探析概念设计与结构计算软件应用

摘要：本文就建筑结构概念设计的重要性、分析模型及常用结构计算软件的三种软件分析，以及从整体上把握结构的各项性能及抗震概念设计重要准则进行分析和探讨。

关键词：受力体系；概念设计；计算软件

Abstract: this paper the importance of building structure concept design, analysis model and structure calculation software used three kinds of software analysis, and the comprehensive understanding of the structure of the performance and anti-seismic concept design important criterion analysis and discussion.

Keywords: stress system; The conceptual design; Calculation software

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

0 引言

概念设计是结构设计的核心和灵魂，它统领结构设计的全过程。运用结构概念设计从整体上把握结构的各项性能，这样才能对计算分析结果进行科学的判断、合理的采用；从根据建筑结构的特点，选择合适的结构计算软件，并应了解软件的基本假定、计算模型和适用范围；从根据结构计算模型的特点，对实际结构采取必要的技术处理，使计算模型和实际结构尽可能地接近，以满足工程设计精度的要求。

1 现阶段常用的结构分析模型

实际结构是空间的受力体系，但不论是静力分析还是动力分析，往往必须采取一定的简化处理，以建立相应的计算简图或分析模型。目前，常用的结构分析模型可分为平面结构空间协同分析模型和三维空间有限元分析模型两大类。

1．1平面结构空间协同分析模型

将结构划分：若干片正交或斜交的平面抗侧力结构，但对任意方向的水平荷载和水平地震作用，所有正交或斜交的抗侧力结构均参与工作，并按空间位移协调条件进行水平力的分配。因楼板假定在其自身平面内刚度无限大，故这一分析模型目前已经很少采用。其主要适用于平面布置较为规则的结构。

1．2三维空间有限元分析模型

将建筑结构作为空间体系，梁、柱、支撑均采用空间杆单元，剪力墙单元模型目前国内有薄壁杆件模型、空间膜元模型、板壳单元模型以及墙组元模型。楼板可假定为弹性，也可假定在其自身平面内刚度尤限大，还可假定楼板分块无限刚。该模型以节点位移为未知量，由矩阵位移法形成线性方程组求解。

2 结构概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。但是随着社会分工的细化，部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，拒绝对新技术、新工艺的采纳。部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显的不合理，甚至错误而不能及时发现。

强调概念设计的重要，主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远。为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。概念设计之所以重要，还在于在方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案。为此，需要工程师不断地丰富自己的结构概念，深入、深刻了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。

3抗震概念设计的一些重要准则

结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位，导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前题下，才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施，或采用动力时程分析进行验算，试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。对一个结构并非设计得越刚强越好，一个好的设计应该是“结构刚度、承载力、延性、经济性完美的匹配”。

抗震分析是建筑结构计算分析的一个重要方面。由于抗震作用的不确定因素太多，仅凭计算分析是不能保证结构安全的。于是抗震概念设计就成为抗震设计的一个重要组成部分，它应该贯穿于结构计算分析和细部构造的全过程；抗震设计应符合以下原则：

(1)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；

(2)对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力；

(3)应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；

(4)结构应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力；

(5)宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；

(6)结构在两个主轴方向的动力特性宜接近；

(7)采用有效的措施防止过早的剪切、锚固和受压等脆性破坏，因此采用“约束混凝土”是非常重要的措施；

(8)在地震作用下节点的承载力应大于相连构件的承载力。当构件屈服、刚度退化时，节点应能保持承载力和刚度不变。

4结构计算软件的局限性、适用性和近似性

由于种种原因，目前的结构计算软件总是存在着一定的局限性、适用性和近似性，并非万能。如：结构的模型化误差；非结构构件对结构刚度的影响；楼板对结构刚度的影响；温度变化在结构构件中产生的应力；结构的实际阻尼(比)：回填土对地下室约束相对刚度比；地基基础和上部结构的相互作用等等。有些影响因素目前还无法给出准确的模型描述，也只能给出简化的表达或简单的处理，受人为影响较大。加之建筑体型越来越复杂，这就对结构计算软件提出了更高的要求，而软件本身往往又存在一定的滞后性。正是因为如此，结构工程师应对所用计算软件的基本假定、力学模型及其适用范围有所了解，并应对计算结果进行分析判断确认其正确合理、有效后方可用于工程设计。

5常用结构计算软件

多、高层结构的基本受力构件有柱、梁、支撑、剪力墙和楼板。柱、梁及支撑均为一维构件，可用空间杆单元来模拟其受力状态。空间杆单元的每个端点有6个自由度，即3个平动自由度和3个转角自由度。对一维构件，各种有限元分析软件对这类构件的模型化假定差异不大。剪力墙和普通楼板均为二维构件，这两种构件的模型化假定是关键，它直接决定了多、高层结构分析模型的科学性，同时也决定了软件分析结果的精度和可信度。日前国内外流行的几个结构计算软件对剪力墙和楼板的模型化假定差异较大。