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讨论:有限元分析是否降低了国内建筑的安全性

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发表于 2014-4-30 16:09:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
这个问题一直困扰我很久:以有限元分析为代表的计算机辅助设计和应力分析是否降低了国内建筑的安全性?
在计算机力学分析成为可能性之前,大型建筑力学分析很复杂,因此十分保守,常常会保留很大的安全裕度,帝国大厦就是一个明显的例子。
但自从有了计算机,很容易实现精确的应力分析了,这样导致大家做出来的安全裕度都是刚刚达到2.5倍或者1.5倍的行业标准要求。
同时,所使用的材料,不论是水泥钢筋还是各种工业钢,以至焊接质量或者建设质量,就我近几年的经验,都十分堪忧,想必经常干工程的人总能听到“少一点没事”“薄一点没事”“短一点没事”这样的话。
在我看来,这些行为都是在蚕食安全裕度。似乎每个环节都希望自己上下环节是合乎规范的,仅仅自己少一点并不会影响安全性。而本身就很低的安全裕度经过各个方面的反复蚕食之后所剩无几。

不知道各位做建筑/结构的人对这种情况是否有准备?你们会因此趋向于选择更加保守的方案还是仅仅满足行业标准即一视同仁?
 楼主| 发表于 2014-4-30 16:11:18 | 显示全部楼层
讨论1
1、有限元计算是否可以精确的计算?
显然,答案是否定的。

从混凝土结构上来说,混凝土结构是个复杂的结构。
在混凝土的服役状态下,体现出大量的非线性性质,随机性质。
目前的计算水平,有限元技术是没法精确的分析清楚混凝土结构的受力状态的。
有限元计算只能够大概的了解混凝土结构的受力情况,当然这个大概了解,比起手算年代是要精确不少。

从钢结构来说,由于钢材的特性比较确定,钢结构的应力状况比较容易模拟清楚。但是钢结构本身并不是一个应力控制的结构。钢结构的稳定,疲劳才是钢结构的大问题。在这问题上,有限元不能包打天下。

同时,从设计师的角度上看,确实可以说是良莠不齐。
不少工程师,使用在有限元软件时,正确建模的能力与判断结果合理性的能力都有欠缺,计算结果经常是不准确的。

2、保守是否意味着安全?
这个答案仍然是否定的。
先不说动力问题,就说静力问题。
保守意味着多用材料,多用材料意味着要增加自重。一个简支梁,合理梁高是1m,你保守的用1.2m可能没事,偏于安全;如果你保守到用2m,恐怕自重就要把梁压垮。

在动力问题上,更是这样了。
动力问题是个复杂问题,动力效应的大小与结构特性,荷载特性都相关。柱子做粗点,意味着柱子刚度增大,也意味着地震力要增大。设计保守,未必就能够得到好的效果。

3、为什么大家都敢去吃富余量
首先,看看我们有多少富余量。
在目前的设计规范中,将近似概率理论简化为了分项系数的形式来进行可靠度设计。
总的来说,就是放大荷载,降低强度。
横载放大1.2倍,活载放大1.4倍;强度降低1.25倍。
我们都按照横载来算,这里的系数大概有1.5倍的样子。

建筑结构中为什么敢吃余量?为什么要去吃余量。
这和建筑结构的受力特点有关。
我们在使用建筑结构的使用,实际上遇不到规范中给的这么大的荷载。尤其是,建筑结构的构件控制荷载为地震荷载的时候。
开发商会做个赌博,就赌不会来地震,所以敢去做所谓的结构优化。
如果建筑结构中,有类似与荷载试验的这个验收过程,我想吃余量的现象会减少不少。所谓荷载试验,就是将结构中的某个构件选出来,加载到设计荷载,看看这个构件的性能是不是和计算一致或者比计算的安全。

而施工方为什么要去吃余量?
一方面是追去更高的利润,
在缺乏监管的情况下,追逐利润是企业的本性。
另一方面恐怕也是被逼的。
谁不想好好修房子,谁不想保质保量完成任务,如果保质保量完成任务也能够得到合理的收入的话。这样挣安心钱,用的也安心。
房地产商压低造价,加快工期,搞的施工方不偷工减料就挣不到钱,他当然就要偷工减料了。
4、如何保证结构安全?
一个结构的实现,是有很多个流程的。
从投资,设计,施工,维护,各个方面都要做好,结构才能够安全。
要保证安全,自然是要个人管好个人的事。
作为设计,当然是要精益求精,尽量准确的摸清结构的受力状态。
作为施工,自然是要保质保量,保证设计意图的实现。
不能说,我要偷点钢筋,设计你给我做保守一点哈。

作为开发商,首先就要有保质保量完成工程的观念。
追求利润没有错,但是要在保证安全的前提下,追求利润。
如果开发商只想着压低造价,想着如果打规范的擦边球,那设计就没法精心,施工也没法保质保量,监理也没有什么可以监的了。
其实,我认为这几方面,开发商责任最大。因为他地位最高,设计,施工,监理,都是对开发商负责。老大如果就没想着好好干活,下面的小弟们再努力,也干不好。

5、设计该如何考虑施工?

一个好的设计,必须考虑施工,因为任何一个设计,都是通过施工来实现设计意图的。但并不是说,设计该把施工偷余量考虑进去。如果这都要考虑进去,那设计就没法做了。我该考虑你偷多少余量呢?10%,20%,还是50%。
如果这样子,那施工是不是越偷越多。
设计考虑施工,是要考虑自己的设计是否可行,从施工的角度看是否可行,是否简单可行。
一个好的设计,应该是施工简单的。
施工工序越多,施工工艺越复杂,意味着施工质量可靠性越低,出事风险越高。
做设计时,要多从施工方的角度考虑问题,考虑施工的可行性。如果你来做施工,你这个设计方案好不好实现。
 楼主| 发表于 2014-4-30 16:12:37 | 显示全部楼层
讨论2
这个问题没人回答,我来试着答一下。我是从事机械结构强度的设计,不是搞建筑的。

安全裕度本质是安全的概率,而不是是否安全。实质上我们强度设计的结论应该这样说,这个结构在额定的使用条件下,破坏的概率是多少,而且这个概率是一个随着使用时间变化的函数,然后根据是否满足使用需求决定是否更改。这个概率包含了载荷变化的概率、材料性能的概率、结构设计的公差概率等等。
但是用这样方法来设计结构强度,很麻烦。所以我们将概率问题转换成安全裕度的概念,即只要按照某种设计方法,且安全裕度大于限定值,即满足上述的破坏概率要求,比如10万小时破坏率不大于0.3%。这个安全裕度的限定值是有理有据的,它跟你使用的材料数据、结构零件是否为关重件、等因素有关,不是随便定的。
所以既然规范中制定了安全裕度满足2.5或1.5即符合要求,那么理论上只要我满足这个要求,设计出来的结构就应该没有问题。安全裕度与破坏概率是非线性的,安全裕度越高对减少破坏概率的贡献越小,可以忽略不急。不过要注意,整个结构的从设计到加工到维护整个流程的标准体系必须统一,比如材料必须满足GBXXXX,焊接工艺必须满足GBXXX,加工时需要满足XXX标准,验收需要满足XXX标准,还有后期维护等等。还必须和设计是一个标准体系的,因为你设计时使用的安全裕度标准是为这一套标准体系服务的。而这一套标准体系也是为了保证只要我设计的安全裕度满足要求(比如2.5),那么我的破坏概率就一定低于XXX。

在来说一说有限元,也就是计算机辅助分析。

首先,有限元方法的思想在计算机出现之前就有了,是计算机的出现,让它更加实用。有了计算机以后,力学分析仍然很复杂,计算机并没有降低问题的复杂度,它只是降低了解题的时间,而且让之前许多无解的变成了有解(或者近似解)。所以它只有好处没有坏处,之前一些部位的应力无法求解,所以只好保守一点,现在可以求近似解了,就有底气把这个部位的结构削弱。想航空这种对减重最为迫切的行业,最先大量应用有限元方法,也是因为它可以让工程师能够方便且较为准确的分析复杂结构的应力分布,有底气的在结构上增增减减,用最少的重量,满足强度要求。
有限元只是相当与计算器,但是它毕竟还有一定的软件门槛,所以好多人其实只是个用软件的人形计算器,真正分析的人是需要有强度设计功底的。它对结构设计的意义你可以参考这个答案,既然有傻瓜式的结构设计软件了,为什么还要在大学里学习力学、混凝土结构这些专业课?

最后想说一些题外话,机械行业是需要建立在一整套成熟的标准上的,这套标准保证了大家可以各干个的,只要满足标准,造出来的东西就是好东西,而这套标准是需要经过长时间检验的,西方工业革命几百年的路不是白走的,他们在形成标准的路上吃的苦头和教训不是我们能想象的,他们也懂得不遵守标准的可怕。而我们国内呢?路还长着呢,机械行业的标准好多都是从国外抄来的,俄罗斯、美国、欧洲他们的标准各成一体,而我们则是三家随便抄,怎么能保证标准的统一性。还有标准的执行,有法不依的大有人在,何况标准?
 楼主| 发表于 2014-4-30 22:07:29 | 显示全部楼层
我在Ansys公司做过,总体负责过Ansys的香港分公司的技术,算是业内人士,我来回答几句。 首先,一个结构特别是土木结构的安全系数是以其最薄弱点的安全系数来定的,比如一座大桥,你的护栏,deck,哪怕安全系数100都没用,只要任意一个关键着力点安全系数是2,那你全桥评估下来就是2。 其次,有限元分析干的最大的一件事情其实就是找应力集中点,也就是找上边所说的薄弱点。一个良好的分析应该是分级别的,还拿桥来说事:首先做一个基于板壳梁单元的全桥模拟,找到全桥在某几个模态和工况下的薄弱点,一般都是一些连接件以及桥墩,缆索这些载荷集中部件;再重新对这些薄弱点建立细部的实体单元模型,根据实体单元的计算(通常会用非线性求解器去求解非线性载荷的细致解了),来分析应力状况,进行安全设计。 所以在这种状态下得出的设计反而是非常定位,定点的,由此定出的安全系数是相对合理的,保证了最薄弱点的符合规范的安全系数,不太会导致您说的降低安全性的问题。 目前的安全性问题频出的现象,在我看来主要还是施工的问题。 以上,讨论。谢谢!
 楼主| 发表于 2014-4-30 22:08:17 | 显示全部楼层
有限元作为一种工具其作用在于对设计出的方案进行力学分析,对于土木工程来说主要的结果是结构内各点的应力。在有限元结果正确的前提下,使用这一工具可以使得设计过程不必要那么保守,但这一前提往往不能满足。(注:机械、土木这两个有限元应用最广泛的领域都是如此)以错误的有限元结果来设计,当然会引起安全的问题。
结构的失效大部分情形下不是因为载荷过大,而是由于失稳或者共振引起的局部应力过大导致结果失效,有限元能处理载荷已知时的失稳及共振问题,但实际中的载荷是很难预测的,因此也很难用有限元来处理。
有限元的计算结果本身并不能用于判断是否安全,还需要结合诸如破坏准则这一类问题,断裂力学这一方向本身发展的还相对有限,因此即使是使用有限元也无法对破坏过程有准确的仿真。
有限元本身的作用是经过了实际工程问题的检验的,二十世纪在航空、二十一世纪在航天领域都是如此,这两类工程问题与土木工程的差别之一就是不宜采用加大安全系数的方法来保证安全,过大的自重是不可接受的。有限元被用来解决这两个领域中的问题就是因为其可以在保证安全性的同时减少材料的用量以减小自重。
 楼主| 发表于 2014-4-30 22:09:10 | 显示全部楼层
本人刚进入机械行业不久,所在的小公司在行业内还算是可以,从我接触设计的不多时间来看,一些力学素养不足的从事结构设计的人如果盲目的迷信有限元软件的结果对于产品的设计存在很大的缺陷;随便一名工科学生经过少许学习即可利用有限元软件得出一张张云图出来,然后放到word或者ppt甚至论文中就可以忽悠自己了~这样不好~
 楼主| 发表于 2014-4-30 22:39:25 | 显示全部楼层
大前提:1. 结构安全的要求是一致的,规范是设计的最低要求-------最低。
2.计算软件只能帮我们计算结构,但不能帮我们评价结构是否安全。
3.既然说到计算软件,那我觉得UP主主要还是想讨论设计这一阵营。


首先,我觉得我们首先要大概了解以下规范相应计算方法的内涵:
我们先要明确现今土木结构设计的规范体系的主要方法有以下几种:
1. 容许应力法(材料强度极限的安全系数法)
2.安全系数极限状态法(抗力达到极限状态的安全系数法)
3. 概率极限状态法(抗力达到极限状态的概率分项系数法)
4.  经验的安全系数法(经验安全系数,如拉索、拱肋稳定)
其中,概率极限状态法有明确的可靠指标数学值,从数学统计的角度可以计算出可靠指标(失效概率)。
所以,我理解UP主问题中安全性反应到规范中的描述就是安全度、安全系数的概念。
以下是我国规范对于各类结构的设计方法:
1.jpg
其中:  *:新规范在编(极限状态法);   **:新规范在编(容许应力法),除了铁路规范,公路与建筑结构我国目前均用概率的极限状态法。
一、容许应力法
材料强度:带保证率的极限强度(强度标准值)
容许应力:带安全储备的容许值
安全储备:根据不同条件,经验确定
效应计算:材料弹性,作用为标准值
2.jpg
所以在容许应力法中,不同的应力种类,不同的受力条件,会选取不同的应力设计容许值来满足相应的安全度。此方案的安全系数为经验值,安全性是建立在材料层面上,基于弹性算法。二、安全系数极限状态法
3.png

1.抗力计算:极限状态,材料采用带保证率的极限强度(强度标准值)
2. 安全系数K,安全储备,经验确定;
3. 效应计算,材料弹性,作用为标准值
4.jpg

此方法用标准值计算效应与抗力,效应与抗力通过安全系数建立关系,较为直观,逻辑性强。
三、概率极限状态法
5.png
1.抗力计算:特征状态 (解决屈曲稳定等问题)
2.安全系数K:安全储备,经验确定
3.效应计算:标准值效应
6.jpg


此方法通过简化计算得到抗力,安全系数由经验确定。

以上就是设计规范中主要设计方法的概述了,我们可以看出各种设计方案都是建立在一定安全系数保证的安全储备上的,比如我国规范中采用较多的概率极限状态法,公式中的材料分项系数\效应分项系数、结构重要性系数,都是建立在可靠度指标之上的:
7.png
8.png
所以如果正如UP主所说的上上下下都合乎规范,那么规范所保证的安全度就完全没有问题,但是,正如大前提所说,规范是设计的最低要求!

以上是我对于UP主所提到的“被蚕食”的安全性的理解与阐述。

-------------------------------------------泥耗我是分割线------------------------------------------------
对于up主另一半问题,我要讲的就比较少了,我重复一下大前提中的话:计算软件只能帮我们计算结构,但不能帮我们评价结构是否安全。
-------------------------------------------泥耗我还是分割线------------------------------------------------
人类社会是不断发展的,土木行业也一样,结构设计的目标越经济、越安全、越美观,这些目标不应该是冲突的,计算机的发展,计算软件的发展在实践中起到的作用应该是极为正面的,比如计算机电算解决了高次超静定的问题,从而造就了无数跨海、跨江的悬索桥、斜拉桥等,又比如规范上无从描述得局部构件计算问题,正是有限元分析可以让我们弄清异形构件的应力应变状态。
作为一名结构工程师,任重道远
以上,2013/8/26

点评

分析的很到位,理论知识在工程实践中才能深入理解,灵活应用。  详情 回复 发表于 2014-5-4 09:35
发表于 2014-5-1 14:57:29 | 显示全部楼层
非常酷哦,不顶对不起良心
发表于 2014-5-4 09:35:07 | 显示全部楼层
theworld 发表于 2014-4-30 22:39
大前提:1. 结构安全的要求是一致的,规范是设计的最低要求-------最低。
2.计算软件只能帮我们计算结构, ...

分析的很到位,理论知识在工程实践中才能深入理解,灵活应用。
发表于 2014-11-12 23:05:57 | 显示全部楼层
楼主写的很赞!
很多没看懂,毕竟自己不是做建筑这行的。
发表于 2015-6-24 10:39:41 | 显示全部楼层
很有见地的文章,收藏了
发表于 2015-7-24 12:50:19 | 显示全部楼层
好文章,值得阅读和分享,谢谢楼主。
发表于 2015-8-4 07:17:39 | 显示全部楼层
不错,分析的很到位,的确很有见解。
发表于 2015-10-27 23:35:42 | 显示全部楼层
    看到这个标题为就进来了,终于看到这样的声音了!
     在一看,楼主是个厉害角色,理论知识很扎实,表达功底也很强!
发表于 2016-7-9 13:32:12 | 显示全部楼层
像楼主学习,提高自身素质
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