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佳构公司参加“第十六届高层建筑抗震技术交流会”

日期:2018/5/24

   “第十六届高层建筑抗震技术交流会”2017年10月25-28日在合肥市举办,佳构公司谢靖中博士参加会议,并作大会报告《建筑结构计算精度、可靠性及设计优化》。报告汇集了谢博士多年思索探究、以及JG-STRAT软件近几年的研发成果,提出一些重要观点。

1、首次提出建筑结构学科“三段论”的论述。
    概率论工程学科的基本概念,被普遍接受。但是,近年来,往往概率论的范围被扩大了。经常有说法“工程问题没有精确解”,“材料强度、荷载都是近似的,精确计算没有意义的”,“算这么精确有什么用吗?工地现场非常复杂,荷载乱堆”,等等——将概率论脱变成不可知论。
    结构工程问题,可分为三个部分。1)确定材料荷载;2)结构计算;3)工程实施(设计与施工)和工程使用(正常使用,风/震异常灾害),前后两部分适用概率论,中间结构计算不适用概率论——对于给定结构和荷载计算结果是确定的。
    大家熟悉的工程参数,如结构位移、内力、支座反力,地基反力、沉降,周期、反应谱内力、时程计算结果、配筋面积、强度稳定应力等,都不适用概率论。
    计算的确定性,使得计算过程中存在偏差,都是系统误差,其危害大于概率的随机误差。由于技术发展的限制,现阶段由于结构计算造成的偏差,可以达到20~50%,甚至更高,已经远超基于概率的可靠度的包络范围。并且长期存在、数十年存在,甚至在有偏差结果的基础上形成经验!因此,必须强调“结构计算的核心作用,是结构计算是工程安全可靠的核心,也是结构学科的核心”。
    计算的确定性,延伸下来自然就是“结构计算的正确解、精确解存在吗?”。三段论给出了肯定的回答。结构电算技术几十年来一直在发展,准确性大幅度提高。JG软件本身的很多算法,也是这一过程的组成部分。
    再延伸的问题是“怎样判断计算准确性?”。结构计算有其自身特点,试验、传统有限元算例都有其局限性。三段论提出几种验证方法:闭合解、渐变性趋势性判断、多模型校核。
    倡导发展“计算结构力学”学科。基于变分原理和插值形函数的有限元单元,本身精度有限,需要细分而才能逼近精确解。这类机制适合单个形体的分析,例如一个机械零件、一个结构梁柱节点。而工程结构的特点是单个构件简单、构件数量庞大,一般细分将导致额外的局部变形、反而降低计算精度,更精密细分导致无法接受的计算量。
    结构的特点需要更高精度计算单元,需要更专门算法。除单元外,还需解决实际工程中的综合性问题,例如特殊结构中的节点,墙-梁连接节点,线与面、面与体单元衔接,单元内部的非线性问题,特殊模型参数,等等。这些对于传统有限元方法而言都属于无解的“难题”,需要专门的研究探索。在这方面,JG软件已经进行了积极且有成效的探索。例如,预应力的“等效荷载法”,JG板式楼盖“附加梁”模型,JG水浮力计算的“负弹簧”模型。JG首创弹塑性计算中的瞬时裂缝计算,更是有限元、解析法及其他数值方法的集成综合。

2、多高层结构计算与优化,墙元问题
   自墙元大量应用于结构工程计算的二十多年来,墙元计算精度问题一直存在。典型的问题,墙元连梁计算模型的差异,导致计算结果的可条件、不确定性。为了弥补墙元性能不足而采用的罚单元,作为一种纯粹的数值方法,缺乏物理基础,导致工程应用成系列的不合理现象的存在。
   墙元计算精度,最直接的结果是:多高层结构的计算普遍偏柔、墙量普遍偏多。这个问题数十年来一直存在,且作为隐形问题、没有被充分认识。
   报告剖析了具体的工程实例,并且列出数十个实际工程的统计结果。也展示了JG软件在这方面所做的工作、国内外软件对照结果。

3、板式楼盖安全性、可靠性、经济性,大跨度楼盖的关键点
    我国近5年来频繁发生的板式楼盖垮塌事故,造成严重的社会影响。报告分析了几个板式楼盖工程的设计校核,显示现有设计方法、结构计算存在的关键部位——柱帽顶筋,配筋严重不足,只有1/2~1/3。一针见血地指出,这些配筋不足,是导致频繁垮塌的直接原因!
    报告简略介绍了板式楼盖“受力岛”理论的一些概念。指出板式楼盖的计算、设计要体现板式楼盖的受力特点,关键部位配筋必须满足。强调指出,在合理设计的情况下,板式楼盖的安全度,大于梁式楼盖。具有显著的技术和经济优势。希望从工程事故中接受正确的教训,促进先进技术的传播和接受,而不是相反。
    报告简略介绍空心板楼盖在大跨度结构、超高层结构中的不可替代的技术优势,并简述设计要点。

4、基础协同与上部刚度凝聚的异同,水浮力计算问题
   介绍基础协同计算、设计的技术要点,指出与上部刚度凝聚的异同。简述水浮力计算存在问题,JG软件水浮力“负弹簧”模型原理,结合实际工程介绍了与传统方法的差异,及其显著的优势。
   报告强调,水浮力是多高层基础的控制因素,其计算问题多年来一直存在、未能很好解决。基础协同模式下水浮力“负弹簧”模型是目前最为有效方法。

5、大震弹塑性分析(材料非线性)的准确、可靠性,裂缝机制与塑性力学机制的理论基础
   简述大震弹塑性计算悬臂柱算例的意义,以国内外工程软件的算例结果,揭示这一当前最高端领域内成绩及存在问题。JG软件通过算例,展示了极高的计算精度,尤其在混凝土柱构件、混凝土剪力墙方面突出优势。
   报告首次论述了对混凝土非线性理论基础的分析。指出,ABAQUS等软件的混凝土损伤模型,起源于金属锻造等延性材料的分析技术,其本质是以钢材料的本构,近似模拟钢筋混凝土的本构。最显著的特征是,延性材料以剪切变形为基础的塑性流动为基本状态,而钢筋混凝土构件以裂缝开展为基本状态,是两种完全不同的力学形态。
   钢筋混凝土构件的非线性性能,不同于钢材料,也不同于纯粹混凝土,不是两者性能简单叠加。钢筋混凝土的非线性性能具有其自身的特点,核心就是裂缝,以及两者直接相互作用的粘结滑移。 而目前阶段,结构大震弹塑性分析,基本就没有涉及到任何裂缝的因素,仍然处于非常初级的阶段。
   引起广泛关注的钢筋混凝土梁柱、墙的剪切非线性问题,应该延续微桁架模型——试验证明有效,规范用于极限承载力计算——而不是简单沿用延性材料的基于塑性流动认识的剪切变形。
   JG软件国内外首次,实现了在大震弹塑性计算过程中瞬时裂缝的计算、模拟,同时实现弯曲正裂缝、剪切斜裂缝的计算。在剪切斜裂缝基础上考虑钢筋混凝土构件的非线性性能,是符合钢筋混凝土构件的本质,是必然趋势。

 



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