复杂结构分析中的问题处理--黄吉锋

   大家好，我报告的题目叫做复杂结构分析中的问题处理。我的报告将会涉及到12个方面具体的问题第一个问题我讲一下钢-砼混合结构、隔震减震的分析。一般的工程结构按照阻尼形态可以分为两类，一个是比例阻尼系统，一方面是非比例阻尼系统。单一材料的普通结构是比例阻尼系统，另外钢-砼混合结构，和隔震减震结构是非比例阻尼系统。这两种系统他们的动力控制方程、形式是一致的，区别在于阻尼矩阵是不同的。普通结构的阻尼阵可被无阻尼振型所解耦。说到我们现行规范的地震反应谱分析方法，是针对比例阻尼系统的。原则上不适用于混合结构，隔震减振结构等非比例阻尼系统。

    不适用怎么办？近似比阻尼法是最常用的手段。问题是，复杂结构的阻尼性态，难以用估算的单一阻尼所代表。不同振型，有不同的阻尼比。第二个问题，每个振型的阻尼比数值又取决于下面三个因素，材料数量的相对关系，材料空间分布的相对关系，针对形态，所以估算一个值非常复杂。我们不妨举一个简单的例子，这个例子是双塔结构，左塔钢框架，右塔混凝土架。这个阻尼比的实际情况分布非常复杂。以钢结构振动为主的振型阻尼比接近于钢，这样一个复杂的阻尼分布形态简单估算，一个阻尼比来代表几乎是不可能的。

    既然常用的近似比例阻尼法有问题，我们就要有有没有合适的解决方案？应该是有的，这个就是周锡元院士2004年提出的CCQC方法，CCQC是有阻尼系统，复振型空间内的振型叠加法。CCQC的理论需要在状态空间讨论，我们工程上关心的是实用，理论的部分就不详细介绍了。有兴趣可以参考周院士的文章。我们通过PMSAP软件完整的实现了CCQC五，可以很好的解决混合结构、隔震减振结构的抗震计算问题。当然，在实现过程中，还有一些相关的技术要点。

    最后，我们从分析的角度可以做一个汇总，在实际工程当中怎么处理钢-砼混合结构？这些都是在工程当中常见到的应用形式，我们在PMSAP软件当中专门开发了支座元件，提供刚度特性模拟，制作的滞回耗能可等效成制特性。对于带支座的结构，整体分析和设计方式，是贴近实际的，合理可行的方法，值得推进部分。比如说隔振支座与上部结构整体分析设计，大跨度屋顶、支座与夏布主体结构整体分析设计。反过来讲，过去常用的传统的分析方式就不见得合理，有可能引起比较大的误差，比如说我们通常采用减震系数法设计隔震结构，大跨度屋顶与夏布主体结构分开设计，连廊与拉楼分开设计。

    举例而言这样的隔震结构，振型形态和地震作用分布均不同于普通结构，只有整体分析才能准确体现其特点，减震系数法不贴切。第三个问题，复杂空间结构的竖向分析。结构竖向地震作用下反映至少有两个显著的特点，第一个特征是剪力墙、框架柱等竖向构件之间产生一些作用，这些作用非常显著。第二个特点，对于带有屋盖系统的建筑结构，设计方案如果不恰当，可能导致屋盖系统和底部结构形成二次共振，整个反映极具增大。

    一旦产生二次共振，它的地震反映会达到正常的6倍以上。这样一些复杂的特性，根据我们的计算和研究，它并没有采用简化的算法来体现。最好的方法就是振型叠加法，一个是计算准确，另外一个方便设计。我们在PMSAP软件当中提供了比较完善的地震叠加法的分析，最终还可以把计算结构在构件的承载力设计当中体现。在竖向地震分析过程当中，最严重的问题就是系数问题，经常去竖向振型200、300，有的老是在50、60。根据这样的情况，PMSAP特别研发了无效振型剔除技术。采用了这种新技术以后，像刚才这样的结构，采用120个振型计算，如果不剔除，只能只有58%，剔出以后达到了97%。

    第四问题温度效应分析，环境温差的应力分析，混凝土收缩徐变分析，预应力效应分析，这三种分析在理论上都可以用温差效应分析来模拟。计算构件的增效温度何在是温度效应分析的基础，要对梁、柱、支撑、剪力墙、楼板进行计算，温度效应参与内力组合。温度效应分析，所有楼板均应按照弹性板分析，剪力墙应采用细分壳元模型，用于承载力设计时，混凝土构件的温度效应宜折减，一般取为0.3。这是一个多塔连体的分析，内力的情况，楼板用力的情况，我们说在结构设计当中考虑温度效应，有两种基本方式第一个是直接在承载力设计中定量考虑。另外一种通过温度效应分析，把握温度效应的分布规律，明确温度应力的集中部位，定性采取构造措施。这是两个不同方式的处理手段，我们的观点是温度效应非常复杂，尤其是混凝结构。因此我们建议上面两种手段通常可以结合起来用。

    第五个问题，复杂楼板整体的精细分析以及设计。目前对于楼板的设计通常从软件的家度提供三个层面的工具，第一个层面就是逐房间计算并且设计，第二个层面逐楼层计算并且设计，第三个层面整体分析，整体设计。什么叫做整体有限元分析设计方法呢？我们提供的方法是什么意思呢？简单讲就是把结构当中的楼板变成弹性的，直接组装到整体且中去，板的所有应力和变形结果，均如同柱、墙、梁一样。

   何时需要对楼板采用有限元整体计算方法呢？凡是面内应力和变形显著的楼板，均有必要做整体式的分析和设计。举例而言，悬挑层上下的楼板，平面大洞楼层，平面不规则，所有的斜板，大底盘结构，箱式转换，垳架转换。搭接块转换，加强层伸臂，所有这些工程的情况都有一个特征，这些楼板面内的反映都很显著，这样的情况都需要用整体分析方法，整体设计。

    这里看一个实例，前几年国家体育馆采用SPASCAD建模，PMSAP分析。其中利用PMSAP对所有的楼板和斜板给出了分析。

    第六，缓解连梁超筋超限问题。针对这个情况我们在软件当中提供了多种手段对这个情况做缓解，第一种手段最常用，连梁刚度折减，如果是设防烈度地震、汉语地震，根据性能目标不同可以适当低于0.5。第二个方法，就是设缝连梁，作用也比较明显，但是它有一个负作用，整个结构会变柔，如果刚度比身就不足，采用了这个是有负作用的。前两种方法都是削弱连梁，还有加强连梁的方式。钢板会参与到结构的刚度当中去，采用了钢板墙以后，连梁的问题也会得到解决。第四种，我们还提供了对角斜筋，对角暗撑的方式。刚才简单的介绍了我们软件当中连梁超筋应对的手段。第七个问题，采用壳体有限元法，对于工程中常出现的超大梁转换构件等过去我们用杆件模型进行分析和设计，但是杆件模型有缺陷，难以准确模拟此类构件的复杂变形状态，难以准确模拟与周围构件的协调关系，最合适的计算模型是壳元模型。

    我们在PMSAP软件当中目前允许设计用户按照墙元输入工程中常出现的超大转换间。并且把模拟水平构件的剪力墙，软件自动识别，称之为转换墙。只要识别出是转换墙，将来会采用壳体有限元分析，通过应力积分得出梁式内力，按照转换梁做内力调整，最终给出梁式分析。

    这是箱式转换的设计实例，通过转换墙加弹性板，真实模拟箱式转换层。最后可以给出梁式配筋设计等。第八个问题，错层墙和山墙的分析和设计。可利用PKPM软件方便地完成错层墙和山墙的缄默、分析和设计，利用PMSAP进行错层墙和山墙的缄默，PMSAP对错层墙按照普通墙分析、设计，PMSAP对山墙采用应力配筋设计。下面是一个简单的实例演示怎么建立错层墙还有山墙的模型。还有两类墙也是比较特别的，叫做面外斜墙和异型墙的分析和设计。这个也是工程当中常见的问题，现在我们有很好的手段，这是前一阵采用PMSAP刚做过的体育场馆工程，整个结构当中所有的剪力墙都是异型墙，没有一片是规则的墙。这是PMSAP给出的位移、用力分布的云图等。对于这样一些斜墙、异型墙给出了配筋设计。

    第十个问题，讲一下刚重比验算和BUCKLING分析，超高层混凝土结构，高层钢结构、大跨度空间结构、结构局部的细长受压构件都会出现这种问题。往往可能存在稳定问题，或者是稳定控制的，实际工程中一般不允许结构达到临界弹性稳定。对于稳定性验算和控制，我们可以分两个方面来谈，一类叫做悬臂柱结构，可采用刚重比盐酸稳定，无上连多塔结构，要分成单塔验算，单塔结构要掐头去尾。弯曲型结构等效刚度可采用更为精确的公式，此式的好处是可以适用于任意侧向荷载分布形式。从规范的角度而言，它是基于单层曲区模式的公式，我们这里提一个建议，对弯剪型的结构刚重比，宜补充单层屈曲模式验算。除了悬臂柱型结构，另外一类叫做非悬臂柱结构。我们刚才讲过，可以采用刚重比验算稳定，非悬臂柱型结构不能采用刚重比验算稳定，要用BUCKLING分析验算稳定。盐酸BUCKLING采用的荷载组合可取1.2DL+1.4LL。怎么判断最终的结果通过不通过盐酸呢？看看区域特征值，如果大于10就通过了我们的盐酸，10个界限通过理论的推延可以看到跟规范的限制精神是一致的。做BUCKLING分析的时候，也可以通过观察一个结构的情况，了解它最薄弱的角度。当然要判断稳定最终我们要看结构的特征值是否会超过10，超过10就是满足规范要求的，不超过就有一个问题了。

    第11个问题，地震波直接用于构件承载力设计。基本思路是取包络，对于单参数控制的设计，先取内力包络，再作设计。但是对于多参数的控制设计，就需要在每个时间点上做设计，最后对设计结果取包络。这个做法虽然对，但是非常繁琐。非常累。

    我们这里介绍一种变通思路，反应谱法。先计算地震波平均谱，或包络谱，Swave，再与规范设计谱Scode取包络，作为最终设计依据。这是一种非常简洁合理的方法，我们提出了五种曲线，一旦遇到CQC的结果不能包住时程分析结果时，我们就可以选取包络谱3或5，这样是非常合理的。跟过去的老办法比起来，现在我们要取设计谱与地震波的包络，有的点上不需要放大，这个方法节省，简洁。

    最后一个问题，说一下地基、基础与上部结构的共同作用。地上、地下分开设计是工程的现状，但是从道理上来讲，把地基、基础与上部结构广通作用模型作为设计的依据，才是最贴近实际的设计模型。这里我要给大家介绍的是，目前我们的PKPM软件完全有能力处理共同作用模型，用这种共同作用模型至少有两方面的意义，首先有助于认识地基基础对上部结构设计的影响，也有助于认识上部结构对地基基础设计的影响。这里我给大家看一个用户用我们的PMSAP软件做的综合的整体模型的分析和设计。它就把基础的筏板、桩全部建立在一个模型当中去。最终可以考察筏板的设计，还有其他一系列的反应，也可以对筏板给出一些设计。

    如果利用共同作用模型进行结构设计，值得大家关注和值得研究。谢谢大家！