STAADCHINA 中的概念建模

STAAD/CHINA中的概念建模李晓峰 刘贺宁 薛永成 孙立夫 林润松

（阿依艾工程软件（大连）有限公司 大连 116023）

林同炎教授在《结构概念和体系》[1]中推荐一种从总体系列分体系的设计方法，部分（分体系）存在的唯一理由是保证各部分能形成一个有机的整体（总体系）。文[1]指出：该方法不仅可对任意宏观的建筑结构进行分析，也可对任意的分体系或单独的构件进行整体考察。笔者认为这种思维方法是一个结构设计者最有力的思想武器，故下面从STAAD 建模的角度加以分析。

1 平截面、刚周边与抗弯、抗扭整体性

材料力学中推导有关直梁纯弯曲理论时，假定梁横截面在梁弯曲后仍保持为平面。该假定以及由该假定所推导的结果已为实验所验证。据此可以推测平截面变形协调是一个抗弯结构系统是否具有抗弯整体性的判定标准。任何满足该条件的抗弯结构系统，其纵向受力构件的正应变与该构件距“整体中和轴”的距离成正比；纵向受力构件的正应变满足该条件的近似程度可以用来判断结构是否具有充分的抗弯整体性。

在弹性力学中对实体杆件纯扭转的分析引用了刚周边假定。认为构件受扭后，通常原来的横截面不再保持为平面，而是发生翘曲变形。由实验结果可知，发生翘曲变形后的曲面在原来的横截面位置的投影形状保持不变。引用该几何协调条件后，构件受扭分析的数学推导大为简化。刚周边变形条件可以看成是受扭结构系统是否具有抗扭整体性的判定标准。受扭系统满足该条件的近似程度可以用来判断其是否具有足够的抗扭整体性。

材料力学中将杆件看作是由某些纵向受力纤维构成的，则平截面约束了纤维在纵向的变形从而能整体抗弯；刚周边约束了纤维在横向的变形从而能整体抗扭。如果某个结构系统在空间整体弯曲和扭转时能分别保证概念上的平截面和刚周边变形条件，则可判断结构具有整体性，结构就可以简化为抽象的杆件进行分析，格构式缀条柱和缀板柱就是一例子。更重要的是，在工程设计中能根据这个概念主动地创造某些构造形式来保证结构的整体性，这才是真正意义上的设计活动。相比较之下，一些设计方式在假定结构形式时具有一定的盲目性，称为验算更合适。

2 抗剪体系与刚性横隔

几何上的约束必然带来物理上对力的传递要求：纵向纤维的平截面约束需要纤维之间具有能有效传递剪力的抗剪体系；刚周边约束需要刚性横隔系统有效地约束纵向纤维的扭转。可以这么认为：纵向的抗剪体系是确保实现整体平截面变形协调的关键；刚隔片系统是实现刚周边的关键。横向刚隔片和纵向抗剪系统是一个整体的两个部分，仅设置刚性隔片而没有纵向抗剪体系的话，结构几乎没有扭转刚度，不能抗扭；只有纵向抗剪体系而没有刚隔片，则结构的稳定性无法保证，也无法抗弯。

在STAAD中建模时，可通过下列方式实现纵向抗剪体系：1）设置支撑系统；2）设置连续的板带；3）设置刚接框架系统；4）通过构件偏心或主从节点命令强制绑定。方式1, 2在很多情况下是可以等效互换的。方式3只在某些特殊情形下采用（建筑或工艺等条件不允许时，因为其相对于方式1, 2往往是低效的）。方式4实际是通过直接强制满足变形条件来达到目的。相对于实现平截面约束的抗剪系统，刚周边约束的物理实现比较好理解。隔片可以是钢板、平面桁架或刚接框架等任何具有足够面内刚度的平面分体系（薄腹板梁的横向加劲肋就是一个最普通的刚性隔片例子）。对通常的热轧钢构件来说，刚周边假定是隐含满足的。而对冷弯型材，因为壁太薄就不一定满足刚周边假定，所以才会有畸变屈曲的失稳形式。对空间整体的结构系统来说，刚隔片约束往往会被忽视而引起问题。例如某些空间矩形断面桁架，设计者忽视了需要加强直腹杆之间的刚接以形成刚性框架充当刚性横隔，造成潜在的危险。

3 烟道模型讨论

烟道结构很适合于阐述上述概念。在STAAD中建一概念性的烟道模型。烟道剖面尺寸为4m×6m，类似于箱型断面（图1）。烟道承受的荷载一般不大（一般为风、内外压、温度等），钢板的壁厚通常不大（一般为6~8mm）。

薄钢板作为整体的纵向抗剪体系是没有任何问题的，关键要考察横向刚隔片系统是否能保证。沿烟道纵向截取单位长度的一段进行研究，其类似于四根杆件构成的框架（杆件为单位宽度的板带形成）。因为钢板很薄，所以每根构件的线刚度都非常小，该框架几乎没有抵抗面内变形的能力，接近于一几何可变体系，这种形式肯定不具有结构整体性。

为增加刚性横隔约束，有几种途径可选：1)简单加大钢

钢结构设计与绘图软件STAAD/CHINA知识选讲（五）

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板壁厚来增大该横向框架的刚度，但这对于断面较大的烟道会造成较大浪费；2)给烟道加刚性的钢横隔板，类似于某些大截面的箱形柱设置的构造横隔板，但烟道的工艺条件不允许这么做（要保证气流通畅）；3)设置横向加劲肋，加大框架构件的线刚度。方法3比方法1有效，通过将工字钢贴焊于钢板上能形成组合断面，大大提高杆件的线刚度（图1）。工字钢加劲肋之间必须刚接，这是关键的一步。在实际设计中，加劲肋的具体断面尺寸和间距可以通过更加精细的分析加以确定，最终使该加劲组合框架达到一合理的面内刚度值以充当刚性横隔片。在STAAD中，可以对加劲肋使用构件偏心命令进行处理，以正确考虑组合体的刚度。构件偏心方向可以是空间的任意方向。可以将偏心构件理解为主从命令的刚性连接情况。如果希望能较大地增强箱梁的整体抗弯能力，可在靠近上下翼缘的位置设置两道纵向加劲肋。

图1 工字钢贴焊于钢板上形成的组合断面

薄板的面内抗剪作用可以等效成交叉只拉撑（图2），按有效板宽定义撑的断面尺寸。在STAAD中将撑定义为只拉构件后，程序自动进行只拉分析，受压撑自动退出工作，能得到更接近实际情况的结果。当然也可以仅在最后截面设计时按拉杆设计交叉撑。没有了板元，横向加劲肋和板形成的组合断面可以在STAAD中直接输入为翼缘部分加盖板工字钢，以合理考虑其刚度。模型经过处理后大为简化，仅只剩下杆元了，对设计很合适，因为规范对杆件验算的规定最为完善。在该例中一些相对局部的设计问题，例如板在承受内、外压时的强度和变形以及振动频率等，可以通过一个稍后阶段的局部模型来处理，而不用在整体模型中考虑。

图2 板用交叉只拉撑代替 图3 增加内撑杆后STAAD模型 对某些断面尺寸巨大的矩形烟道，如果仅用横向加劲肋刚接形成的框架充当刚性隔片的话，会比较浪费。因为大截面烟道如果流通动力烟气的话，很有可能是振动频率控制设计（某些行业规范要求控制在20Hz），而要达到这种要求需要很刚的框架，导致加劲肋必须使用非常大的断面。曾经有这样的情况：一断面为6m×8m的矩形烟道不允许设置内撑杆，受频率控制要求选用的横向加劲肋为工字钢40a，间距1m，很不合理。如果增加横向内撑杆形成横向平面桁架，代替刚接框架，情况就要好多了（图3）。在某些情况下也许需要设置纵向的内撑杆，形成纵、横向的桁架系统。这种构造措施因为能最大限度地保证结构的整体性，是合理的。

对某些跨度远大于高、宽的烟道，也可以直接用杆件来模拟而不致引起太大的误差。下面的模型使用弯曲的杆模拟整个烟道，给其赋予箱形断面，将纵、横向的加劲肋通过主从节点的刚性连接属性强制绑定到位于烟道形心的杆件上（图4）。STAAD中的刚性命令是用来模拟刚体上的点的变形协调关系的，通过刚性连接的主、从节点的变形满足刚体的运动方程，而主节点可看作是刚体的转动中心。杆件同时满足平截面和刚周边条件相当于是刚性连接模拟的变形约束，因此可用主从节点命令代替设置抗剪体系和刚性横隔。

图4 用主从节点命令生成的STAAD概念模型

由分析可知，对整体性很好的烟道来说，横隔对整体的受力几乎没有影响，可以忽略。这样烟道模型就可简化成一根杆件。在设计时处理宽厚比较大的薄壁断面的有效方法通常是按有效截面进行考虑的，这可以在截面定义中修改毛截面特性来实现。从这些过程可见，根据结构的整体性程度，可以建立不同深度的模型，而这些模型之间并无好坏之分。

用整体性概念考察结构，除了提高效率并得到最大的灵活性外，还能最大限度地避免犯一些非常隐蔽的、但却是致命的构造错误，特别是在计算软件几乎包办一切的今天更有重要的意义。这里举一个几乎人人皆知的例子：加拿大魁北克大桥在架设过程中悬臂桁架受压下弦杆采用了格构式四肢缀条柱。但因为作为缀条的角钢断面过小，不能把四个分肢联成整体，所以四个分肢接近单独工作，没有整体性。结果在施工过程中桥梁坍塌，75人遇难！

4 结语

结构建模的特点就是高度抽象化，这种抽象化体现在刚度组装上。对分散的、孤立的构件系统，通过设置纵向抗剪系统和横向刚隔，使其具有满足结构整体性的变形特征，形成整体的受力，达到最优的设计。在这里说些题外话：很多人希望能将用于结构设计的模型作为详图模型使用，以避免重复建模，但事实上高度抽象的结构概念模型和具体细微的详图实体模型有时有着无法逾越的鸿沟，很难一体化。

参考文献

[1]林同炎.结构概念和体系，中国建筑工业出版社，2005.

[2]阿依艾工程软件（大连）有限公司.STAAD/CHINA技术参考手册.

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