结构分析网站

给大家介绍几个国内比较具有代表性的ETFE气枕膜结构，工程图片均来自网络。

（1）南通博览园。南通博览园温室结构，建成于2007年。温室平面为圆形，结构跨度为50m，高度15.6m。屋面采用六边形网格双层网壳作为承重体系，采用250多个六边形三层ETFE气枕作为覆盖层。

这几天仔细学习了《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010），其中一些条文觉得有些疑惑，不妨在这里与大家讨论，共同学习。

（1）条文3.5.1：空间网格结构在恒荷载与活恒载标准值作用下的最大挠度值不宜超过表3.5.1中的容许挠度值。

这里“恒荷载与活恒载标准值”我的理解是指恒荷载与活荷载的标准组合。因为设计中一般是控制标准组合值作用下的位移。问题是空间网格结构仅控制“1.0恒+1.0活”作用下的挠度就够了吗？还是温度、风等其他荷载也要考虑？如果要考虑，控制指标取多少呢？而且条文4.1.1又讲“空间网格结构应进行重力荷载及风荷载作用下的位移、内力计算……”，就是说风荷载还是要控制位移的。所以我觉得条文3.5.1给的不够全面。

（2）条文4.1.4：分析网架结构和双层网壳结构时，可假定节点为铰接，杆件只承受轴向力；分析立体管桁架时，当杆件的节间长度与截面高度（或直径）之比不小于12（主管）和24（支管）是，也可假定节点为铰接；分析单层网壳时，应假定节点为刚接，杆件除承受轴向力外，还承受弯矩、扭矩、剪力等。条文4.1.9：……网架、双层网壳和立体桁架宜采用空间杆系有限元法进行计算；单层网壳应采用空间梁系有限元法进行计算；

这两条都是讲单元模型选取问题。个人认为这两条过于死板，也可以认为是不科学的。实际工程中究竟选用梁单元还是杆单元应该根据设计选用的构造而定，而不是简单的网架用杆单元网壳用梁单元那么简单。根据使用的不同节点构造，桁架也可能是刚接（用梁单元），也可能是铰接（比如腹杆有时候用连接板连接，应用杆单元）。而单层网壳结构传统概念上应用刚性节点（梁单元），但是近几年半刚性节点应用也挺多，就不能简单的用梁单元或是杆单元，而应在梁单元上释放某些自由度（也可以输入弹性刚度）。所以，规范一旦把单元选用问题定死、简单化，表面上方便了工程师使用，但是很有可能会误导大家，甚至因此导致工程事故的发生。

（3）条文4.3.2：网壳稳定性可按考虑几何非线性的有限元法进行计算，分析中可假定材料为弹性，也可考虑材料的弹塑性。条文4.3.4：当按弹性全过程分析、且为单层球面网壳、柱面网壳和椭圆抛物面网壳时，安全系数K可取4.2.

通过一些实际工程的稳定性分析来看，网壳结构的稳定性分析必须要考虑材料弹塑性。因为对于一些结构而言，材料塑性的影响是比较大的，而且不同的项目影响程度不一样，所以如果用弹性模型计算，很难准确的预测结构的实际稳定承载力，所以条文4.3.4中4.2的规定是很难应用的。而且个人认为4.2对于很多项目是偏小的。

5月27日香港理工大学的陈绍礼教授在现代集团做了一次学术交流，主要讲了二阶结构设计方法。他们开发了一个软件叫NIDA，可以实现钢结构的二阶结构分析与设计。与常规设计方法相比，二阶设计方法的主要特点是不需考虑构件的长细比。

目前我们采用的设计方法为线性分析，比如荷载计算、反应谱分析，以及荷载组合。所以在设计中，为了考虑构件的稳定性引用了长细比的概念，这是一种近似的计算方法。因为长细比的合理选取比较复杂，大多数情况下都是近似的，通常是偏于保守，偶尔也会偏于不安全。

二阶分析方法则在计算中考虑了P-Δ效应和P-δ效益，也就是考虑了结构的稳定性。所以计算完成后不需要再进行构件设计，不需要引入长细比。这样设计过程就比较简单，相对而言也更准确。但是目前二阶设计方法在操作层面仍然存在一些问题亟待解决。比如：

More...

上周末在深圳参加了“第二届全国超限建筑结构有限元分析讲习班”，其中李志山博士也是主讲人之一。他讲的一些内容我觉得对实际工程的分析挺有参考意义。这里把几个主要结论贴出来和大家一起讨论：

（1）       结构的基本周期越大，阻尼的影响越小，包括对位移和基底剪力的影响；

（2）       弹塑性分析位移与弹性分析位移的关系（备注：这条是本人根据李博士讲义中的曲线图总结出来的，不是原话。）：当塑性发展不是很显著时，塑性分析的第一个峰值比弹性分析要大，后面的峰值塑性分析结果可能会小于弹性分析结果；当塑性发展特别大时，塑性分析的结果较弹性分析的大，原因是结构往一边偏倒，位移不可恢复。

（3）       当结构高度小于400m时，一般可以采用双向输入地震波；而大于400m，到500m-600m时，一般需要采用三向输入地震波。

其实我们以前在这些问题上也做过很多比较性的分析，也发表了一些相关论文。但是我觉得李志山博士借助Mathematics软件，用数值方法得到一些有价值的结论还是比较值得借鉴的。

做动力时程分析已经4年多了，期间遇到很多问题，有的解决了，有的很难解决，有的则是知道答案而找不到很好的证明。动力时称分析中能否模拟支撑的屈曲问题就是很典型的一个例子。

ABAQUS公司宣传资料中说明在利用ABAQUS进行动力弹塑性分析时（显式），可以考虑到结构的屈曲性能。通过非线性基本理论和算例可以定性的判断这一说法是正确的。但是在工程分析中，还是遇到很多同仁讨论这个问题。可能缺少相关文献对这个问题进行正式的阐述是主要原因。也看了很多ABAQUS的软件文档，尚未发现相关的内容。

前段时间看PERFORM 3D使用手册时，发现了比较正式的说明，贴出来与大家分享。

原文大致意思如下：

如果用一个单元模拟支撑构件，软件不会考虑其长度范围内的屈曲。如果要计算支撑的屈曲问题，则可以利用多个单元模拟一根构件，同时打开P-Δ选项进行分析。支撑的屈曲可能会对构件的侧向初始弯曲比较敏感，或许需要人为的施加一定的初始几何弯曲。做的时候可以先用小模型进行试算，以达到需要的屈曲性能。更简单的方法是采用屈曲型钢材来模拟屈曲构件。

原文如下：

6.6.6 PERFORM Options

……

PERFORM-3D does not currently consider P-δ effects (i.e. it does not consider geometric nonlinearity within the length of a column or brace element). Hence, if you use a single element to model a brace member, PERFORM-3D will not model buckling of the brace within its length. You can, however, model this type of buckling by dividing a brace member into a number of short elements, and specifying that P-Δ effects are to be considered. Buckling of this type can be sensitive to initial out-of straightness in the member, and you may have to make the member deliberately crooked in order to initiate buckling. If you want to consider this type of behavior, we recommend that you first test the member model in a small sub-assemblage, to make sure that you get the expected behavior.

A simpler alternative for a buckling bar is to use the buckling type steel material.

这几天在看Perform 3D的使用说明，觉得有些话很值得借鉴。故与大家分享！

Keep in mind that the goal of structural analysis is not to get an accurate simulation of a structure's behavior, but to get information to help in making design decisions. Once an analysis model has been set up, it is easy to be seduced into believing that the model is an exact representation of the real structure. It probably is not, and it does not need to be. The model must be sufficiently accurate to provide useful design information, but the analysis results are almost certainly approximate, no matter how sophisticated the analysis model.

More...

More...

最近参观了两个索结构，分别是鄂尔多斯的索穹顶结构和深圳宝安体育场索结构。这两个项目都是比较“纯”的索结构。如果说张弦梁和弦支穹顶结构是在一定技术条件下的折中方案，则这两个项目突破了观念和技术的瓶颈，真正实现了索结构的终极目标。

回顾近几年的索结构项目可以发现，国内已经从“用索阶段”逐渐过渡为“用索结构阶段”。

早期，大家对索结构的了解和认识不是很深入，甚至谈到索结构会表现出一种神秘和畏惧。一些人故弄玄虚，设计假索(不受力，可以拿掉)来糊弄主业和大众。实际上国内存在很多假索工程。另一些人因为对索不了解，则不愿意用索，甚至是不敢用，总觉得不安全，总觉得很难。所以，我国的索结构在早期更多的表现为斜拉结构。

本世纪初期，张弦梁结构的引进可以讲是一个转折。因为张弦梁的采用不仅仅导致了张弦梁结构项目的增加，我个人认为更重要是催生了国内弦支穹顶结构的诞生，然后是弦支穹顶在国内的一个建设高潮。近两年大跨度索穹顶结构在国内的成功应用，更可以认为是这一发展时期的延续。可以预测，在将来的5年中，会是索穹顶结构的建设高潮。

简单罗列一下，近几年中国建设的大型索结构有：佛山世纪莲体育场（索网+膜）、中国航海博物馆（索网+玻璃）、鄂尔多斯索穹顶结构（索穹顶+膜）、深圳宝安体育场（索结构+膜），等等。另外，据讲有几个索穹顶结构在设计阶段。

所以，我认为或许中国真正的索结构时代已经来临！

昨天出差回上海的途中，在郑州机场中转了一下。发现郑州机场的结构体系没看懂，所以把图片贴出来向广大网友请教。

郑州机场屋面是多跨连续钢曲梁体系，中间通过铰接杆支承在下部混凝土柱上(也或许是钢管混凝土柱) 。这和浦东机场二期航站楼相似，还比较容易理解。

我所没看懂的是曲梁下面的钢拉杆（如图）。咋一看，它与浦东机场二期航站楼相似，貌似一个张弦梁结构。不过仔细一看可以发现，下弦钢拉杆是向上拱起的，也就是说拉杆的作用是向下拉的，这种结构布置方式与张弦梁完全不同（相反的）。

看了半天也没想明白设计者的用意，唯一可能的解释是：利用拉杆约束曲梁两端，减少端部水平位移和水平推力。因为跨中支座是“四角锥”形状，自身是稳定的，而有些支承是平面的，可以内外摇摆。恩，这样似乎就合理了。

More...

利用有限单元法进行节点分析

1 单元的选取与剖分

（一）单元选取

在实际工程中，由于节点的构造形式决定了节点往往处于复杂的应力状态，一般不可能处于薄膜应力状态或简单的拉压状态，所以在单元选择时应根据节点的形状、与节点相连杆件的截面形式、壁厚的变化程度等采用壳单元或实体单元。通常，当节点形式比较规则，而且与节点连接的杆件壁厚为常数时，可以采用壳单元。比如圆管或箱形截面杆件构成的相贯节点；如果节点形式较为复杂，明显成实体形式，或者，虽然节点形式比较简单，但是构成节点的部件为非等壁厚，这种情况下需要选择实体单元进行模拟。

在壳单元中，通常采用的有三角形壳单元和四边形壳单元。四边形壳单元通常应用于节点拓扑较为规则的情况，在使用中受到一定的限制，因为对于拓扑较为复杂的情况，如果采用四边形单元可能需要较细的单元剖分。相对而言，三角形壳单元的适用性则较强，可应用于结构拓扑较为复杂的情况。在很多情况下，根据需要可以采用四边形为主三边形为辅的方法进行单元剖分。在实际使用中，根据所选择的有限元软件的不同，壳单元对建模的要求也有所不同。比如在ANSYS软件中，采用壳单元进行剖分的几何必须是面（AREA），而不能是具有厚度的实体，然后在实常数里面再进行定义壳单元的厚度，这样才能真实的模拟所分析对象的几何厚度特征。但是对于一些有限元软件，比如ABAQUS、COSMOS等，它们除了提供常规的壳单元类型之外，还提供一种实体壳单元类型，这种实体壳单元的特点是可以应用于实体面。即，利用实体建模方法建立的板、壳等几何，可以采用壳单元进行剖分，而且软件可以自动检测壳单元的厚度。

对于三角形壳单元，在有限元软件中常提供的有3节点和6节点两种。而四边形壳单元常提供的有4节点和8节点两种。其中，3节点和4节点壳单元为线性单元，6节点和8节点为高阶非线性单元，具有较高的精度。在使用中，可以根据问题的实际情况进行软件及单元类型的选择。

图3为几个典型的壳单元剖分实例。图4为某节点分析中采用的实体壳单元。

More...