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谢靖中博士首提建筑结构学科“三段论”

日期:2018/5/24

    佳构公司谢靖中博士参加2017年10月25-28日在合肥市举办“第十六届高层建筑抗震技术交流会”,并做《建筑结构计算精度、可靠性及设计优化》学术报告。在报告中,首次提出建筑结构学科“三段论”的论述。
    这是谢博士多年思索探究结果,基于对结构学科几乎全领域、大深度的洞悉理解,基于全面了解发展过程、目前状态、潜在问题和发展趋势,基于数十年第一线的工程实践(工程应用、软件研发),基于对工程界全面接触(从声誉卓著的院士、大师、教授,到主任工程师、年轻工程师,到各类积极创新的企业家)。相信随着时间的推移而被逐步接受,从而推动学科的发展进步。
    主要内容如下。

1、《报告》首先讲述了提出“三段论”的背景。
    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。大家经常的说法,“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。——概率论脱变成不可知论。

2、《报告》提出,结构工程问题,可分为三个部分:
    第1部分:确定材料荷载,——属于概率论
    第2部分:结构计算——不属于概率论
    第3部分:工程实施(设计与施工),工程使用(正常使用,风/震异常灾害)——属于概率论
    结构计算可以明确不属于概率论范畴。对于一个建筑结构,当材料确定、荷载确定,计算得到位移内力,属于力学范畴。对于给定的结构、材料、荷载,计算结果是唯一的、确定的——无论对错、误差多大。对于当前计算的主体——结构软件而言,即便性能很差,多次计算结果都相同。多次计算、反复计算,偏大或偏小总不改变,这种偏差就不是“随机”了,不满足概率论的前提条件。
    为了倡导这种观点,姑且形象地称为“三段论”。


3、《报告》概括了不属于概率论的内容:
   1) 结构位移、内力、支座反力,地基反力、沉降。
   2) 混凝土截面配筋面积,钢结构截面强度/稳定应力。
   3) 结构自振周期、振型,反应谱内力、位移。
   4) 地震波时程计算内力、位移。
   5) 其他根据给定结构、材料、荷载,通过力学计算得到的物理量。

4、《报告》提到,计算属于确定论“并不是我们的幸运”。
    计算结果无论对的、错的,都是确定的,并且会一直错下去——其危害远大于属于随机的、概率的偏差。算例表明,一些类型的结构,目前情况下计算内力、配筋的偏差,可以达到20~50%,甚至100%,远超基于概率的工程可靠度所包络的范围(施工图审查容许偏差才5%)。
    基于这种认识,《报告》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”。

5、《报告》对于普遍存在的疑问:“结构计算的正确解、精确解存在吗?”,给出了确定无疑的肯定回答——这在当前无疑是一种振聋发聩声音!
   以有限元为基础的结构电算技术,在几十年来飞速发展,计算的准确性大幅度提高。高校、研究机构众多力学专家的研究工作的目的,就是提高计算的准确性。佳构公司及JG-STRAT软件多项基础性研究成果,杆系结构的积分算子法是材料非线性问题目前最有效方法,高性能墙单元是目前国内外软件中计算精度最高的,这些成果本身就是“结构计算精确解”的组成部分。

6、《报告》回答了一个关键问题:“怎样判断计算的准确性?
   首先,工程类学科,试验验证无疑具有绝对重要的意义。但是试验只能定性,不能验证计算精度。例如结构计算精度可达99%,这是试验无法达到的。
   其次,弹性力学解解析解,只能是较为简单的特定的构件,结构层次上的计算,难有解析解。
   再次,有限元有很多经典算例。但这些算例针对单一单元、特定结构,不能验证结构工程中综合性问题。
   这些已有方法,均不能有效验证结构计算的准确性。结构计算有其自身的复杂性、特征。
 
   《报告》结合谢博士本人及JG软件的技术实践,提出验证结构计算准确性的方法。
    A、闭合解。由于结构结构的单元均可以细分。如果计算单元是精确的,细分、不细分结果相同,计算结果自我闭合。
    B、渐变性、趋势性判断。结构、荷载等条件逐渐变化,得到系列解,判断其变化趋势。
    C、多模型校核。结构计算中间较为综合性的问题,可以多种计算模型计算,确定合理范围。
    这些方法都是实践证明有效的,国内外首次提出,是结构工程学科的“方法论”相信长久之后会被逐渐接受,具有深远的意义。

7、《报告》倡导发展“计算结构力学”学科。结构计算不局限于有限元,结构工程有其特点,仅仅有限元是不够的。
    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,需要不同于“变分原理+插值形函数”的更专门算法。实际上,几何稳定方面的Oran公式基于解析方法,JG软件广泛应用的积分算子法也属于解析方法,但比经典有限元精度更高、适应性更强。
    除单个单元之外,结构计算还需实际工程中的综合性问题,例如特殊结构中的节点,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,谢博士和JG软件已经进行了积极且有成效的探索。例如,预应力计算积分算子法,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。
    在当前结构计算软件占主导地位,人们往往以为,工程力学、有限元解决了计算问题。结构学科绝对不是“只剩下试验,和对计算结果修修补补的调整系数”,不应抛弃力学计算核心,而需发展适应工程结构特点的力学计算。

 



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