ANSYS高层建筑主体结构地震响应分析及优化

1、范文最新推荐ANSYS高层建筑主体结构地震响应分析及优化摘要现代高层结构的规模越来越大，高度越来越高， 其抗震设计也越来越重要。国内外不少学者都正致力 于研究高层结构在地震响应、弹塑性时程分析等方面 的新理论和新方法。本文结合南京某36层高层住宅楼 的工程背景，运用SATWE软件分析结构基本周期和 多遇地震下的弹性反应，运用EPDA软件分析结构罕 遇地震下的弹塑性反应。结果表明：（1）减小墙厚和 减少墙体布置可以调整原结构方案偏小的基本周期， 保证结构整体刚度的合理性。（2）本结构在多遇地震 下的层间位移角满足规范要求，且 ANSYS与PKPM 在周期和弹性时程分析方面的计算结果符合的很好。（

2、3）本结构在罕遇地震下的层间位移角满足规范要 求，且通过对有害位移角等曲线的判断第 6、7层为薄 弱层，通过塑性较出现顺序判断东北和西南两户的客 厅短梁为薄弱构件，为结构设计提供了有益的参考。1 / 31关键词高层结构地震响应时程分析薄弱层塑性较 10196毕业设计说明书(论文)外文摘要TitleArchitectural and Structure Design of One High-rise ResidentialBuilding (36-storey) in Nanjing - Analysis and Optimizationof the Main Structure Earthqu

3、ake ResponseAbstractThe modern high-rise structures are becoming larger, higher and the seismic design is also becoming more important. Domestic and foreign scholars are working on the new theories and methods in seismic response, nonlinear time history analysisof high-rise structures. In this paper

4、, according to the engineeringbackground of a 36-storey high-rise residential building in Nanjing, the 范文最新推荐author uses SATWE and EPDA to analysis the period and response under multi earthquake and rare earthquake. The results showed that:(1)to reduce the thicknessof the wall and the wall layout co

5、uld adjust the low fundamental period of the original structure so as to ensure the rationality of overall stiffness of the structure.(2)theangle of floor displacement in the multi earthquake meet regulatory requirements, and the elastic time history analysisresults of ANSYS and PKPM agree well.(3)t

6、he angle of floor displacementin the rare earthquakemeet regulatory requirements, and hazardous displacement angle curve analysis showed that the 6,7 layer are weak layers, the two short beam of the northeast and southwest parlor are weak components according to the appearanceorder of plastic hinges

7、, all of these are useful referencesfor the structural design.近十多年来，国内外高层建筑发展的很快，层数日益 增多，高度日益增高，体型越来越复杂，体系越来越3 / 31新颖，新材料的应用也日益增多。可以说在如今的土 木工程领域中，高层建筑是世界各国在城市建设中的 主要形式。在现代化大都市中，过度的人口和建筑密度，城市用 地的日趋紧张，使得人们不得不向空间发展。而高层 建筑具有占地面积少、建筑面积大、集中化程度高等 特点，不仅可以大量的节省土地的投资，而且具有良 好的日照、采光和通风效果。同时，高层建筑结构向 高空延伸，可以缩小城市的

8、平面规模，缩短城市交通 和各种公共管线的长度，从而节省城市建设与管理的 投资。1.1.1高层建筑概况我国原JGJ3-91钢筋混凝土高层建筑设计与施工规 程曾规定8层及8层以上的民用建筑为高层建筑。 但是此后的近十年中，我国高层建筑得到迅速发展， 建造数量变大，发展速度变快，建筑高度变高。为此， 我国在高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002 中，就将高层建筑结构的判别标准修改为10层及10层以上，或房屋高度大于 28m。而在国际社会中则普范文最新推荐遍认可于1972年召开的国际高层建筑会议对高层建 筑制定了划分标准，详见表1.1。我国的这一修改也是 为了与国际标准相接轨。表1.1国际高层

9、建筑划分标准划分类别层数限制高度限制第一类 916 层50m第二类 1725 层75m第三类 2540 层100m超高层建筑40层 100m(1)结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防 烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工 等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定。5 / 31(2)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途 径。(3)应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧 失抗震能力或对重力荷载的承载能力。(4)应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消 耗地震能量的能力。(5)对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震 能力。(6)宜有多道抗震防线。(7)宜具有合理的刚

10、度和承载力分布，避免因局部削 弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性 变形集中。(8)结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。其中，很多的要求是针对抗震设计展开的，因为在建范文最新推荐筑设计中，是否考虑抗震要求，从总体上起着直接的 主导作用。结构设计很难对建筑设计有较大的修改， 建筑设计定了，结构设计原则上只能服从于建筑设计 的要求。如果建筑师能在建筑方案初步设计阶段中较 好地考虑抗震的要求，则结构工程师就可以对结构构 件系统进行合理的布置，建筑结构的质量和刚度分布 以及相应产生的地震作用和结构受力与变形就比较均 匀协调，使建筑结构的抗震性能和抗震承载力得到较 大的改善和提高；如果建筑师提

11、供的建筑设计没有很 好地考虑抗震要求，那就会给结构的抗震设计带来较 多困难，使结构的抗震布置和设计受到建筑布置的限 制，甚至造成设计的不合理。有时为了提高结构构件 的抗震承载力，不得不增大构件的截面或配筋用量， 造成不必要的投资浪费。由此可见，建筑设计是否考 虑抗震要求，对整个建筑起着很重要的作用然而，随着计算机技术迅速发展，结构计算分析与设 计软件不断地改进，采用设计软件通过计算机进行高 层建筑结构计算和设计已逐渐成为当前高层建筑结构7 / 31计算分析与设计的主要方法。结构设计软件已成为确 保设计质量和提高设计效率的一种必备工具18。2. 1建筑结构软件的计算方法计算机计算建筑结构的方法大

12、体上可以分为以下四种 19。平面协同计算平面协同计算采用平面结构假定、楼板平面内无限刚 度假定，且楼板只能平移。构件为平面杆件，每个节 点有3个自由度，两端为6个自由度，其单元刚度方 程为66矩阵。这种方法与近似的手算方法类似，与荷载作用方向相 垂直的杆件不受力。虽然它比手算方法略为精确一些， 但是它不考虑扭转，不能计算平面复杂的结构，因此, 这种简化较大的计算方法在工程设计中已基本不采 用。空间协同计算范文最新推荐空间协同计算采用平面结构假定、楼板平面内无限刚性假定，楼板有扭转角，每个楼层有 3个自由度。与 平面协同计算相同，空间协同计算将结构分为若干个 平面子结构，杆件单元刚度矩阵同平面协

13、同计算的单 元刚度矩阵。空间协同计算可以计算不对称结构，也可以计算结构 扭转，因此比平面协同计算方法的适用面更广。但是, 由于空间协同计算采用了平面结构假定，必须把结构 分解成许多根平面结构，相互垂直的各个平面结构即 使相交也相互独立，与水平荷载垂直的平面结构只参 与抗扭，因此只在结构允许划分成平面结构时才可以 应用该计算方法。实际上，在许多情况下，结构无法分成明确的一个个 平面，如果一定要分成平面结构，各平面结构相交处 的竖向位移不相同，造成结构不连续，与实际不符合， 计算结果误差较大。因此，在计算机能力急速发展的 今天，这类结构完全可以采用更为精确的方法进行计 算。9 / 31 随着技术的

14、进步，计算机的更新换代，计算技术、方 法和程序也在日渐发展变化。早在 20世纪80年代， 高层建筑结构计算程序以空间协同计算为主，考虑楼 板变形的计算程序根本不可能实现；进入 20世纪90 年代后，空间结构计算程序普遍代替了空间协同计算， 除了一些简单规则的单层及多层建筑仍然采用平面或 空间协同计算外，高层建筑结构的计算以假定楼板平 面内无限刚性的空间结构计算方法为主，在需要时， 复杂结构可以采用考虑楼板变形的完全空间结构计算 程序进行分析。可见软件计算方法的发展和进步使计 算精度大大提高，为诸如弹塑性动力时程分析等复杂 软件的实现提供了计算精度上的保证。2. 2弹塑性动力时程分析软件EPDA

15、EPDA软件是由中国建筑科学研究院 PKPMCAD工程 部开发的简单实用的弹塑性动力时程分析软件。由于 我国建筑抗震设计规范（GB 50011-2010和高 层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2010 20都明确范文最新推荐规定“对不规则的、具有明显薄弱部位的、较高 的高层建筑结构，应进行罕遇地震作用下的弹塑性变 形”。而在“大震”作用下，高层建 筑一般都处于弹塑性工作状态，对这类结构进行较准 确的分析，一定要考虑材料的弹塑性性质21。故使用 EPDA软件对有抗震设防要求的建筑结构，尤其是高 层、超高层建筑结构，进行弹塑性动力反应分析是十 分必要的。2.2.1EPDA软件应用范围EPDA软

16、件可以按任意给定方向计算结构的弹塑性时程响应，适用于 “中震”和“大震 ”作用下各种材料的多、高层及超高层建筑结 构，包括钢筋混凝土结构、钢结构和钢与混凝土混合 结构。同时，程序中还考虑了多塔、转换层等结构特 点。程序所采用的材料本构关系力求做到准确并符合 中国规范。钢材的本构关系采用双折线，设计者可以 自由控制塑性阶段的杨氏模量折减。混凝土的本构关 系给出了双折线和三折线两种形式，可以考虑受拉开 裂、裂缝闭合和压碎退出工作等混凝土材料所特有的11 / 31 复杂特性；其中三折线滞回本构关系是按混凝土结构设计规范(GB 50010-2010 22采用等能量法得到 的，具有较高的拟合精度。以下为

17、 EPDA软件的功能 简介。EPDA程序提供了计算三向地震的功能，并且免 费为用户提供了对应不同特征周期的三向地震波库。EPDA程序采用了目前阶段可以使用的较为先进 的梁单元模型。梁、柱、支撑等一维构件采用纤维束 模型模拟，纤维束模型的适用性好，不受截面形式和 材料限制，被认为是一种较为精确地杆系有限单元模 型。EPDA程序中通过综合提高计算效率，较好的避 免了该模型计算工作量大的问题；同时，程序中给出 了直观的杆系单元端部塑性较判断方法。EPDA软件提供了与“纤维束模型” 相对应了另外一种梁、柱、支撑的模拟单元类型“ 塑性较模型”,用户可以根据需要在二者之间选 释使用。范文最新推荐(5)剪力

18、墙弹塑性性质模拟是混凝土结构弹塑性分析的难题。EPDA程序将SATWE、PMSAP程序中使用 的弹性墙单元进行了推广，考虑其弹塑性性质，使用 弹塑性墙单元来模拟剪力墙的弹塑性性质。这种单元 计算效率高，精度好，可以较真实地分析和显示剪力 墙的弹塑性状态，相对于一些简化的墙单元弹塑性性 质考虑方法有着明显的优势。(6)为了提高程序的计算效率，EPDA程序的线性方 程解法在给出了通常的LDLT解法的同时，还给出了 波前法和较为高效的有预处理功能的共轲斜量法，即 PCG法，用于结构动力弹塑性分析，使程序的求解效 率明显提高。3与其他有限元分析软件的比较国内外高层建筑结构计算程序很多，结构计算计算机

19、辅助设计系统也有各种版本。大致可以分为结构分析 通用程序和高层建筑结构专用程序。结构分析通用程 序是指可用于机械、航天、船舶、交通、水利和建筑13 / 31 等各部门的结构分析程序。其特点是单元种类多、适 应能力强、功能齐全。然而结构分析通用程序虽然可 以用来对高层建筑结构进行静力和动力分析，但由于 其通用性强，反而不如专用程序针对性强、便于应用， 因此，人们也往往乐于采用EPDA软件等高层建筑结 构的专用程序来分析计算。下面介绍几种不同的弹塑 性动力分析计算软件，并与EPDA软件进行比较。2.3.2ABAQUSABAQUS软件是由David Hibb山等人于1978年成立了 HKS公司后，开

20、始开发的通用有限元程序。ABAQUS 软件提供了混凝土三维实体单元，壳单元和梁单元。 作为通用软件能直接完成钢结构非线性分析，但不能 直接进行钢筋混凝土结构的动力响应分析。要想进行 这类分析，必须进行二次开发，目前国内已经有研究 人员开展了这方面的工作。ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可 以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾范文最新推荐驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。如针 对某一双塔连体高层结构工程，采用ABAQUS软件建 立三维弹塑性仿真模型，并进行了中震地震作用下结 构的弹塑性分析。通过对计算结果的分析整理，可初 步掌握了该双塔连体结构在地震作用下的动力

21、特性， 为深化设计和加强薄弱部位提供了依据24。但是在已 用PMCAD建模完成后，如果采用ABAQUS建模进行 弹塑性分析，与EPDA的读取SATWE等生成计算模 型相比，需要重新建模，实用性相对较弱。2.3.3ANSYSANSYS程序是一个大型通用的有限元计算机程序， 其 代码长度超过10万行，是到目前为止在世界范围内唯 一通过ISO9001质量认证的计算机辅助工程设计分析 类程序。它融结构、热力学、流体、电磁和声学等于 一体，可广泛应用于核工业、铁路与交通公路、石油 化工、航空航天、机械制造、能源、汽车、电子与家 电、国防军工、造船、生物医学、轻工业、地矿、水 利水电以及土木建筑工程等方面

22、的科学技术研究。15 / 31ANSYS程序中分析采用的有限元法是用计算机进行 数值模拟计算的一种方法，包括连续体的离散化、加 边界条件、求解方程组以及输出分析结果，主要用于 非线性分析。如运用ANSYS对某复杂高层建筑结构进 行模态分析及地震荷载作用下的时程分析，通过计算 可得出结构的频率、振型、位移及内力，为结构设计 提供了可靠的参考依据25。然而ANSYS没有自带的 地震波库，如果要进行弹塑性时程分析，需要用户自 定义地震波。这一点明显不如EPDA免费为用户提供 了对应不同特征周期的三向地震波库使用方便。1设计资料本结构地上34层、地下2层。结构体系为剪力墙结构, 材料选用钢筋混凝土。主

23、要功能为居住，一层具有物 管、收发等设施和功能，地下1层为自行车库，地下 2层为车库，并满足人防要求。现已有全套的建筑、 结构施工图和地质勘查报告。其建筑平面图与立面图 详见图3.1和图32范文最新推荐图3.1标准层平面图图3.2西立面图 用PKPM系列结构设计软件做工程设计， 首先要根据 工程实际情况合理地选定运行模块，应以满足设计深 度、保证工程设计质量为标准。在操作中重点把握两 点：一是网格的建立要准确，做到 PMCAD的数检无 误；二是设计参数的定义要合理，做到在 SATWE数 检报告文件中没有出错的信息提示。为此在建模之前， 首先要将建筑、结构上需要用到的资料整理归类，以 便建模中构

24、件、参数的定义和查询，详见表 3.1。17 / 31表3.1建筑结构基本信息表 基本信息类别信息数据范围主体结构选用材料混凝土强度等级C40整个结构钢筋级别HRB335纵筋、主筋级另1J HPB235箍筋、分布筋基本构件墙承重墙厚度/mm200整个结构剪力墙非承重墙厚度/mm150 （空心砌块）非通风井等处200 （耐火砖）通风井等处膨胀珍珠岩7楼顶屋面范文最新推荐混凝土空心砌块11.8填充墙耐火被20通风井等隔墙木门面荷载/kNm-20.2阳台门大理石铺面1.36阳台栏杆将上述所有信息汇总后，模型建立的基本数据就整理 完成了。然后需要从模型建立的角度出发，对模型分 析过程进行问题重述。在重述

25、过程中，对于满足规范 要求的部分，可以采取适当的简化处理。高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010和建 筑抗震设计规范(GB 50011-2010都要求，当高层 建筑地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应符合 下列规定：(1)地下室顶板应避免开设大洞口 ；地下室在地上结 构相关范围的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以 外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构；其楼板厚度不19 / 31 宜小于180mm,混凝土强度等级不宜小于 C30,应采 用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%(2)结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地 下一层侧向刚度的0.5倍；地下室周边宜有与其顶板

26、 相连的抗震墙。(3)地下一层抗震墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截 面面积，不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵 向钢筋的截面面积。根据建筑、结构方面的资料，本结构混凝土强度等级 为C4Q地下室顶板厚度为200mm,地下室顶板经计 算最小配筋率为0.26%,满足作为上部嵌固部位的要 求。此外，地下一层与相邻上层的侧向刚度比、地下 室与上部对应剪力墙墙肢端部边缘构件的纵筋截面积 等均满足规范中将地下室等般作为上部嵌固部位的要 求。故选取地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。本 结构只需针对地上结构进行建模。范文最新推荐1600,450,550,1850,1800,450,1600,1350左进深：2

27、100,1100,1300,2100,2400,1350,1350,2000,750,1350,1050,1 550,2400,2100,1300,1100,2100其中，存在有两处轴线的合并。由于建筑图中13轴线 和14轴线间距为50mm、K轴线和L轴线间距为 100mm,而PKPM程序为了防止后续结构分析计算中 出现数检报错、计算混乱等现象，规定了最小节点距 离为50mm26,即节点距离不大于50mm会归并为一 个节点；而如果梁中包括有两个距离小于 200mm的节 点，虽不会出现错误，但程序有数检警告提示。故本 次建模将这两对轴线进行归并，具体操作为14轴线并 入13轴线、K轴线并入L轴线

28、，以防止后续计算中出 现迭代计算不收敛等错误。进行轴线命名、平行直线并删除多余节点等修改操作21 / 31后，形成的轴网详见图3.3图3.3PMCAD平面轴网3.2.2墙体洞口布置及墙间荷载本结构中的剪力墙均为 200mm厚。故 中仅需要定义一种墙截面尺寸。34层外围墙体和突出 屋面电梯间外围墙体由于其上有女儿墙，故分布有墙 间荷载。具体信息详见表32表3.2墙间荷载层数女儿墙高/m女儿墙厚/m墙重/kNm-1墙重计算式341.50.155.63250.151.5350.60.152.25250.150.6范文最新推荐本结构中的洞口包括在墙体上开有的门洞和窗洞，具 体信息汇总详见表3.3。表3

29、.3洞口布置门窗编号洞口尺寸/洞宽×洞高mm2标准层洞口 数量洞口分布/根梁上墙重kN/m墙重计算式150300 （ 26 根）通风井隔梁67.50200.15× 1 2.8-03储藏间隔梁 24.4311.80.15×； 2.8-03主卫书房 3 短梁 124.4311.80.15&timeg;2.8-0323 / 31容卫 X 向短梁 44.4311.80.15×（2.8-03楼梯平台梁2无150400 （ 2 根）储藏间 Y 向长梁24.2511.80.15×； 2.8-0.4150450 （ 16 根）储藏间 X 向长梁 44.1611

30、.80.15×； 2.8-0.45主卫书房 3 长梁 124.1611.80.15×2.8-0.45200400 （6根）容厅短梁4无候梯厅出口短梁2无200450 （15根）客厅长梁 4无阳台栏杆处梁 45.08 护栏 ：250.151.10=4.125大理石铺面：1.360.15=0.204范文最新推荐粉刷：170.021.102=0.7484.125+0.204+0.748=5.08阳台门处梁 41.740.23.70×；2.8-0.45雨篷外、挑梁3无二 b2535二 b三a3040三a三b4050三b注：1混凝土强度等级不大于 C25时，表3.5中保护层

31、厚度数值应增加5mm；2钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层，基础中钢筋的25 / 31混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起，且不应小于 40mm。标准层信息中的最后一项本层层高是由建筑专业提供 的，此处的层高在结构计算中不起作用，结构计算以 楼层组装中的层高为准。(a) 34层墙间荷载(b) 35层墙间荷载图3.5墙间荷载布置3.2.5荷载输入荷载输入主要包括梁间荷载、柱间荷载、墙间荷载和 节点荷载。本结构只有梁间荷载和墙间荷载。底层和 标准层没有墙间荷载，故不再列出。具体布置详见图 3.5和图 3.6。(a)底层梁间荷载(b)标准层梁间荷载(c) 34层梁间荷载(d) 35层梁间荷载范文最新推荐图3.6梁间荷载布置楼面恒活楼面恒活是为每个标准层制定楼面恒活的统一值。本 结构建模过程中，现浇板自重计入恒载当中，故不用 选择自动计算现浇板自重。具体设定界面详见图3.7。图3.7楼面恒活下面进行恒载和活载的参数计算。考虑建筑上楼地面、 屋顶面的作法，恒载计算详见表 36活载查阅建筑结构荷载规范（GB 50009-2001 27,参考各房间的功能要求，选取活载详见表3.7。表3.7楼面活载 活载位置取值/kNm-227 / 31楼面阳台2.5 楼顶电梯间7.0其他2.0屋面上人屋面2.0其实，在这里选取的楼面恒活只是大致选取楼面为恒载4.2 k