东南大学工程结构抗震分析--结构抗震分析模型

1、第2讲 结构抗震分析模型2-1 地震动输入时的结构动力方程2-2 采用有限元法建立结构抗震分析模型2-3 高层建筑结构抗震分析模型第2讲 结构抗震分析模型2-1 地震动输入时的结构动力方程2-2 采用有限元法建立结构抗震分析模型2-3 高层建筑结构抗震分析模型一致输入时的结构动力方程（1）一维地震动输入下的结构动力方程 一致输入时的结构动力方程（2）多维地震动输入下的结构动力方程 实际地震时的地面运动包括六个分量：三个平动分量ug(t)、vg(t)、wg(t)和三个转动分量x(t)、y(t)、z(t)。世界各国在地震观测中大多获得的是三个平动分量，这主要是由于测量转动分量的地震仪的技术未能很好

2、解决。 一致输入时的结构动力方程（3）多维地震动输入下的结构动力方程 从地震灾害中可以观测到地震动转动分量的存在，而且从弹性波动理论可知，对于表面波来说Love波将产生地面绕水平轴的转动，Rayleigh波将产生地面绕竖直轴的转动。因此，地震时地面结构的反应是针对六维非惯性参考系的反应。 一致输入时的结构动力方程（4）多维地震动输入下的结构动力方程 相对位移向量：地面运动位移向量：地面运动转角向量：一致输入时的结构动力方程（5）多维地震动输入下的结构动力方程 结构在包含有转动分量的六维地震动作用下，除等效荷载变得不仅与地面运动分量有关，而且与质点所在点的坐标有关外，在方程左端，最突出的一点便是

3、与 阵有关项的存在。 一致输入时的结构动力方程（6）多维地震动输入下的结构动力方程 矩阵通常称为科氏惯性耦合矩阵，它是因为动力坐标系相对于定坐标系作转动运动所引起的。与科氏耦合阵有关的项称为科氏耦合项。此项相当于“阻尼项”，但这种“阻尼”与地面运动的转动分量有关，可视为强迫施加给结构的“阻尼”。根据地面运动时程，其“阻尼”系数随时间变化，有时为正，有时为负。当为正时，其减弱振动的作用；当为负时，其增大振动的作用，这种作用称之为科氏耦合效应。 一致输入时的结构动力方程（7）多维地震动输入下的结构动力方程 当不考虑地面转动角速度和转动角位移时（但地面转动加速度仍存在），则不存在科氏耦合效应： 目前

4、对地面转动分量（绕竖轴）的观测资料还很少，不足以应用；对地面摆动分量（绕水平轴）的观测资料则几乎没有。因此，大部分研究还很少考虑 的影响，而采用仅考虑各平动地震动分量作用下的结构动力方程： 一致输入时的结构动力方程（8）多维地震动输入下的结构动力方程 相对位移向量：地面运动加速度向量：多点地震动输入问题（1）引起空间地震动场变化的主要因素 地震波在传播过程中进行复杂的反射和散射；同时，地震动场的不同位置地震波的叠加方式也不同，存在相干性，即部分相干效应(incoherence effect)。 在地震动场的不同位置，地震波到达的时间上存在差异，即行波效应(traveling wave effe

5、ct)。多点地震动输入问题（2）引起空间地震动场变化的主要因素 行波效应等效剪切波速等效剪切波速（m/s）覆盖层厚度I0I1IIIIIIVvs8000800vs5000500vse25015050vse150158080引起空间地震动场变化的主要因素 在地震动场不同位置，地质条件不同，影响地震波的振幅和频率，即局部场地效应(site effect)。 地震波在传播过程中，随着能量的耗散，振幅会减小，即衰减效应(attenuation effect)。 多点地震动输入问题（3）多点地震动的数值模拟单点地震动合成考虑各点的相干性引入行波效应引入局部场地效应空间相关多点地震动 迟滞相干函数的确定一般

6、需要依据足够的台阵资料分析得到。台湾的SMART-1台阵网(Lotung, Taiwan)是世界上较著名的台阵网，许多学者根据该台阵网所记录的资料建立了迟滞相干函数模型。需要考虑多点输入的工程结构 长度在600米以上 长度在200米以上且地质不连续 对于一般建筑：均匀场地以行波效应为主，不均匀场地同时考虑局部场地效应多点输入时的结构动力方程（1） 地震时，结构支承随地面运动，结构本身不受外加的动载，若以角标a表示与不受外力作用的结构节点有关的项，以角标b表示与结构支承（地基）节点有关的项： 多点输入时的结构动力方程（2） 任一支承处的运动必然引起结构所有节点处的位移，由于支承运动因地震地面运动

7、引起，故称因支承运动所引起其他节点处的位移为拟静力位移，记为Usa。 各节点总位移由拟静力位移向量Usa和动力相对位移向量Uda之和构成。支承随地面一起运动，故这些点的动力位移分量为零，所以有 多点输入时的结构动力方程（3） R称为影响矩阵，其力学意义为结构支承点的单位静位移所引起的结构非支承点的拟静力位移。 Kg为因支座相对运动所产生的弹性耦合矩阵Kab，记为支座运动加速度过程 。多点输入抗震计算方法 时程分析法：方法成熟、结果确定、需要进行多组地震波的分析； 随机振动方法：考虑了地震的不确定性、仍未达到完全实用； 反应谱方法：精度难以保证。有限元分析时的地震动多点输入（1） 大质量法。在地

8、基节点上附属很大的质量（比如质量可以取结构质量的1E6倍）来带动结构的响应。地基节点在激励方向不能约束。然后在质量单元上施加适当的力使地基产生所需加速度，如果质量为1E6，则施加1E6的力将产生单位加速度。只需为每一荷载步指定时间和相应的力即可。此方法的优点是可以得到结构的真实响应位移（包括了地基的平动）。 位移时程激励法。将时间-加速度关系进行积分，使其成为时间-位移关系，然后施加位移历程载荷。回顾：地震动一致输入时的方法：指定结构的加速度历程，在加速度方向约束地基节点，这样得到的应力计算结果是正确的，但位移计算结果是结构相对于地基的值。这个方法的好处是比较简单，只需为每一荷载步指定时间和相

9、应的加速度即可。有限元分析时的地震动多点输入（2）工程实例（1）首都机场3号航站楼水平双向多点输入时程地震反应分析工程概况工程实例（2）工程概况工程实例（3）计算参数确定地震波传播速度：800m/s，500m/s，250m/s地震加速度时程峰值：700mm/s2; 水平双向：1:0.85地震波的选择：El-Centro、Court-House波、场地波地震波传播方向及地震动输入方向0、45、90、135、180每个传播方向考虑两种地震动输入方向工程实例（4）分析情况汇总共120种工程实例（5）扭转角度多、单点比较 工程实例（6）设计建议钢柱边、角柱位置定义工程实例（7）设计建议钢柱影响系数弯矩

10、800m/s500m/s250m/s平均BODY普通柱1.001.001.001.00 边柱1.121.191.491.27 角柱1.341.622.251.73STEM普通柱1.001.001.001.00 边柱1.001.001.201.07 角柱1.121.191.301.20 工程实例（8）设计建议钢柱影响系数剪力800m/s500m/s250m/s平均BODY普通柱1.001.001.001.00边柱1.101.191.491.26 角柱1.271.562.101.64 STEM普通柱1.001.001.001.00 边柱1.001.001.101.03 角柱1.101.191.30

11、1.20 工程实例（9）第2讲 结构抗震分析模型2-1 地震动输入时的结构动力方程2-2 采用有限元法建立结构抗震分析模型2-3 典型工程结构抗震分析模型有限元程序分析的过程（1）（1）建模阶段 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。 但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。（2）计算阶段 计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件

12、控制并在计算机上自动完成。 （3）后处理阶段 它的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是结构有限元分析的目的所在。有限元程序分析的过程（2）建立有限元模型的基本步骤（1） 在上述三个阶段中，建立有限元模型是整个有限元分析过程的关键。（1）有限元模型为计算提供所以原始数据，这些输入数据的误差将直接决定计算结果的精度；（2）有限元模型的形式将对计算过程产生很大的影响，合理的模型既能保证计算结构的精度，又不致使计算量太大和对计算机存储容量的要求太高；建立有限元模型的基本步骤（2）（3）由于结构形状和工

13、况条件的复杂性，要建立一个符合实际的有限元模型并非易事，它要考虑的综合因素很多，对分析人员提出了较高的要求；（4）建模所花费的时间在整个分析过程中占有相当大的比重，约占整个分析时间的70%，因此，把主要精力放在模型的建立上以及提高建模速度是缩短整个分析周期的关键。建立有限元模型的基本步骤（3）建立有限元模型的一般过程（1）分析问题定义 在进行有限元分析之前，首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进行仔细分析，只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何模型。 总的来说，要定义一个有限元分析问题时，应明确以下几点：a）结构类型；b）分析类型；c）分析内容；d）计算精度要求；e）模型规模；f）

14、计算数据的大致规律。建立有限元模型的基本步骤（4）建立有限元模型的一般过程（2）几何模型建立 几何模型是从结构实际形状中抽象出来的，并不是完全照搬结构的实际形状，而是需要根据结构的具体特征对结构进行必要的简化、变化和处理，以适应有限元分析的特点。（3）单元类型选择 划分网格前首先要确定采用哪种类型的单元，包括单元的形状和阶次。单元类型选择应根据结构的类型、形状特征、应力和变形特点、精度要求和硬件条件等因素综合进行考虑。建立有限元模型的基本步骤（5）建立有限元模型的一般过程（4）单元特性定义 有限元单元中的每一个单元除了表现出一定的外部形状外，还应具备一组计算所需的内部特征参数，这些参数用来定义

15、结构材料的性能、描述单元本身的物理特征和其他辅助几何特征等。（5）网格划分 网格划分是建立有限元模型的中心工作，模型的合理性很大程度上可以通过所划分的网格形式反映出来。目前广泛采用自动或半自动网格划分方法，如在Ansys中采用的SmartSize网格划分方法就是自动划分方法。建立有限元模型的基本步骤（6）建立有限元模型的一般过程（6）模型检查和处理 一般来说，用自动或半自动网格划分方法划分出来的网格模型还不能立即应用于分析。由于结构和网格生成过程的复杂性，划分出来的网格或多或少存在一些问题，如网格形状较差，单元和节点编号顺序不合理等，这些都将影响有限元计算的计算精度和计算时间。（7）边界条件定

16、义 在对结构进行网格划分后称为离散模型，它还不是有限元模型，只有在网格模型上定义了所需要的各类边界条件后，网格模型才能成为完整的有限元模型。建立有限元模型的基本步骤（7）有限元模型的输入数据（1）节点数据：每个节点的编号、坐标值等；（2）单元数据 a）单元类 型； b）单元编号和组成单元的节点编号； c）单元材料特性，如弹性模量、泊松比、密度等； d）单元物理特征值，如弹簧单元的刚度、单元厚度等； e）一维单元的截面特征值，如截面面积、惯性矩等； f）相关几何数据； （3）边界条件数据 a）位移约束数据；b）载荷条件数据；c）其他边界数据。建立有限元模型的基本步骤（8）有限元模型的单元类型（1

17、）平面应力单元，平面应变单元；（2）轴对称实体单元，空间实体单元；（3）板单元，壳单元，轴对称壳单元；（4）杆单元；（5）梁单元；（6）弹簧单元；（7）间隙单元；（8）界面单元；（9）刚体单元；（10）约束单元。建立有限元模型的基本步骤（9）有限元分析的核心节点（1）构件的连接关系通过节点（2）物理意义：传力途径 *单元在节点上变形协调 *通过节点传力确保梁上有节点传力动力问题有限元基本概念（1）动力问题有限元基本概念（2） 自由振动分析 当动荷载为零，由初始位移和初始速度引起的结构振动称作自由振动。自由振动分析是求解结构作简谐振动时的固有频率和振动形式(振型)。最后归结为广义特征值的求解问题

18、或转换为标准特征值的求解问题。动力问题有限元基本概念（3） 动力响应分析 由于动荷载引起的结构振动称作受迫振动或动力响应。受迫振动分析是求解结构的动响应(动位移、动内力等)。可采用“振型叠加法”和“直接积分法”(或称“逐步积分法”)。动力问题有限元基本概念（4） 集中质量矩阵 将全部质量换算成集中质量放在结点上，形成集中质量矩阵。 一致质量矩阵 根据能量原理计算每一单元的质量影响系数，形成一致质量矩阵。动力问题有限元基本概念（5） 动力方程与静力方程的区别 (1) 动力方程比静力方程要多建立一个质量矩阵M和阻尼矩阵C。 (2) 静力方程为线性代数方程组，动力方程为关于时间的二阶微分方程组。 (

19、3) 静力问题要寻求线性代数方程组的有效解法，动力问题要寻求二阶常微分方程组的有效解法。集中质量矩阵（1） 单元质量矩阵 (1)将分布质量按某种原则换算成结点集中质量，按单元动力自由度顺序放入相应位置，即可形成单元集中质量矩阵。 (2)当质量均匀分布时，最简单且常用的方法是按照结点所分担的线段、面积和体积确定该结点的集中质量大小。 (3)因为假设质量集中成质点，故没有转动惯量，与转动自由度相应的惯量为零。 集中质量矩阵（2）集中质量矩阵（3）集中质量矩阵（4）集中质量矩阵（5） 总体质量矩阵 按照与集成总体刚度矩阵相同的方法，可形成总体质量矩阵。 单元集中质量矩阵为对角矩阵，集成的总体质量矩阵

20、也为对角矩阵，其中包括与转动自由度对应的零对角线元素。但如果一个转动自由度对应的是一个具有有限转动惯量的刚体质量，则该自由度对应的对角线元素为转动惯量。 一致质量矩阵 当采用与建立单元刚度矩阵相同的形函数(即单元动位移与静位移取相同的位移模式)，求得的单元质量矩阵称作单元一致质量矩阵，由此集成总体一致质量矩阵。 一般说来，用一致质量矩阵算得的频率是结构真实频率的上限，用集中质量矩阵算得的频率是结构真实频率的下限；单元一致质量矩阵为满阵，数值计算费时；总体一致质量矩阵具有总体刚度矩阵同样的带宽。集中质量矩阵为对角阵，占用内存较少，计算简单。工程上采用集中质量矩阵计算的情况居多。重力荷载代表值（1

21、） 地震作用与结构质量（大小和分布）密切相关，需要规定质量的计算方法。 结构抗震设计时所考虑的重力荷载，称为重力荷载代表值。重力荷载分为恒载（自重）和活载（可变荷载）两种。地震发生时的活载水平一般小于标准值，采用组合值系数考虑活载的折减。抗震规范规定：重力荷载代表值（2）组合值系数可变荷载种类组合值系数雪荷载0.5屋面积灰荷载0.5屋面活荷载不计入按实际情况计算的楼面活荷载1.0按等效均布荷载计算的楼面活荷载藏书库、档案馆0.8其它民用建筑0.5吊车悬吊物重力硬钩吊车0.3软钩吊车不计入单元阻尼矩阵（1）单元阻尼矩阵（2）总体阻尼矩阵（1）阻尼矩阵总体阻尼矩阵（2）第2讲 结构抗震分析模型2-

22、1 地震动输入时的结构动力方程2-2 采用有限元法建立结构抗震分析模型2-3 高层建筑结构抗震分析模型高层建筑结构分析的计算模型 常用的高层建筑结构分析软件主要采用的三类计算模型： 三维空间有限元分析模型 平面结构空间协同工作分析模型 高精度有限元平面分析模型。其中，以第一类和第三类应用最多。高层建筑结构按三维空间结构分析采用有限元方法，对于框架梁、柱、剪力墙和楼板分述如下：高层建筑结构分析的三维空间模型（1）框架的梁和柱 一般采用空间线形杆元。杆元每端有6个自由度（3个平移，3个转动）高层建筑结构分析的三维空间模型（2）剪力墙 采用的有限单元主要有： 开口薄壁杆元 板壳单元 墙元 镶边膜元

23、墙组元高层建筑结构分析的三维空间模型（3）普通楼板 在高层建筑结构分析的三维空间模型中，有4种模型： 楼板整体平面内无限刚 弹性楼板 楼板分块平面内无限刚 楼板分块平面内无限刚并带有弹性连接带高层建筑结构分析的三维空间模型（4）普通楼板 楼板的作用除了承受竖向荷载外(楼板产生竖向挠度和受弯)，在水平荷载作用下，楼板把各个抗侧力结构联系在一起，共同受力。这里所说的刚性楼板和弹性楼板，是指在水平荷载作用下楼板在其自身平面内的性质，因此也是计算的假定。高层建筑结构分析的三维空间模型（5）普通楼板 在水平荷载作用下，楼板相当于一个水平放置的梁，它具有有限刚度，它会有水平方向的弯曲变形(楼板平面内)，称

24、为弹性楼板。弹性楼板假定下，在同一楼板平面内的杆件两端有相对位移，节点的计算自由度(或未知量)都是独立的。 高层建筑结构分析的三维空间模型（6）普通楼板 为了简化计算，通常把楼板看成在平面内无限刚性，楼板在其自身平面内没有任何变形，就称为刚性楼板假定。由于这个假定，在同一楼板平面内的杆件没有相对位移，即平移自由度不独立，可大大减少计算未知量。由于通常房屋的面积很大，楼板实际变形很小，这种假定是符合实际的。高层建筑结构分析的三维空间模型（7）普通楼板 刚性楼板又有两种情况： 1)楼板只能在其平面内发生刚体平移，即每个楼层平面只有一个自由度x(或y)； 2)楼板在其平面内发生刚体转动，即在每个楼层

25、平面有三个自由度x、y、 。 通常都同时假定在水平荷载作用下，楼板平面外没有刚度。 高层建筑结构分析的三维空间模型（8）普通楼板由于假定楼板平面内无限刚性，每个楼层只有三个自由度，梁柱的独立自由度都减少，可大大减少计算自由度及未知量。高层建筑结构分析的三维空间模型（9）普通楼板 空间结构计算与空间协同计算不同，空间结构是整体计算的，凡是相交的各个杆件都互相关联，由于要求结点位移连续，在水平荷载作用下无论哪个方向的杆件在结点变形必须一致，杆端竖向位移也必须协调。不过，由于刚性楼板假定，在楼板平面内的杆件两端仍然没有相对位移，无法计算这些杆件的轴向变形和内力。高层建筑结构分析的三维空间模型（10）

26、普通楼板 应当说明的是，在大多数建筑结构中，楼板平面内无限刚性假定是符合实际的，计算结果的误差很小，楼板平面内梁的轴向力也很小，可以忽略。这种空间结构计算应用十分广泛，基本符合实际，可以满足需要。只在下列两种情况下需要考虑更精确的弹性楼板假定的计算方法：普通楼板 (1)结构平面布置狭长，或楼板开洞或局部凸出造成楼板有狭长部分，在水平荷载下楼板作为水平梁会有较大变形，这时必须采用弹性楼板假定进行计算。高层建筑结构分析的三维空间模型（11）普通楼板 (2)结构中有转换层，或有伸臂结构，必须得到转换结构及伸臂结构上、下弦杆轴向力，而上、下弦杆都在楼板平面内，忽略其轴向变形将造成较大误差。对于这种情况

27、，方法之一是，不采用楼板无限刚性假定，按计算类型4进行计算，此时计算工作量将大大增加；方法之二是，在用本方法作整体计算后，再采用局部计算方法对转换结构或伸臂结构做补充计算。高层建筑结构分析的三维空间模型（12）普通楼板 弹性楼板假定：空间杆件，每个节点有独立的6个自由度，楼板在其平面内有变形。这种计算方法既可得到梁、柱构件的所有变形和内力，又可以计算结构扭转和楼板变形，是相对更为精确的一种计算方法，但是，计算自由度及未知量大大增加，这种计算方法并不是在所有商用程序中都有。高层建筑结构分析的三维空间模型（13）转换层厚板 当剪力墙采用板壳单元、墙元等有限元模型时，转换层结构的厚板采用Mindli

28、n板理论及中厚板单元。 当剪力墙简化为开口薄壁杆元时，结构为三维杆系模型，厚板不能直接考虑，须将实体厚板转化为等效交叉梁系。高层建筑结构分析的三维空间模型（14）平面结构空间协同工作模型 80年代以前国内高层建筑结构最常用的结构分析模型。 两个基本假定：（1）结构被分成若干榀平面框架和平面剪力墙，并把它们作为壁式框架处理；（2）楼板在自身平面内无限刚，楼面上任一榀框架或剪力墙的位移都可以由座标原点的三个位移来表示。 计算步骤：（1）按位移协调条件，分配水平力；（2）用矩阵位移法计算单榀平面框架杆件内力。剪力墙平面有限元分析模型（1） 剪力墙是平面结构，又往往被门窗洞口划分成框架支墙或带连梁的肢

29、墙，其实际受力状态与前述计算模型有不同程度的差异。剪力墙平面有限元分析模型利用三维空间分析模型的分析结果对这种特别的局部墙体作进一步的精确分析，并据此进行配筋。 两种分析单元：（1）普通三角形单元和普通矩形单元；（2）高精度单元。剪力墙平面有限元分析模型（2） 高精度三角形单元：每个节点6个自由度，故称为三角形18自由度单元。 高精度矩形单元：采用的是8节点矩形等参单元。 高精度有限元程序广泛用于框支剪力墙的应力分析、内力计算和配筋设计上。不仅可以用于墙体的某个局部，也可以用于某一整片墙体；作用于该分析模型上的力不仅可以从整体分析以后的开口薄壁杆元内查取，也可以从整体分析以后的墙元等有限单元内

30、查取。高层混凝土结构分析模型的选择（1）整体分析模型的选择 平、立面布置简单规划的框架结构、框剪结构：宜采用三维空间分析模型；可采用平面框架空间协同工作分析模型。 剪力墙结构、筒体结构和复杂布置的框架结构、框剪结构：三维空间分析模型。高层混凝土结构分析模型的选择（2）整体分析模型的选择 对于长墙、矮墙、多肢剪力墙、悬挑剪力墙和变截面剪力墙：不适合采用三维空间分析的开口薄壁杆元模型。对于框支剪力墙以及洞口不对齐的剪力墙，采用开口薄壁杆元模型要作简化处理，并应在进行了整体分析的基础上，再用平面有限元程序对框支局部进行二次有限元分析。高层混凝土结构分析模型的选择（3）楼板模型的选择 对于多数常规高层

31、建筑：采用楼板平面内无限刚度假定。 对于多层和错层结构：采用楼板平面内分块无限刚假定。 对于楼板局部开大洞，塔与塔之间设置连廊的多塔结构以及某些平面布置较特殊的结构：采用楼板平面内分块无限刚并带有弹性连接板带的假定。高层混凝土结构分析模型的选择（4）楼板模型的选择 对于上述三种情况之外的特殊楼板或要求分析精度高的高层结构：采用楼板为弹性板的假定。下列情况考虑平面内楼盖刚度的影响： 长宽比大于3、带端墙或榀刚度悬殊的结构 具有复杂平面的建筑 竖向体形变化较大的建筑物高层混凝土结构分析模型的选择（5）走廊弱连接宿舍狭长高层住宅核心筒部分弱连接高层混凝土结构分析模型的选择（6）开大洞双塔裙房连接部位

32、影响两塔振动周期高层混凝土结构分析模型的选择（7）连体狭长弱连接高层混凝土结构分析软件的选择（1）一般要求 目前，高层建筑结构分析与设计软件功能十分强，包括：静力分析、动力分析、构件设计、结构施工图绘制和材料分析以及施工荷载模拟分析等。 要正确理解并能区分某个及某几个结构分析软件的整体分析模型及楼板平面内刚度的假定，并结合工程对象的实际情况正确地选用。高层混凝土结构分析软件的选择（2）我国高规对选择软件的规定 体形复杂、结构布置复杂时，应至少采用两个不同的力学模型的结构分析软件进行整体计算，保证可行性。 B级高度高层建筑和复杂高层建筑，结构分析至少应采用两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整

33、体内力和位移计算。 对结构分析软件的计算结果应进行分析判断，确认其合理、有效性。高层建筑结构分析和设计程序 现代高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性发展，其结构复杂，体量很大，因此其结构分析和设计一般须通过程序由计算机完成。 目前现有的结构分析和设计程序很多，其计算模型和分析方法不尽相同，计算结果的表达方法也各异。所以，在进行结构分析和设计时，首先要了解现有结构分析和设计程序各自的特点，结合所设计结构的具体情况，选用合适的设计软件。结构分析通用程序 结构分析通用程序是指可用于机械工程、航天工程、船舶工程、交通工程和土木工程各领域的结构分析程序。这类程序的特点是单元种类多、适应能力强、功能齐全

34、等，一般可用来对高层建筑结构进行静力和动力分析。但由于这类程序没有考虑高层建筑结构的专业特点，而且未纳入我国现行规范和标准，所以一般仅用于结构分析。 结构分析通用程序SAP2000程序 大型有限元结构分析程序SAP2000是由E.L.Wilson等编制、美国CSI公司开发的SAP系列结构分析程序，是我国结构工程界应用较多的结构分析程序之一。该程序可以模拟众多的工程结构，包括房屋建筑、桥梁、水坝、油罐、地下结构等。应用SAP2000程序可以对上述结构进行线性及非线性静力分析、动力反应谱分析、线性及非线性动力时程分析，特别是地震作用及其效应分析，分析结果可被组合后用于结构设计。 结构分析通用程序S

35、AP2000程序 SAP2000程序对各种荷载采用下述方式输入：静力荷载除了在结点上指定的力和位移外，还有重力、压力、温度和预应力荷载；动力荷载可以用地面运动加速度反应谱的形式给出，也可以用时变荷载形式和地面运动加速度形式给出；对桥梁结构可作用车辆动荷载。 结构分析通用程序SAP2000程序 SAP2000程序中有丰富的单元库。其主要的单元类型有：杆元、板元、壳元、实体元及线性（或非线性）连接单元。有绘图模块及各种辅助模块（交互建摸器、设计后处理模块、热传导分析模块、桥梁分析模块等）。 结构分析通用程序ANSYS程序 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型有限元分析软件

36、，由美国ANSYS公司开发。软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模和网络划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。结构分析通用程序ANSYS程序 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可以将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可以看到结构内部）等方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 结构分析通用程序ANSYS程序

37、ANSYS软件提供了100多种单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料，如四边形壳单元、三角形壳单元、膜单元、三维实体单元、六面体厚壳单元、梁单元、杆单元、弹簧阻尼单元和质量单元等。每种单元类型又有多种算法供用户选择。 结构分析通用程序ANSYS程序 ANSYS软件目前有100余种金属和非金属材料模型可供选择，如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、土壤、混凝土、流体、复合材料、炸药及起爆燃烧以及用户自定义材料，并可考虑材料失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变相关等性质。 高层建筑结构分析与设计专用程序 ETABS程序 ETABS程序是由E.L.Wilson等编制、美国CSI公司开发的高层建

38、筑结构空间分析与设计专用程序。该程序将框架和剪力墙都作为子结构来处理；采用刚性楼盖假定；梁考虑弯曲和剪切变形，柱考虑轴向、弯曲和剪切变形，剪力墙用带刚域杆件和墙板单元计算。可以对结构进行静力和动力分析，能计算结构的振型和频率，并按反应谱振型组合方法和时程分析方法计算结构的地震反应。在静力和动力分析中，考虑了效应，在地震反应谱分析中采用了改进的振型组合方法（CQC法）。 高层建筑结构分析与设计专用程序 ETABS中文版软件 中国建筑标准设计研究院与美国CSI公司合作，推出了完全符合我国规范的ETABS中文版软件。ETABS中文版软件提供了混凝土和钢的材料特性、中国等几个国家的型钢库（工字钢、角钢

39、、H型钢等），用户可以定义任意形状的截面以及如梁端有端板、带牛腿柱等变截面构件。可以定义恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等工况；可以施加温度荷载、支座移动等荷载；可按规范要求生成荷载组合。高层建筑结构分析与设计专用程序 ETABS中文版软件 提供了多种楼板类型（如压型钢板加混凝土楼板、单向板和双向板等）以及线性、Maxwell型粘弹性阻尼器、双向弹塑性阻尼器、橡胶支座隔震装置、摩檫型隔震装置等连接单元。针对建筑结构的特点，考虑了节点偏移、节点区、刚域、刚性楼板等特殊问题。该软件设置了钢框架结构、钢结构交错桁架、混凝土无梁楼盖、混凝土肋梁楼盖、混凝土井字梁楼盖等内置模块系统，只要输入简单的数据，就可快速建立计算模型。 高层建筑结构分析与设计专用程序 ETABS中文版软件的抗震分析功能 反应谱分析。提供特征值、特征向量分析和Ritz向量分析求解振型，根据我国的地震反应谱进行地震反应分析，可以选择SRSS法、CQC法进行振型组合，可以计算双向地震作用和偶然偏心以及竖向地震作用。 静力非线性分析。根据用户设定的塑性铰特性，对结构进