算此类斜屋面结构。计算模型：1）GSSAP中采用实际标高，板自动采用膜元计算；2）ETABS中采用实际标高，板选择采用膜元计算；3）SATWE中将斜屋面拉平加大荷载来计算；4）SSW中将斜屋面拉平自动加大荷载来计算。计算方法GSSAPETABSSSWSATWE相差梁最小弯矩(kN.m)-36.94-37.1-49-49.2-25%梁最大弯矩(kN.m)15.7615.74847.6-67%柱底弯矩(kN.m)33.9036.22423.446%4.工程名：斜屋面2.prj问题的背景：坡屋面下有水平梁连接，边沿只有一条梁，这种模型以往常用软件不能计算，如何准确计算？算例：1)中间起坡高度2000mm；2)连接的水平梁按斜梁输入。不同方法和软件计算结果：分析和比较：GSSAP与ETABS计算结果一致。结论和建议：应采用实际模型计算此类斜屋面结构。计算模型：1）GSSAP中采用实际标高，板自动采用膜元计算；2）ETABS中采用实际标高，板选择采用膜元计算。计算方法GSSAPETABS水平梁最小弯矩(kN.m)-36-34水平梁最大弯矩(kN.m)23255.工程名：体育馆.prj问题的背景：体育馆看台有大量斜梁斜板，结构设计软件有无方便的计算方法?算例：圆弧结构，改柱顶相对标高分别为：0mm,-1000mm,-2000mm,-3000mm。不同方法和软件计算结果（恒载作用下）：分析和比较：GSSAP与ETABS结果基本吻合。结论和建议：GSSAP采用修改柱顶标高的方式创建大量斜梁斜板，是目前计算体育馆看台最方便的方法。计算模型：1）GSSAP中，实际模型(板自动采用膜元)输入；2）ETABS中，实际模型(板指定采用膜元)输入。计算方法GSSAP（实际）ETABS（实际）最大Z位移（mm）0.0680.068振动周期（s）0.10170.09671、标高问题大量存在，像夹层、梯梁和错层等等；2、以往软件拉平计算存在很大误差；3、GSSAP自动处理标高问题，高度智能化，保证准确性，达到人人都能用通用计算的目的。三、空间应力分析1.工程名：空间应力.prj问题的背景：深受弯构件若只抽取部分平面内构件进行平面应力分析计算难以保证准确性，能否在结构整体计算时自动按空间应力分析？算例：梁上托墙。以往计算主要采用杆系计算，开发了三个壳单元可扩展到空间应力分析：1)墙采用墙壳；(SAP84)2)板采用板壳；(ETABS)3)梁采用梁壳。(GSSAP)不同方法和软件计算结果：分析和比较：1)GSSAP和平面应力计算结果一致；2)ETABS壳与柱相连偏刚。结论和建议：1)在GSSAP中具有墙壳、板壳和梁壳，可以进行空间应力分析；2)空间整体分析避免了平面应力中导荷的问题。计算模型：1）GSSAP中，墙采用墙壳，梁采用梁壳计算；2）平面应力，墙梁柱都采用平面应力元；3）ETABS中，墙和梁采用墙壳。计算方法GSSAP平面应力ETABS梁跨中竖向位移(mm)0.380.370.322.工程名：局部应力.prj问题的背景：以往建筑结构计算软件不能计算局部应力，如墙上开洞，难以准确计算连梁两端的应力分布情况。算例：1)如右图，5层双肢墙，每层水平作用1000kN集中活荷载。2)指定连梁采用壳单元。不同方法和软件计算结果（活载作用下）：分析和比较：GSSAP和ETABS结果一致。结论和建议：梁采用壳单元，可以准确计算梁应力分布情况。计算模型：1）GSSAP中，连梁计算单元指定壳元;2）ETABS中，墙开洞，再细分单元。计算方法GSSAPETABS1层X向最大正应力(kN/m2)242