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ETABS楼板的网格剖分

    ETABS是由美国MSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件,作为一款优秀的有限元分析软件在世界范围内被广泛使用。ETABS软件内直观的提供了面向对象的操作方法来方便建模,设计人员对模型本身不一定要有非常深的了解,但适应的了解软件相关技术操作,有助于工程师更准确地建立模型,并客观地评估分析结果。

三种楼板单元

   对于楼板设计,基于有限元的设计法是精度最高的方法,可处理各种不同类型的楼板体系,而ETABS就是这类结构设计分析软件。ETABS从有限元分析的角度向用户提供了三种面单元类型,分别是:膜(仅具有平面内刚度)、板(仅具有平面外刚度)、壳(具有平面内和平面外刚度)。

膜单元只具有平面内刚度,仅能承受面内的力和法向弯矩,此类型单元在分析中只考虑其传递荷载的作用,而并不关心单元本身的受力变形情况,一般不对其进行网格剖分。

而板单元只具有平面外刚度,只承受弯曲和横向力,但是在实际建筑结构构件中很少存在这种纯弯曲型的板单元。

最后,壳单元具有以上膜单元和板单元的力学属性之和,既能承受平面内的弯矩轴力,也能承受平面外的弯矩轴力。

图1 膜板壳关系图

    所以,壳单元才是更贴近实际意义上的楼板有限元单元模型,适合模拟任何面对象。只有将壳单元合理地进行网格剖分,才能在分析中充分地考虑其刚度、质量对结构作用,并且能够得到面单元自身的应力、应变等情况。

楼板剖分方法

    对于水平方向属性为壳的楼板,程序会自动考虑矩形网格划分。但是自动矩形网格划分会出现一些问题,导致网格不匹配。

    下面就实际工程中遇到的一些情况进行分析。

    当楼板为一整块大板时,程序对一块板进行网格剖分,所有的有限元网格都是对齐的,此时一般不会出现异常情况。但对多块板之间,却无法做到网格完全对齐匹配,即有限元单元的位移不连续,为应对此种情况,CSI公司独家开发出自动边约束功能,强行将不匹配的网格在公共边上位移协调,但这种做法势必会造成后处理时的应力紊乱,内力也相应出现较大幅度的突变现象,这是不可避免的状况。如下图所示:

图2 多板块网格不匹配现象

    造成网格不对齐的主要原因在于程序对属性为壳的楼板,会自动考虑矩形网格划分,而矩形网格必须经过柱上刚域的四个角点,所以造成了有柱的板块网格偏小,无柱的板块网格偏大,进而有柱板块和无柱板块间的网格不对齐。

    这里有以下4种方法推荐给大家,可使网格剖分更加合理。

    1、我们可以考虑通过适当降低网格尺寸(修改网格划分的最大尺寸)来减少网格不对齐的情况,这样也就降低了应力不协调的程度。

图3 修改网格划分的近似最大尺寸

    2、通过合理分割板的方法,我们需考虑好柱的位置及尺寸,在有柱的板块分割板与柱等宽,没有柱的板块尽量做到均分或者少分以至于不分板,在有条件的情况下使用整块板来建模,可大大减少网格不匹配的情况发生。

图4 合理分割板块

    3、在最新版的ETABS V17或SAP2000中会有更好的网格划分方法,就是使用一般网格剖分。选择一般网格剖分,程序会自动插入一些三角形单元网格,使板块交界位置实现网格剖分的连续性,详情参照下图所示。

图5 一般网格剖分

    4、当然,对于不合理的自动网格划分,我们还可以通过人工划分网格的方式来避免错误,具体操作步骤如下:

    (1)运行>楼板自动划分选项,在弹出的对话框中,在网格划分近似最大尺寸中输入一个足够大的值,使程序不自动网格划分。

    (2)在楼板边缘处绘制属性为空的框架单元,然后按照楼板划分的需求,再将属性为空的框架单元复制到每一个方向上。

    (3)选择所有的构件,编辑>编辑面>划分四边形于,只勾选“与选定线对象相交”项,点击确定。

    在划分不规则板时配合使用以上几种方法,可使计算结果更为准确。大多数不规则板为多边形板或异形板,ETABS在不规则板的处理上要求更为精细,稍有不慎就会出现检查出错、精度丢失、应力错乱等问题。所以,在绘制板时应尽量使用快速绘制板/墙功能,同时应提前考虑好网格划分的影响,对楼板进行合理的布置与网格剖分。

    在运用ETABS绘制楼板过程中还有很多操作技巧和要点,本篇根据ETABS官方资料和本公司技术人员自主研究实践结果与大家浅谈一二,请喜欢的朋友继续关注小编下回讲解。


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