预制结构的建模
StatiCAD 为预制（预先制作）钢筋混凝土工业建筑提供建模、分析和连接设计工具：变截面（nonprismatic）杆件和预制参数化截面、铰接连接指定、屋面楼板等效斜撑（TBDY 2018 附录 8B）、外墙板和吊车质量、桥式吊车（行车）荷载、上部和下部分区采用不同的 R 和 D（TBDY 4.3.6）、TBDY 第 8 章连接设计、外墙板地震荷载、基础滑移，以及多边形/变截面梁的配筋设计。
这些功能是依据土耳其预制协会（Türkiye Prefabrik Birliği）的《按 TBDY-2018 对预制钢筋混凝土工业建筑示例的分析与设计》一书中的示例建筑（40×75 m，双跨，设中间层，配 200 kN 桥式吊车）开发并进行对比的（参见预制结构验证研究）。关于该书建筑在 StatiCAD 中带截图的分步求解，请参见示例求解：预制工业建筑一文。
适用于哪些版本？ 预制工具（钢筋混凝土预制建筑类型、宏菜单中的预制命令、Precast 截面模板、连接设计窗口、按柱计算相对侧移选项以及报告中的连接页）包含在 StatiCAD Ultimate 版本中。在 Ultimate 中编制的项目，其预制数据保存在文件中；项目在其他版本中打开时，分析仍使用相同的数据。变截面（Nonprismatic）定义在所有版本中均可使用。
1. 总体流程
- 在项目总体设置中将建筑类型选为钢筋混凝土预制（与钢筋混凝土建筑采用相同的求解类型；此外在半刚性楼板中启用按柱计算的层间侧移）或钢筋混凝土建筑，并输入材料和地震参数。对于设有中间层的建筑，在 R 和 D 输入框中填入上部分区的系数。
- 定义截面：柱采用矩形截面；倾斜屋面梁采用变截面或预制模板（第 2 和第 3 节）。
- 绘制柱和梁。选中屋面梁、檩条和檐沟等采用销接的梁，运行 宏 → 将所选梁端设为铰接 (M2+M3) 命令（第 4 节）。
- 确定屋面楼板：刚性楼板（默认）或附录 8B 等效斜撑（第 5 节）。
- 将外墙板和吊车桥的质量作为地震附加质量输入，通过吊车窗口输入桥式吊车荷载；对于上部和下部分区采用不同承重体系的建筑，设置不同的 R–D（参见桥式吊车荷载、地震附加质量与不同的 R–D）。
- 检查分析选项并运行分析。多边形和变截面钢筋混凝土梁的配筋在分析中自动计算。
- 在 宏 → 预制连接设计 (TBDY 第 8 章)... 窗口中设计连接并添加到报告中（参见预制连接设计）。
所有预制命令均位于主菜单宏菜单的末尾。斜撑、吊车和连接窗口不是模态窗口：窗口打开时，您仍可继续在模型中选择构件。
2. 预制参数化截面模板
在杆件截面特性窗口的模板类型列表中提供以下模板。选择模板后，截面参数表显示尺寸（cm）及其说明；预览中会即时绘制带尺寸标注的截面。
| 模板 | 用途 |
|---|---|
| Precast I | 预制 I 形或球根形（bulb tee）梁；翼缘宽度、高度、倒角和腹板厚度 |
| Precast T | 单上翼缘、带倒角的楼层梁（顶部现浇的组合梁的预制部分） |
| Precast U | U 形截面预制梁或檐沟 |
| Precast Box, Box/Tube | 箱形截面：外部尺寸、壁厚和板厚 |
| Trapezoidal | 梯形截面：上宽和下宽、高度 |
截面在程序中以多边形截面保存；面积、惯性矩和形心由多边形自动计算。参数同样被保存，因此重新打开截面时以参数化模式显示。配筋布置可通过多边形编辑器给出，若留空，则在梁设计时自动生成。导出到 SAP2000 时，模板按 SAP2000 自身的预制截面定义发送。
3. 变截面（nonprismatic）梁
屋面桁架梁等沿长度方向高度变化的构件按单根杆件建模；刚度根据截面的实际变化计算。定义在杆件截面特性窗口中通过选择模板类型 Nonprismatic 打开的变截面定义窗口中完成：
| 列 | 说明 |
|---|---|
| Start Section / End Section | 该段起点和终点的截面（取自已定义的等截面；例如端部 40×26、中部 40×140 的矩形截面，或两个不同的 Precast I） |
| Length / Length Type | Absolute： 段长，单位 cm。Variable： 比例权重；从构件长度中扣除 Absolute 段后，剩余长度按此比例分配给 Variable 段。 |
| EI33 / EI22 variation | 抗弯刚度的变化形式：Linear（EI 线性），Parabolic（√EI 线性；用于翼缘起主导作用且高度变化的 I 形截面），Cubic（∛EI 线性；用于宽度不变、高度线性变化的矩形截面） |
双坡（人字形）屋面梁由两段定义：端部截面 → 中部截面 → 端部截面。面积、扭转常数和剪切面积在段内线性变化。只需选择截面名称作为梁的截面即可；分析、SAP2000 导出（含所有分段）和配筋设计会自动采用该变截面。
如何计算？ 构件刚度矩阵通过对沿长度变化的截面特性进行柔度积分（包括剪切变形）建立；在等截面情况下，该矩阵与等截面构件的矩阵在数值精度范围内一致。均布荷载的固端力同样按变截面计算；较厚的一端承受更大的固端弯矩。质量和自重按沿长度的平均面积分布（总体积正确）。
变截面仅在梁中予以考虑；不支持指定给柱。
4. 铰接（销接）连接
在预制建筑中，屋面梁、檩条和檐沟通常与柱采用销铰接。要一步完成指定，请选中相关梁（所有楼层），运行 宏 → 将所选梁端设为铰接 (M2+M3) 命令。该命令在每根所选梁的两端释放两个弯矩（M2、M3），将铰弹簧系数清零，并使铰在所有荷载工况下均有效；最后报告处理了多少根梁。对于单个梁端，也可通过梁属性窗口中的铰表格输入铰。
即使梁存在轴线偏移（梁位于节点线下方），铰也在节点侧施加；销接梁的行为如同真实的简支。刚性楼板与轴线偏移共同产生的组合轴向力，会从梁的轴向荷载评估中剔除。
5. 屋面楼板：刚性楼板或附录 8B 等效斜撑
默认假定每层（含屋面）为刚性楼板（项目总体设置 → 构件内力 → 完全刚性楼板）。在含有檩条和斜撑分区、成千上万个节点连接到楼板的屋面中，刚性楼板通过精确的主–从变换求解；无需用户设置。
对于覆盖压型钢板或夹芯板的屋面，TBDY 附录 8B 允许用两端铰接的等效斜撑对来表示屋面平面的剪切刚度。为此请使用 宏 → 预制屋面楼板等效斜撑 (TBDY 附录 8B) 窗口：
| 输入项 | 说明 | 默认值 |
|---|---|---|
| 自攻螺钉直径 D (mm) | 将钢板固定到檩条的螺钉直径 | 4 |
| 上层钢板厚度 t1 (mm) | 压型钢板的板厚；夹芯板中为上层钢板 | 0.5 |
| 下层钢板 t2 (mm) | 夹芯板中的下层钢板；压型钢板为 0 | 0.4 |
| 单位长度螺钉数 n (个/m) | 沿檩条每米的螺钉数 | 5.5 |
| 钢板屈服强度 fy (MPa) | 255 | |
| 安全系数 γ | 0.67 | |
| 分段数 | 两根梁之间沿梁长方向划分的单元格数 | 4 |
| 斜撑材料 E (MPa) | 等效杆件的弹性模量 | 33227 |
- 计算： 显示等效轴向刚度 (EA)e、单根斜撑可承受的最大力、TBDY 公式 8B.1 的比较结果、等效杆件截面以及附录 8B 的适用条件（檩条间距 ≤ 2.0 m，斜撑角度 ≈ 45°）。
- 在模型中选择将设置斜撑的两根平行梁（例如相邻的两根屋面梁），然后点击 在所选 2 根梁之间生成斜撑 按钮。两根梁之间按所选数量划分为若干单元格，每个单元格布置一对 X 形斜撑。斜撑为两端铰接、无质量且无荷载的虚拟构件；不参与钢筋混凝土设计和工程量统计。
- 生成的斜撑和源梁保持选中状态。运行 宏 → 在所有楼层分割相交的所选梁 命令，使斜撑端部与檩条和梁在公共节点处连接。
使用附录 8B 斜撑的屋面时，必须选择 项目总体设置 → 构件内力 → 半刚性楼板。必须启用同一选项卡中用于层间侧移的按柱计算选项（第 6 节）。建议同时运行刚性楼板方案作为设计参考。
6. 分析选项
| 选项 | 位置 | 说明 |
|---|---|---|
| 完全刚性 / 半刚性楼板 | 项目总体设置 → 构件内力 | 采用附录 8B 斜撑的屋面选择半刚性；否则建议采用刚性楼板。 |
| 半刚性楼板中层间侧移按柱计算（上–下节点） | 项目总体设置 → 构件内力（选项卡下方） | 在半刚性楼板中，相对层间侧移不再按该层最大与最小节点位移之差计算，而是按同一根柱的上、下节点之差计算；屋面柔性区域内的檩条和斜撑节点以及山墙柱不会使结果失真。选择建筑类型钢筋混凝土预制时自动勾选；随项目一同保存。 |
| 模态分析中指定刚性楼板 | 项目总体设置 → 地震荷载 | 选择“执行”时，采用每层三个自由度（UX、UY、RZ）的缩减模型；楼层标高处（±2 cm）的节点连接到该层。 |
| 刚性楼板模态分析中考虑楼板 | 项目总体设置 → 地震荷载 | 楼板壳单元对刚度的贡献在静力求解中存在，而在刚性楼板模态分析中默认不存在；因此模态周期略长，静力位移略小（2%–5%）。为使两种求解一致，可在小型模型中开启；对于含檩条和斜撑分区的大型屋面，因内存需求而不建议开启。 |
| 不将梁中间节点连接到刚性楼板 | 项目总体设置 → 地震荷载 | 当梁轴线建模在节点线下方时，由于梁的分段节点连接到刚性楼板，梁会产生组合刚化。开启该选项后，只有分段节点留在楼板之外；柱、剪力墙和梁相交节点仍保持连接。默认关闭，并随项目一同保存。 |
7. 适用范围限制
- 变截面仅在梁中予以考虑；预应力截面计算不在范围内。
- 短牛腿（corbel）和吊车牛腿验算、杯口基础验算以及安装阶段验算在本版本中不提供。
- 采用附录 8B 斜撑的半刚性屋面的剪切刚度，应与刚性楼板求解结果结合评估。
- Precast U 模板在翼缘–壁连接细节处与 SAP2000 存在小幅面积差异（示例截面为 −4%）。
8. 常见情况
| 现象 | 解决办法 |
|---|---|
| 宏菜单中没有预制命令；截面列表中看不到 Precast 模板。 | 预制工具在 Ultimate 版本中启用。 |
| 生成的斜撑未与檩条连接。 | 在选中斜撑和梁的情况下，运行 宏 → 在所有楼层分割相交的所选梁 命令。 |
| 半刚性屋面中的相对层间侧移过大。 | 柔性屋面节点和山墙柱会使“最大 − 最小”方法的数值增大。请开启项目总体设置 → 构件内力中的按柱计算侧移选项（第 6 节）；同时运行刚性楼板方案作为设计参考。 |
| 主周期比预期短。 | 这是刚性屋面楼板假定的结果；说明见验证文章。 |