有關(guān)建立STAAD模型的一些觀點(diǎn)探討

1、有關(guān)建立STAAD模型的一些觀點(diǎn)探討在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需不計(jì)及局部而掌握結(jié)構(gòu)總體的響應(yīng)。這意味著此 時(shí)的研究對象已不是實(shí)際的結(jié)構(gòu)，而是已將結(jié)構(gòu)特性簡化了的“模型”。該模型 必須是可以根據(jù)其響應(yīng)去推得實(shí)際結(jié)構(gòu)響應(yīng)的模型，否則便無意義。因此如何對 結(jié)構(gòu)模型化就成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)要點(diǎn)。建模的策略和手段是直接又建模的目的 決定的。為了進(jìn)行設(shè)計(jì)而進(jìn)行的建?；顒邮怯衅涮厥庑缘模枰O(shè)計(jì)者處處考慮 成本和效率，在方便和精度上取得一個(gè)折中。下面我們就如何使用STAAD建模 做一討論。1.用于靜力分析的模型。1）平面模型還是空間模型？這是設(shè)計(jì)者遇到的第一個(gè)問題。忽視特定的條件和目的，不加分析的將所有的模型都

2、建成空間形式，并 且認(rèn)為只有這樣才能體現(xiàn)空間作用，這是很多設(shè)計(jì)者趨勢。實(shí)際 上很多時(shí)候空間模型并不見得先進(jìn)。因?yàn)樗^的空間作用與模型 荷載的加載方式有關(guān)，形式上是空間結(jié)構(gòu)的模型不一定能體現(xiàn)空 間作用。以最常見的廠房骨架為例，當(dāng)僅少數(shù)框架承受荷載時(shí)（如 吊車荷載）才考慮骨架的空間作用，而對風(fēng)荷載、恒載，或溫度 作用等作用于所有框架上的荷載，一般均不考慮空間作用。很顯 然，圖示的廠房雖然作成了空間結(jié)構(gòu)，但相比平面模型計(jì)算出來 的力和變形的差別都不會太大。從這里也可以理解為什么手算的 計(jì)算簡圖中多取為平面的簡圖。.桿元還是板殼單元。和大多數(shù)設(shè)計(jì)者的想法相反，很多時(shí)候，桿元相對板殼單元對設(shè)計(jì)者更加有用

3、，更出乎意料的一點(diǎn)是板殼單 元不一定更精確。這里引用一下 WILSON教授的觀點(diǎn)“ Most structural engineers have the impression that two- and three-dimensional finite elements are very sophisticated and accurate compared to the one-dimensional frame element. After more than forty years of research in the development of practical structura

4、l analysis programs, it is my opinion that the non-prismatic frame element, used in an arbitrary location in three dimensional space, is definitely the most complex and useful element compared to all other types of finite elements.”。我們在 STAAD 中建模時(shí)可以吸取上述思想，用桿元作出一些非常規(guī)的似乎只能用板殼或 實(shí)體單元才能完成的模型。一個(gè)典型的例子是僅僅只使

5、用桿元和 STAAD的主從節(jié)點(diǎn)構(gòu)造出任意的格構(gòu)式組合斷面。根據(jù)經(jīng)典的 彈性理論，桿件彎曲時(shí)其橫截面上各點(diǎn)的變形滿足所謂平截面假 定；另一方面，當(dāng)桿件繞桿軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，橫截面上各點(diǎn)滿足所謂剛 周邊假定，即雖然橫截面上各點(diǎn)有翹曲變形，但其水平投影形狀 仍然保持不變。使用STAAD的主從節(jié)點(diǎn)的RIGID從屬關(guān)系可以同時(shí)表達(dá)這兩種情況，強(qiáng)制組合截面的柱肢和綴條的變形滿足這 兩個(gè)條件，使其象一根桿件那樣共同工作，使用這種方法設(shè)計(jì)者 可以根據(jù)自己的需要靈活的定義出任意的組合斷面。這樣的建模 方式對設(shè)計(jì)者有什么意義呢？首先桿元的模型相對板殼單元的大 為簡化；其次桿系作成的模型更方便直接使用相關(guān)規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件 驗(yàn)算

6、，例如綴條組合柱設(shè)計(jì)者可以直接對柱肢和綴條進(jìn)行規(guī)范檢 驗(yàn)，現(xiàn)行的GB50017要求按綴條的實(shí)際內(nèi)力對其進(jìn)行驗(yàn)算。再 者設(shè)計(jì)者面對的是自己熟悉的桿件內(nèi)力拉、壓、彎、剪、扭，比 起面對應(yīng)力來要直觀得多，更容易作出工程判斷。如下是一個(gè)用 STAAD作出的組和柱例子：k田；：口盆理瞬曷檔I咯喙芝圓以|!妻贏舍卻卸即創(chuàng)卸隹k田；：口盆理瞬曷檔I咯喙芝圓以|!妻贏舍卻卸即創(chuàng)卸隹1&令9中中邑邑株|ini |曲既欠已很敵收回|萍q心|i：wl 5I/i仁卉野口耕+幻眨1踏:擊t*晝雄跪SB少螳罪*麻耳淘筍 %a囹ri：國痛i.std - 個(gè)結(jié)構(gòu)13回區(qū)整個(gè)結(jié)構(gòu)文件。編輯查看但）工具也）選擇結(jié)果報(bào)告狀態(tài)（M）

7、笛口幫助CH）匚）回區(qū)STAAP/CHINA 2004 中文版 - Strjicturel. stdF 開始 訪 凌 0 國建筑結(jié)構(gòu)的稿.母在STAAT中建模.結(jié)構(gòu)方法論程 Adole Acrobat. . . STAAII/CHI1IA 2. 氣度U：5Z鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)I混厥主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)I組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)I橋面板后姓理模式Load 1 : WLCH 副3）計(jì)算的平方定律。很多時(shí)候設(shè)計(jì)者面對復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)都會憑經(jīng)驗(yàn)或 者本能構(gòu)造出其簡化的分析模型，或者將一個(gè)大的系統(tǒng)分解為一 些線性相關(guān)的規(guī)模小一些的系統(tǒng)。按照系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，除非能夠 采用某些簡化手段，否則計(jì)算量將以問題規(guī)模增長量的平方倍數(shù) 增長，這就是計(jì)算的

8、平方定律。我們可以改造為建模的平方定律: 設(shè)計(jì)者建模耗費(fèi)的精力和時(shí)間同模型規(guī)模的平方成正比。一個(gè)明 顯的例子：很少有設(shè)計(jì)者試圖在廠房骨架的模型中添加檁條、墻 梁、隅撐等，除了這些構(gòu)件不在同一功能層次上會造成邏輯上的 混亂外，模型的規(guī)模帶來的計(jì)算量的猛增也是一個(gè)關(guān)鍵。從這一 角度出發(fā)，在通常的框架模型中，兩端鉸接的次梁如果只傳遞豎 向荷載的話，將其和主框架建在同一模型中是很不明智的。從整體到局部來把握模型。這是林同言教授推薦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，該方法能最大的發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造性。他在結(jié)構(gòu)概念 和體系中說：“一個(gè)設(shè)計(jì)方案的總體構(gòu)思應(yīng)當(dāng)對細(xì)部設(shè)計(jì)提出 要求，而不是相反。因此，構(gòu)件是最基本的，但是整體空

9、間形式 和分體系相互關(guān)系的終合概念化，才能決定怎樣設(shè)計(jì)和什么時(shí)候 去處理構(gòu)件設(shè)計(jì)問題?！睆恼w出發(fā)考慮問題的思路能權(quán)衡利弊， 發(fā)現(xiàn)一些隱蔽的矛盾。在建模時(shí)只見樹木，不見森林往往會帶來 問題。例如下圖所示的桁架天橋的STAAD模型，從整體上考慮 它是一箱型斷面的簡支梁，設(shè)計(jì)者通常的想法是將兩側(cè)腹桿與弦 桿的連接定義為鉸接，但這樣帶來的一個(gè)問題是在側(cè)向荷載作用 下結(jié)構(gòu)接近于一機(jī)構(gòu)，變形很大。如果設(shè)計(jì)者能從整體出發(fā)考慮 問題，就能敏感的意識到箱型斷面需靠桿件的剛結(jié)來防止截面畸 變，就能在建模時(shí)將該處的構(gòu)造做為一重點(diǎn)考慮。另一方面，為 了能正確的考慮下弦所在平面的的剛度，通常的做法是用SHELL 單元

10、模擬現(xiàn)澆的混凝土板。但是在這個(gè)特殊的模型中會產(chǎn)生另外 一種偏差，即在豎向荷載的作用下本應(yīng)由下弦承擔(dān)的軸力相當(dāng)一 部分轉(zhuǎn)移給了板，因?yàn)閺椥园寰哂邢喈?dāng)?shù)拿鎯?nèi)剛度。一個(gè)直接的 后果就是下弦桿的軸力偏小很多。如果不把混凝土板模擬出來的 話側(cè)向剛度似乎又不對，陷入矛盾中。有經(jīng)驗(yàn)的工程使用的一種 方法是使用交叉只拉撐來模擬板的面內(nèi)剛度，板的荷載直接導(dǎo)入 到梁上。因?yàn)镾HELL單元還不能模擬混凝土的材料非線性，也 許以后會出現(xiàn)能考慮的分析手段。5)5)Load I Axial Force6)異型構(gòu)件的建模的特殊方式。對于工業(yè)廠房中常用的特殊實(shí)腹式焊接柱以及鍋爐行業(yè)中常用的特殊組合箱形截面，可以使用 STAA

11、D的用戶自定義截面來模擬。例如可以用WIDE FLANGE 來模擬雙槽鋼或雙工字鋼等類H斷面，用TUBE來模擬雙槽鋼 或雙工字鋼組合而成的類箱型斷面。例如如果用戶需要設(shè)計(jì)箱型 柱，可按TUB截面尺寸輸入箱型斷面的高與寬，但是把AX，IX， IY，IZ改成實(shí)際的箱型斷面的數(shù)據(jù)。如下圖所示。用戶可將常用 組合截面做成外部庫在需要是隨時(shí)引用。用于動力分析的模型。為了考察地震時(shí)結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)，可進(jìn)一步簡化使 用桿狀結(jié)構(gòu)上附加質(zhì)點(diǎn)的的模型。此時(shí)，實(shí)際結(jié)構(gòu)與模型之間存在的對 應(yīng)關(guān)系有：質(zhì)量、周期、阻尼以及承載力。所謂模型并非僅以簡化為目 的，而應(yīng)具有可根據(jù)模型來推測實(shí)物性質(zhì)的明確目標(biāo)并且容易進(jìn)行分 析。質(zhì)量

12、的模擬是關(guān)鍵。在STAAD中結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以節(jié)點(diǎn)荷載或構(gòu)件荷 載的形式來表達(dá)，現(xiàn)在的版本也支持將樓面荷載自動轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。多高層建筑建模。在多高層建筑中，正確的模擬樓面的剛度和質(zhì)量是很重要的。直接使用板殼單元來模擬樓面會造成模型過于龐 大。為有效的減少質(zhì)量自由度，提高求解的效率，可以使用 STAAD的主從節(jié)點(diǎn)的ZX從屬來模擬平面內(nèi)無限剛的樓面。此時(shí) 樓面的質(zhì)量集中在主節(jié)點(diǎn)上，可以定義樓面平動質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣 量。如下圖是一個(gè)使用該方式建模的一個(gè)例子：2)而處理單擊拖動當(dāng)設(shè)備的質(zhì)量與剛度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)本身時(shí)，如何合理的模擬出設(shè)備的力學(xué)行為對結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果有決定性的影響。一個(gè)思路是使用 主從節(jié)點(diǎn)的RIGID從屬

13、關(guān)系模擬出剛體設(shè)備，剛體的平動質(zhì)量和 繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動慣量可定義到主節(jié)點(diǎn)上，主節(jié)點(diǎn)的位置即為剛體 的質(zhì)心。使用這種方式能較好的模擬石化中的大型設(shè)備或鍋爐行 業(yè)中的懸吊式鍋爐等。STAAD/CHIIA 2004 中文版 - Structurel. std曰回區(qū)|2)而處理單擊拖動當(dāng)設(shè)備的質(zhì)量與剛度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)本身時(shí)，如何合理的模擬出設(shè)備的力學(xué)行為對結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果有決定性的影響。一個(gè)思路是使用 主從節(jié)點(diǎn)的RIGID從屬關(guān)系模擬出剛體設(shè)備，剛體的平動質(zhì)量和 繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動慣量可定義到主節(jié)點(diǎn)上，主節(jié)點(diǎn)的位置即為剛體 的質(zhì)心。使用這種方式能較好的模擬石化中的大型設(shè)備或鍋爐行 業(yè)中的懸吊式鍋爐等。文件但）褊輯

14、但）查看 工具d）選擇 結(jié)果 報(bào)告 狀態(tài)（M）窗口地）幫助0（）昌El畫塑言昌06， S Cl3: AUTO RESPONSE SPECTRUM刁餐外V佐露待A睡幽弱冷丁卷晦益芥每G*破 %呀1 * 子 $Mode1_叵國 n w t 建立結(jié)構(gòu)的幾何模型的一些基本操作途徑。掌握了建模的策略，實(shí)際使 用時(shí)用戶還需了解一些建模的手段。這部分屬于操作的內(nèi)容，故不做詳 細(xì)的介紹了。使用STAAD本身的柵格系統(tǒng)，利用結(jié)構(gòu)本身的對稱性盡量多使 用編輯命令如復(fù)制、陣列、鏡像等建模。一個(gè)模型是被編輯出來 的，而不是被一筆一筆硬畫出來的。這是一種簡單又實(shí)用的方法， 能適用于絕大多數(shù)的結(jié)構(gòu)模型，并且能最大限度的避

15、免幾何建模 錯(cuò)誤?？梢灾苯訌腟TAAD中導(dǎo)入其它程序生成的DXF文件。使用結(jié)構(gòu)向?qū)Ю媚０逯苯由赡Ｐ?。用戶可在某中程度上將?己常用的模型定義為模板，進(jìn)行參數(shù)話建模。如下圖示：利用第三方程序例如EXCEL生成節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，然后可 以直接讀入該數(shù)據(jù)生成模型。該方法特別適合建立曲線型模型。利用STAAD的柱面坐標(biāo)系統(tǒng)或逆柱面坐標(biāo)系統(tǒng)直接編輯輸入文 件生成模型。只要用戶能生成符合STAAD輸入格式要求的文本 文件，都可以直接建立模型。檢查模型錯(cuò)誤的基本思路。用戶只有能夠迅速的檢查錯(cuò)誤并且修改時(shí)， 才算真正的掌握了 STAAD的使用。避免幾何模型錯(cuò)誤。所謂幾何建模錯(cuò)誤是指模型中有重復(fù)構(gòu)件、 節(jié)

16、點(diǎn)或搭接構(gòu)件或多重結(jié)構(gòu)等。用戶應(yīng)首先保證不出現(xiàn)此類問 題。當(dāng)使用第三方軟件產(chǎn)生DXF文件導(dǎo)入到STAAD中生成模型 時(shí)，應(yīng)特別注意檢查此類問題。幾何建模錯(cuò)誤往往會導(dǎo)致不可預(yù) 料的結(jié)果且非常隱蔽，故設(shè)計(jì)者應(yīng)隨時(shí)警惕。使用測試荷載工況。如果設(shè)計(jì)者著手一個(gè)幾何上非常復(fù)雜的模型 時(shí)，可以在建模的任意階段建立一簡單的荷載工況，通過運(yùn)行一 次分析來測試結(jié)構(gòu)的性能例如是否穩(wěn)定以及是否漏定義某些關(guān) 鍵的量。一般來說，越是在早期階段越容易修改，同時(shí)也越容易 發(fā)現(xiàn)問題。如果一個(gè)設(shè)計(jì)者花了一個(gè)星期的時(shí)間構(gòu)造了一個(gè)構(gòu)件 數(shù)上千工況上百的模型，但是最后發(fā)現(xiàn)分析不能成功進(jìn)行。對一 些初級用戶來說找錯(cuò)的過程是一個(gè)夢魘，能在

17、一開始避免是上上 策。模型最小化查錯(cuò)方法。檢查電腦硬件的故障的一個(gè)實(shí)用方法叫做 最小系統(tǒng)法，即用最基本的設(shè)備點(diǎn)亮系統(tǒng)然后在此基礎(chǔ)上判斷外 設(shè)是否有故障。針對任何復(fù)雜系統(tǒng)的故障檢查都可以使用該思 路，檢查STAAD的模型錯(cuò)誤也不例外。這樣的操作通常需要通 過STAAD的命令編輯器編輯其輸入文件。STAAD的特點(diǎn)就是有 一個(gè)完全定義模型的純文本文件（后綴名為STD）。設(shè)計(jì)者可將 該文件中所有“多余”的命令都改成注釋，只保留最基本的例如 截面、支座、荷載等進(jìn)行分析。如果分析能夠進(jìn)行，說明錯(cuò)誤出 在被注釋的命令中。這時(shí)用戶可以一部分一部分的加上相應(yīng)的命 令并執(zhí)行分析來測試問題的位置所在。找到出現(xiàn)問題的

18、語句位置 后，修改就很容易了。4）總是利用力學(xué)概念與常識來進(jìn)行校核。復(fù)雜的模型總是很難一帆風(fēng)順的建模成功的，中間總是會出現(xiàn)這樣那樣的問題。在實(shí)際的 設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)闂l件的不斷變化，設(shè)計(jì)者也需要隨時(shí)對模型進(jìn) 行不斷的調(diào)整，要基于變化建模。在計(jì)算軟件幾乎包辦一切的今 天，設(shè)計(jì)者最重要的任務(wù)就是對結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立校核。ZMKIN教 授的觀點(diǎn)： “ Professional structural engineers must emphasize principles, fundamentals, modeling techniques for hand solutions, how to recognize errors in computation, alternative ways of creating solutions to structural engineering problems, validating computer produced results, respect and fear of computers, skepticism of computer produced results, respect for experience in engineering practice ”使用STAAD （包括其它設(shè)計(jì)軟件）建模解決工程問