有关建立STAAD模型的一些观点探讨

有关建立STAAD模型的一些观点探讨在进行结构设计时，首先需不计及局部而掌握结构总体的响应。这意味着此时的研究对象已不是实际的结构，而是已将结构特性简化了的“模型”。该模型必须是可以根据其响应去推得实际结构响应的模型，否则便无意义。因此如何对结构模型化就成了结构设计的一个要点。建模的策略和手段是直接又建模的目的决定的。为了进行设计而进行的建模活动是有其特殊性的，需要设计者处处考虑成本和效率，在方便和精度上取得一个折中。下面我们就如何使用STAAD建模做一讨论。1.用于静力分析的模型。1）平面模型还是空间模型？这是设计者遇到的第一个问题。忽视特定的条件和目的，不加分析的将所有的模型都建成空间形式，并且认为只有这样才能体现空间作用，这是很多设计者趋势。实际上很多时候空间模型并不见得先进。因为所谓的空间作用与模型荷载的加载方式有关，形式上是空间结构的模型不一定能体现空间作用。以最常见的厂房骨架为例，当仅少数框架承受荷载时（如吊车荷载）才考虑骨架的空间作用，而对风荷载、恒载，或温度作用等作用于所有框架上的荷载，一般均不考虑空间作用。很显然，图示的厂房虽然作成了空间结构，但相比平面模型计算出来的力和变形的差别都不会太大。从这里也可以理解为什么手算的计算简图中多取为平面的简图。.2）杆元还是板壳单元。和大多数设计者的想法相反，很多时候，杆元相对板壳单元对设计者更加有用，更出乎意料的一点是板壳单元不一定更精确。这里引用一下WILSON教授的观点“Moststructuralengineershavetheimpressionthattwo-andthree-dimensionalfiniteelementsareverysophisticatedandaccuratecomparedtotheone-dimensionalframeelement.Aftermorethanfortyyearsofresearchinthedevelopmentofpracticalstructuralanalysisprograms,itismyopinionthatthenon-prismaticframeelement,usedinanarbitrarylocationinthreedimensionalspace,isdefinitelythemostcomplexandusefulelementcomparedtoallothertypesoffiniteelements.”。我们在STAAD中建模时可以吸取上述思想，用杆元作出一些非常规的似乎只能用板壳或实体单元才能完成的模型。一个典型的例子是仅仅只使用杆元和STAAD的主从节点构造出任意的格构式组合断面。根据经典的弹性理论，杆件弯曲时其横截面上各点的变形满足所谓平截面假定；另一方面，当杆件绕杆轴扭转时，横截面上各点满足所谓刚周边假定，即虽然横截面上各点有翘曲变形，但其水平投影形状仍然保持不变。使用STAAD的主从节点的RIGID从属关系可以同时表达这两种情况，强制组合截面的柱肢和缀条的变形满足这两个条件，使其象一根杆件那样共同工作，使用这种方法设计者可以根据自己的需要灵活的定义出任意的组合断面。这样的建模方式对设计者有什么意义呢?首先杆元的模型相对板壳单元的大为简化；其次杆系作成的模型更方便直接使用相关规范进行构件验算，例如缀条组合柱设计者可以直接对柱肢和缀条进行规范检验，现行的GB50017要求按缀条的实际内力对其进行验算。再者设计者面对的是自己熟悉的杆件内力拉、压、弯、剪、扭，比起面对应力来要直观得多，更容易作出工程判断。如下是一个用STAAD作出的组和柱例子：3）计算的平方定律。很多时候设计者面对复杂系统时都会凭经验或者本能构造出其简化的分析模型，或者将一个大的系统分解为一些线性相关的规模小一些的系统。按照系统论的观点，除非能够采用某些简化手段，否则计算量将以问题规模增长量的平方倍数增长，这就是计算的平方定律。我们可以改造为建模的平方定律：设计者建模耗费的精力和时间同模型规模的平方成正比。一个明显的例子：很少有设计者试图在厂房骨架的模型中添加檩条、墙梁、隅撑等，除了这些构件不在同一功能层次上会造成逻辑上的混乱外，模型的规模带来的计算量的猛增也是一个关键。从这一角度出发，在通常的框架模型中，两端铰接的次梁如果只传递竖向荷载的话，将其和主框架建在同一模型中是很不明智的。4）从整体到局部来把握模型。这是林同言教授推荐的结构设计思路，该方法能最大的发挥结构工程师的创造性。他在《结构概念和体系》中说：“一个设计方案的总体构思应当对细部设计提出要求，而不是相反。因此，构件是最基本的，但是整体空间形式和分体系相互关系的终合概念化，才能决定怎样设计和什么时候去处理构件设计问题。”从整体出发考虑问题的思路能权衡利弊，发现一些隐蔽的矛盾。在建模时只见树木，不见森林往往会带来问题。例如下图所示的桁架天桥的STAAD模型，从整体上考虑它是一箱型断面的简支梁，设计者通常的想法是将两侧腹杆与弦杆的连接定义为铰接，但这样带来的一个问题是在侧向荷载作用下结构接近于一机构，变形很大。如果设计者能从整体出发考虑问题，就能敏感的意识到箱型断面需靠杆件的刚结来防止截面畸变，就能在建模时将该处的构造做为一重点考虑。另一方面，为了能正确的考虑下弦所在平面的的刚度，通常的做法是用SHELL单元模拟现浇的混凝土板。但是在这个特殊的模型中会产生另外一种偏差，即在竖向荷载的作用下本应由下弦承担的轴力相当一部分转移给了板，因为弹性板具有相当的面内刚度。一个直接的后果就是下弦杆的轴力偏小很多。如果不把混凝土板模拟出来的话侧向刚度似乎又不对，陷入矛盾中。有经验的工程使用的一种方法是使用交叉只拉撑来模拟板的面内刚度，板的荷载直接导入到梁上。因为SHELL单元还不能模拟混凝土的材料非线性，也许以后会出现能考虑的分析手段。5）杆件连接与边界条件的选取应合乎实际情况。一般来说，设计者都知道应按实际条件来简化结构的约束条件，但一碰到具体的问题就往往重视不够。例如一个经常出现的隐蔽错误是简支桁架的一端没有定义滑动支座，导致下弦杆内力变号。如下图所示的两个桁架模型，在不同的支座条件下（一个两端都铰支，一个一端为滑动支座）的内力的差异非常大。凭常识都能意识到两端都铰支实际很难出现，及有可能是错的。另外，对桁架、塔架、网架这类体系，杆件的刚结与否对结构的内力和变形影响很小，很多时候设计者大可不必去定义约束释放或者指定桁架构件。如果需要定义时，因注意杆端的约束释放与桁架构件的指定不能使结构变成可变体系。6）异型构件的建模的特殊方式。对于工业厂房中常用的特殊实腹式焊接柱以及锅炉行业中常用的特殊组合箱形截面，可以使用STAAD的用户自定义截面来模拟。例如可以用WIDEFLANGE来模拟双槽钢或双工字钢等类H断面，用TUBE来模拟双槽钢或双工字钢组合而成的类箱型断面。例如如果用户需要设计箱型柱，可按TUB截面尺寸输入箱型断面的高与宽，但是把AX，IX，IY，IZ改成实际的箱型断面的数据。如下图所示。用户可将常用组合截面做成外部库在需要是随时引用。2.用于动力分析的模型。为了考察地震时结构物的响应，可进一步简化使用杆状结构上附加质点的的模型。此时，实际结构与模型之间存在的对应关系有：质量、周期、阻尼以及承载力。所谓模型并非仅以简化为目的，而应具有可根据模型来推测实物性质的明确目标并且容易进行分析。质量的模拟是关键。在STAAD中结构的质量以节点荷载或构件荷载的形式来表达，现在的版本也支持将楼面荷载自动转化为质量。1）多高层建筑建模。在多高层建筑中，正确的模拟楼面的刚度和质量是很重要的。直接使用板壳单元来模拟楼面会造成模型过于庞大。为有效的减少质量自由度，提高求解的效率，可以使用STAAD的主从节点的ZX从属来模拟平面内无限刚的楼面。此时楼面的质量集中在主节点上，可以定义楼面平动质量和转动惯量。如下图是一个使用该方式建模的一个例子：2）特殊的工业构筑物。对于一些特殊的承载大型设备的工业结构，当设备的质量与刚度远大于结构本身时，如何合理的模拟出设备的力学行为对结构计算的结果有决定性的影响。一个思路是使用主从节点的RIGID从属关系模拟出刚体设备，刚体的平动质量和绕三个轴的转动惯量可定义到主节点上，主节点的位置即为刚体的质心。使用这种方式能较好的模拟石化中的大型设备或锅炉行业中的悬吊式锅炉等。3.建立结构的几何模型的一些基本操作途径。掌握了建模的策略，实际使用时用户还需了解一些建模的手段。这部分属于操作的内容，故不做详细的介绍了。1）使用STAAD本身的栅格系统，利用结构本身的对称性尽量多使用编辑命令如复制、阵列、镜像等建模。一个模型是被编辑出来的，而不是被一笔一笔硬画出来的。这是一种简单又实用的方法，能适用于绝大多数的结构模型，并且能最大限度的避免几何建模错误。2）可以直接从STAAD中导入其它程序生成的DXF文件。3）使用结构向导利用模板直接生成模型。用户可在某中程度上将自己常用的模型定义为模板，进行参数话建模。如下图示：4）利用第三方程序例如EXCEL生成节点和构件关联数据，然后可以直接读入该数据生成模型。该方法特别适合建立曲线型模型。5）利用STAAD的柱面坐标系统或逆柱面坐标系统直接编辑输入文件生成模型。只要用户能生成符合STAAD输入格式要求的文本文件，都可以直接建立模型。4.检查模型错误的基本思路。用户只有能够迅速的检查错误并且修改时，才算真正的掌握了STAAD的使用。1）避免几何模型错误。所谓几何建模错误是指模型中有重复构件、节点或搭接构件或多重结构等。用户应首先保证不出现此类问题。当使用第三方软件产生DXF文件导入到STAAD中生成模型时，应特别注意检查此类问题。几何建模错误往往会导致不可预料的结果且非常隐蔽，故设计者应随时警惕。2）使用测试荷载工况。如果设计者着手一个几何上非常复杂的模型时，可以在建模的任意阶段建立一简单的荷载工况，通过运行一次分析来测试结构的性能例如是否稳定以及是否漏定义某些关键的量。一般来说，越是在早期阶段越容易修改，同时也越容易发现问题。如果一个设计者花了一个星期的时间构造了一个构件数上千工况上百的模型，但是最后发现分析不能成功进行。对一些初级用户来说找错的过程是一个梦魇，能在一开始避免是上上策。3）模型最小化查错方法。检查电脑硬件的故障的一个实用方法叫做最小系统法，即用最基本的设备点亮系统然后在此基础上判断外设是否有故障。针对任何复杂系统的故障检查都可以使用该思路，检查STAAD的模型错误也不例外。这样的操作通常需要通过STAAD的命令编辑器编辑其输入文件。STAAD的特点就是有一个完全定义模型的纯文本文件（后缀名为STD）。设计者可将该文件中所有“多余”的命令都改成注释，只保留最基本的例如截面、支座、荷载等进行分析。如果分析能够进行，说明错误出在被注释的命令中。这时用户可以一部分一部分的加上相应的命令并执行分析来测试问题的位置所在。找到出现问题的语句位置后，修改就很容易了。4）总是利用力学概念与常识来进行校核。复杂的模型总是很难一帆风顺的建模成功的，中间总是会出现这样那样的问题。在实际的设计过程中，因为条件的不断变化，设计者也需要随时对模型进行不断的调整，要基于变化建模。在计算软件几乎包办一切的今天，设计者最重要的任务就是对结果进行独立校核。ZMKIN教授的观点：“Professionalstructuralengineersmustemphasizeprinciples,fundamentals,modelingtechniquesforhandsolutions,howtorecognizeerrorsincomputation,alternativewaysofcreatingsolutionstostructuralengineeringproblems,validatingcomputerproducedresults,respectandfearofcomputers,skepticismofcomput