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佳構公司參加“第十六屆高層建筑抗震技術交流會”

日期:2018/5/24

   “第十六屆高層建筑抗震技術交流會”2017年10月25-28日在合肥市舉辦,佳構公司謝靖中博士參加會議,并作大會報告《建筑結構計算精度、可靠性及設計優化》。報告匯集了謝博士多年思索探究、以及JG-STRAT軟件近幾年的研發成果,提出一些重要觀點。

1、首次提出建筑結構學科“三段論”的論述。
    概率論工程學科的基本概念,被普遍接受。但是,近年來,往往概率論的范圍被擴大了。經常有說法“工程問題沒有精確解”,“材料強度、荷載都是近似的,精確計算沒有意義的”,“算這么精確有什么用嗎?工地現場非常復雜,荷載亂堆”,等等——將概率論脫變成不可知論。
    結構工程問題,可分為三個部分。1)確定材料荷載;2)結構計算;3)工程實施(設計與施工)和工程使用(正常使用,風/震異常災害),前后兩部分適用概率論,中間結構計算不適用概率論——對于給定結構和荷載計算結果是確定的。
    大家熟悉的工程參數,如結構位移、內力、支座反力,地基反力、沉降,周期、反應譜內力、時程計算結果、配筋面積、強度穩定應力等,都不適用概率論。
    計算的確定性,使得計算過程中存在偏差,都是系統誤差,其危害大于概率的隨機誤差。由于技術發展的限制,現階段由于結構計算造成的偏差,可以達到20~50%,甚至更高,已經遠超基于概率的可靠度的包絡范圍。并且長期存在、數十年存在,甚至在有偏差結果的基礎上形成經驗!因此,必須強調“結構計算的核心作用,是結構計算是工程安全可靠的核心,也是結構學科的核心”。
    計算的確定性,延伸下來自然就是“結構計算的正確解、精確解存在嗎?”。三段論給出了肯定的回答。結構電算技術幾十年來一直在發展,準確性大幅度提高。JG軟件本身的很多算法,也是這一過程的組成部分。
    再延伸的問題是“怎樣判斷計算準確性?”。結構計算有其自身特點,試驗、傳統有限元算例都有其局限性。三段論提出幾種驗證方法:閉合解、漸變性趨勢性判斷、多模型校核。
    倡導發展“計算結構力學”學科。基于變分原理和插值形函數的有限元單元,本身精度有限,需要細分而才能逼近精確解。這類機制適合單個形體的分析,例如一個機械零件、一個結構梁柱節點。而工程結構的特點是單個構件簡單、構件數量龐大,一般細分將導致額外的局部變形、反而降低計算精度,更精密細分導致無法接受的計算量。
    結構的特點需要更高精度計算單元,需要更專門算法。除單元外,還需解決實際工程中的綜合性問題,例如特殊結構中的節點,墻-梁連接節點,線與面、面與體單元銜接,單元內部的非線性問題,特殊模型參數,等等。這些對于傳統有限元方法而言都屬于無解的“難題”,需要專門的研究探索。在這方面,JG軟件已經進行了積極且有成效的探索。例如,預應力的“等效荷載法”,JG板式樓蓋“附加梁”模型,JG水浮力計算的“負彈簧”模型。JG首創彈塑性計算中的瞬時裂縫計算,更是有限元、解析法及其他數值方法的集成綜合。

2、多高層結構計算與優化,墻元問題
   自墻元大量應用于結構工程計算的二十多年來,墻元計算精度問題一直存在。典型的問題,墻元連梁計算模型的差異,導致計算結果的可條件、不確定性。為了彌補墻元性能不足而采用的罰單元,作為一種純粹的數值方法,缺乏物理基礎,導致工程應用成系列的不合理現象的存在。
   墻元計算精度,最直接的結果是:多高層結構的計算普遍偏柔、墻量普遍偏多。這個問題數十年來一直存在,且作為隱形問題、沒有被充分認識。
   報告剖析了具體的工程實例,并且列出數十個實際工程的統計結果。也展示了JG軟件在這方面所做的工作、國內外軟件對照結果。

3、板式樓蓋安全性、可靠性、經濟性,大跨度樓蓋的關鍵點
    我國近5年來頻繁發生的板式樓蓋垮塌事故,造成嚴重的社會影響。報告分析了幾個板式樓蓋工程的設計校核,顯示現有設計方法、結構計算存在的關鍵部位——柱帽頂筋,配筋嚴重不足,只有1/2~1/3。一針見血地指出,這些配筋不足,是導致頻繁垮塌的直接原因!
    報告簡略介紹了板式樓蓋“受力島”理論的一些概念。指出板式樓蓋的計算、設計要體現板式樓蓋的受力特點,關鍵部位配筋必須滿足。強調指出,在合理設計的情況下,板式樓蓋的安全度,大于梁式樓蓋。具有顯著的技術和經濟優勢。希望從工程事故中接受正確的教訓,促進先進技術的傳播和接受,而不是相反。
    報告簡略介紹空心板樓蓋在大跨度結構、超高層結構中的不可替代的技術優勢,并簡述設計要點。

4、基礎協同與上部剛度凝聚的異同,水浮力計算問題
   介紹基礎協同計算、設計的技術要點,指出與上部剛度凝聚的異同。簡述水浮力計算存在問題,JG軟件水浮力“負彈簧”模型原理,結合實際工程介紹了與傳統方法的差異,及其顯著的優勢。
   報告強調,水浮力是多高層基礎的控制因素,其計算問題多年來一直存在、未能很好解決。基礎協同模式下水浮力“負彈簧”模型是目前最為有效方法。

5、大震彈塑性分析(材料非線性)的準確、可靠性,裂縫機制與塑性力學機制的理論基礎
   簡述大震彈塑性計算懸臂柱算例的意義,以國內外工程軟件的算例結果,揭示這一當前最高端領域內成績及存在問題。JG軟件通過算例,展示了極高的計算精度,尤其在混凝土柱構件、混凝土剪力墻方面突出優勢。
   報告首次論述了對混凝土非線性理論基礎的分析。指出,ABAQUS等軟件的混凝土損傷模型,起源于金屬鍛造等延性材料的分析技術,其本質是以鋼材料的本構,近似模擬鋼筋混凝土的本構。最顯著的特征是,延性材料以剪切變形為基礎的塑性流動為基本狀態,而鋼筋混凝土構件以裂縫開展為基本狀態,是兩種完全不同的力學形態。
   鋼筋混凝土構件的非線性性能,不同于鋼材料,也不同于純粹混凝土,不是兩者性能簡單疊加。鋼筋混凝土的非線性性能具有其自身的特點,核心就是裂縫,以及兩者直接相互作用的粘結滑移。 而目前階段,結構大震彈塑性分析,基本就沒有涉及到任何裂縫的因素,仍然處于非常初級的階段。
   引起廣泛關注的鋼筋混凝土梁柱、墻的剪切非線性問題,應該延續微桁架模型——試驗證明有效,規范用于極限承載力計算——而不是簡單沿用延性材料的基于塑性流動認識的剪切變形。
   JG軟件國內外首次,實現了在大震彈塑性計算過程中瞬時裂縫的計算、模擬,同時實現彎曲正裂縫、剪切斜裂縫的計算。在剪切斜裂縫基礎上考慮鋼筋混凝土構件的非線性性能,是符合鋼筋混凝土構件的本質,是必然趨勢。

 



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