T广夏应用之多高层建筑结构计算中的疑难问题及其处理办法讲义

多高层建筑结构计算中的疑难问题及其处理办法

一、主流结构计算软件的发展发展历史构件计算

平面杆系

通用分析和设计

空间薄壁杆系

墙元杆系1982年计算机1995年1985年2007年小型机微机超性能微机2.下一代主流结构计算应具备的条件1）分析通用性：具有丰富的计算单元、荷载、快速而大规模的求解器；2）结构设计规范的紧密结合：能达到设计规范要求的各种计算功能；3）友好的前后处理：平面、立面和三维建模，参数完全开放设置，施工图自动生成；4）优秀的技术服务：提供及时、周到和彻底的技术咨询。3.国产通用分析和设计软件继续成为下一代主流计算1）GSSAP：主流结构计算软件2）PMSAP：复杂结构计算软件3）ETABS：国外计算软件二、模型简化

1.为什么壳单元在各计算软件中计算墙的结果不同1)采用壳单元的墙的基本计算方法：壳单元+子结构+转角约束

xy2123312)

计算结果不同的主要原因a)单元形函数每层采用一个带开洞的子结构式墙单元A点x向位移A点z向位移B点x向位移B点z向位移ETABS16.5484.18816.134-3.956GSSAP17.1384.20016.701-3.959SATWE19.2224.41218.540-4.054两片墙采用两个子结构式墙单元，洞口上部分采用梁单元

A点x向位移A点z向位移B点x向位移B点z向位移ETABS22.0804.85021.614-4.640GSSAP19.3994.26118.888-4.034SATWE20.0514.60619.243-4.130b)罚约束c)单元剖分长度5x52x21x1ETABS22.0804.85021.614GSSAP19.3994.26118.888SATWE20.0514.60619.243单元尺寸/厚度>5d)墙上下节点协调节点号水平位移(mm)按节点协调计算按罚约束1计算按罚约束2计算A4.2473.8514.195B3.5703.3233.510节点号竖向位移(mm)按节点协调计算按罚约束1计算按罚约束2计算A0.6410.4730.631B0.6410.4730.631软件名处理办法引起误差的原因和控制方法SATWE节点协调产生很多厚度大于尺寸的小壳单元；上下节点剖分不对出现不协调节点。PMSAP节点约束加入节点间罚约束使位移太小GSSAP节点协调+约束罚约束与节点协调相比，位移减少，所以当加罚约束时，节点间距离应控制在0.5m之内，否则应采用节点协调的计算方法2.次梁在在空间分析析中的计算算模型1)次梁来来源：建模模输入次梁梁和井字梁梁2)连续次次梁的两端端所搭接梁梁抗扭过大大当连续次梁梁的两端搭搭接不是墙墙柱且为刚刚接时梁端端边界条件件自动设置置为半刚，，半刚系数数为0.1，使连续续次梁的两两端弯矩较较小，与实实际模型相相符。刚接:-13.74半刚:-3.39铰接:0.003.梁柱的的7种变截截面形式计计算1)截面高高沿杆变化化2)变化类类型：等截截面、线性性变化、拱拱变化、圆圆弧变化、、半拱变化化、支托和和分段变化化3)直直线线杆杆和和圆圆弧弧杆杆按按20段段细细分分计计算算各各段段刚刚度度。。4.开开洞洞梁梁的的计计算算洞口口大大小小对对弯弯矩矩的的影影响响5.楼楼板板的的计计算算模模型型1)程程序序在在计计算算楼楼层层侧侧向向刚刚度度和和楼楼层层结结构构位位移移时时按按全全楼楼平平面面内内无无限限刚刚计计算算。。2)在在总总信信息息中中选选择择是是否否““所所有有楼楼层层强强制制采采用用刚刚性性楼楼板板假假定定””来来决决定定结结构构振振动动周周期期和和内内力力计计算算模模型型；；当选选择择““实实际际””模模型型时时，，根根据据楼楼板板的的单单元元计计算算类类型型和和节节点点周周边边板板的的情情况况自自动动形形成成实实际际模模型型来来计计算算周周期期和和内内力力。。楼楼板板的的单单元元计计算算类类型型分分为为：：a)刚性性板板（（面面内内无无限限刚刚，，面面外外刚刚度度为为0））；；b)膜单单元元（（面面内内弹弹性性刚刚度度，，面面外外刚刚度度0））；；c)板单单元元（（面面内内无无限限刚刚，，面面外外是是弹弹性性板板刚刚度度））d)壳单单元元（（面面内内面面外外均均为为弹弹性性刚刚度度））。。“实实际际模模型型””判判据据为为：：当结结构构有有采采用用刚刚性性板板或或板板单单元元的的楼楼板板时时，，根根据据楼楼板板所所采采用用的的计计算算单单元元自自动动形形成成多多块块平平面面内内无无限限刚刚的的刚刚板板，，对对于于用用户户指指定定为为膜膜单单元元和和壳壳单单元元等等的的不不属属于于刚刚板板上上的的楼楼板板或或节节点点自自动动根根据据实实际际情情况况按按弹弹性性楼楼板板或或自自由由节节点点计计算算。。3)考虑几何何不敏感性网格扭曲系数α端点弯矩荷载端点位移标准化端点剪力荷载端点位移标准化精确１１０１１１0.970.98２0.930.95GSSAP膜单元网格扭曲系数α端点弯矩荷载端点位移标准化端点剪力荷载端点位移标准化精确１１０１0.958１0.5020.510２0.2800.303ETABS膜单元6.带侧约束束地下室的刚刚度1)刚度放大大无依据；2)侧土弹簧簧根据侧土基基床系数；3)侧土基床床系数不同对对顶点位移和和周期的影响响。7.层间梁和和斜柱1)立面和三维输入入2)自动节点点剖分3)按弹性计计算（图）8.(杆端和和支座)自由度的释放放和约束1)梁两端铰铰接；2)单桩基础础上柱下端铰铰接；3)地下室嵌嵌固；4)不等高嵌嵌固；5)考虑沉降降不均匀计算算。1)梁两端铰铰接；2)单桩基础础上柱下端铰铰接；3)地下室完完全嵌固；结构层1平面面嵌固时，设设置结构层2中同一刚板板号任一墙柱柱下节点约束束。4)不等高嵌嵌固；a)在总体信息中中按实际模型型计算；b)结构层2平面面嵌固时，设设置结构层2中墙柱下节节点约束。5)考虑沉降降不均匀计算算只用于对重力力恒荷载工况况下约束，用用于考虑不均均匀沉降对结结构的影响。9.砖墙在空间分分析中的计算算砖墙计算模型型为开洞墙元元，可计算复复杂的砖砼混混合结构。10.单元自动剖分分单元自动剖分分是计算准确确的重要一环环。1）线单元剖分：：变截面、相相邻弹性板、、中间有其它它构件搭接点点；2）墙和梁带带洞口的矩形形单元剖分；；3）板的凸凹凹多边形剖分分。可自动剖分二二维任意凸凹凹多边形，多多边形内可包包含多边形洞洞口、剖分点点和剖分线。。基础CAD中的凸凹多边边形剖分。三、荷载与作作用1.通用分析析中荷载的完完整输入1)4个数据：类型型、工况、方方向和大小；；2)类型指的的是它的形式式如均布和分分布等；3)8类工况为：恒恒、活、水土土压力、预应应力、雪、温温度、人防、、施工和风荷荷载；4)6个荷载作用方方向：局部坐坐标的1、2、3轴和总体坐标标的X、Y、Z轴；5)可以在墙墙柱梁板上人人工布置荷载载。2.恒活荷载分重重力类和非重重力类工况类型荷载工况恒荷载重力类恒荷载：结构自重、装修等计入质量的恒荷载非重力类恒载：土侧压力、水侧压力、水浮力和预应力荷载等不计入质量的恒荷载可变荷载重力活载：规范定义的楼面活荷载，计入质量吊车荷载，可计入质量雪荷载，计入质量风荷载：可考虑8个方向温度:升温和降温地震作用地震作用：可考虑8个方向（工况）偶然偏心地震作用：可考虑8个方向（工况）人防荷载人防等效静力荷载施工荷载施工荷载3.温度荷载的计计算墙柱梁板都支支持温度应力力分析:1）包含升温温和降温两工工况；2）可布置均均匀升降温和和温度梯度荷荷载；3）采用应力力松弛系数来来考虑钢筋混混凝土结构的的徐变，实际际温差乘以应应力松弛系数数作为计算温温差，应力松松弛系数根据据温差变化过过程的缓慢程程度不同可取取0.3-0.5，温差差变化过程快快时应力松弛弛数大，反之之则小。4.地下室的人防防设计可以进行各种种复杂的地下下室人防计算算:1)多层人防的计计算；2)结构局部人防防的计算；3)多个人防单单元的计算算；4)没有直接布布置人防荷荷载的墙柱柱梁板的人人防计算。。计算过程：：1)选择“人防荷载”工况输入入墙柱梁板板的人防荷荷载；2)设置墙柱梁梁板考虑人防设设计，没有直接接布置人防防荷载的墙墙柱梁板可可考虑人防防设计；3)三维线弹性性有限元分分析；4)人防作用效效应组合；；5)人防构件截截面计算。。5.施工荷载作作用1）高层建筑筑结构首层层楼面宜考考虑施工荷荷载，不宜宜小于10kN/m2；2）单独作为一一个荷载工工况输入；；3）墙柱梁板板内力组合合：1.0恒+1.0施工荷载γG恒+1.0施工荷载6.风荷载作用用1)迎风面计算算根据风荷载载作用方向向，将建筑筑外轮廓投投影到垂直直风荷载作作用方向的的平面，每每一楼层的的层高乘以以楼层投影影宽度就是是迎风面积积。这里注注意，当楼楼层由多个个刚性隔板板组成时（（互不连通通）应分别别计算每个个刚板的投投影宽度，，否则风荷荷载会漏掉掉。2)层风荷载的的分配根据每个节点的的按迎风面面积分配，好于于以往计算算作用于质质心的方法法，两者顶顶点位移误误差最大可可达20%。3)多方向的风风荷载计算算有斜交抗侧侧力构件的的结构，当当相交角度度大于15°时，在风荷荷载计算时时也应分别别计算各抗抗侧力构件件方向的水水平力作用用。最多可输入入8个风荷载方方向，每个个风荷载方方向作为一一个独立的的工况参与与内力组合合。如0、90、180、2704)不同方向的的风基本风风压、体型型系数和自自振周期不不同5)楼顶附属物物的风荷载载计算1)梁柱上上可输入每每个风作用用方向的体体型系数和和迎风宽度度，墙板可可输入每个个风方向的的体型系数数和迎风面面积；2)基本风风压、风压压高度变化化系数和距距地Z高度处风振振系数按构构件所在的的层自动计计算；3)也可同同普通的静静力荷载输输入，只是是工况要选选择风荷载载工况；4)按层导导的风荷载载和用户在在构件布置置的风荷载载互相叠加加。7.地震作用1）多个地震震方向计算算a)最多可设置置8个地震方向向；b)每个方向可可考虑偶然然质量偏心心；c)每个方向可可考虑双向向地震的扭扭转效应；；d)每个方向进进行刚度比比和剪重比比等验算并并做相应的的内力调整整。2）3种固有频率率求解方法法子空间迭代代法计算精精度高，但但速度稍慢慢。对于小小型结构，，当计算振振型较多、、或需计算算全部结构构振型时，，宜选择该该方法。对对于普通结结构计算，，建议采用用该方法计计算。兰索斯(Lanczos)方法速度快快，精度稍稍低。对于于一般的结结构计算，，只需求解解结构的前前几十个振振型，需计计算振型数数远小于结结构的总自自由度数、、质点数，，兰索斯方方法的计算算结果与子子空间迭代代法计算结结果基本相相同。李兹向量(Ritz)直接法的速速度、精度度介于前两两者之间。。在一般的结结构设计中中，三种计计算方法的的计算精度度都能满足足设计要求求，对于特特殊结构当当采用一种种方法求解解不收敛或或不能求解解固有频率率时，可换换另一种方方法求解。。8.吊车荷载的的计算1)吊车车轨道a)两轨道可不不在同一高高度；b)两轨道可不不平行；c)每条轨道的的两端点可可不在同一一高度。2)荷载载作用点a)与柱自动求求交；b)与梁自动求求交。四、有关计计算的原则则1.模拟施施工和后浇浇计算1)准确的的模拟施工工计算程序对于模模拟施工的的求解方法法，不采用用任何近似似的方法，，而是真正正按施工过过程的状态态进行模拟拟计算，荷荷载和刚度度两个都在在变化的求求解，结果果合理。2)后浇构件的计算在框剪结构构设计中，，由于核心心筒剪力墙墙与周围柱柱竖向变形形差异大，，与两者连连接的梁在在计算上往往往承载力力不够，设设计上可考考虑后浇施施工。可设设置墙柱梁梁板的模拟拟施工号实实现后浇施施工计算。。2.关于活活荷载计算算1)考虑活荷载载不利布置置按连续梁排排序考虑11种布置情况况（考虑求求解速度和和足够多的的布置包括括不利情况况），第1跨和第11跨活载载同时布置置。2)考虑墙柱基基础活荷载载折减处理方法：：a)在总体信息息中可选择择按表4.1.2规定折减。。b)其他房屋类类别时，每每根墙柱的的属性中可可设置活荷荷载分项系系数，缺省省随总体信信息1.4，如墙柱柱活载折减减为0.9，则可设设置此墙柱柱活荷载分分项系数=1.4*0.9=1.26，通过荷荷载组合考考虑墙柱活活荷载折减减。荷载规范范4.1.2中中设计墙墙、柱和和基础时时的折减减系数：：

1)第1(1)项项应按表表4.1.2规规定采采用；2)第第1(2)～7项应应采用与与其楼面面梁相同同的折减减系数；；

3)第8项项对单向向板楼盖盖应取0.5；；对对双向板板楼盖和和无梁楼楼盖应取取0.8；4)第9～12项应应采用与与所属房房屋类别别相同的的折减系系数。3)考虑梁活活荷载折折减处理方法法：每条梁的的属性中中可设置置活荷载载分项系系数，缺缺省随总总体信息息1.4，如梁梁活载折折减为0.9，，则可设设置此梁梁活荷载载分项系系数=1.4*0.9=1.26，，通过荷荷载组合合考虑梁梁活荷载载折减。荷载规范范4.1.2中设设计楼面面梁时的的折减系系数：1)第第1(1)项当当楼面梁梁从属面面积超过过25㎡㎡时，，应取0.9；；

2)第1(2)～～7项项当楼面面梁从属属面积超超过50㎡时时应取0.9；；

3)第8项项对单单向板楼楼盖的次次梁和槽槽形板的的纵肋应应取0.8；对对单单向板楼楼盖的主主梁应取取0.6；对对双向向板楼盖盖的梁应应取0.8。。4)工业业结构设设计荷载规范范附录C中，对不不同的工工业建筑筑结构提提供了不不同的活活载组合合值系数数和准永永久值系系数，总总体信息息和构件件的属性性中可设设置活荷荷载组合合值系数数和准永永久值系系数满足足工业结结构设计计的需要要。3.多塔塔错层结结构计算算1)准确确计算风风荷载；；2)两塔塔顶可有有不同的的小楼；；3)两塔塔可不等等高；4)刚度度比、周周期比，，刚重比比和位移移比等可可按塔输输出；5)施工工图可按按AB塔输出。。4.上部部结构与与地下室室联合分分析及地地下室设设计1)基础回填填土对结结构的约约束作用用；2)地下室部部分无风风荷载作作用；3)结构主体体高度扣扣除了带带侧约束束地下室室部分和和小塔楼楼部分；；4)内力调整整时带侧侧约束地地下室的的上一层层为底层层；5)剪力墙底底部加强强区判定定时，带带侧约束束地下室室的上一一层为首首层；6)带侧约束束地下室室柱长度度系数自自动计算算为1.0。5.连梁梁的计算算和设计计1)连梁自动动判定条条件：两两端为剪剪力墙，，至少一一端墙轴轴线方向向与梁相相同（程程序判断断小于25度）且跨高比小小于等于于5；2)被虚柱打打断的连连梁能自自动判定定；3)超出出自动判判定的范范围时，，请修改改梁属性性中的设设计类型型，可指指定连梁梁或去掉掉连梁指指定；4)连梁的混混凝土等等级随各各层信息息时，连连梁随墙墙的各层层信息，，连梁抗抗震等级级随总信信息时，，随墙的的总信息息；5)当考虑连连梁刚度度折减时时，只在地震震分析中中考虑，不能在在静力和和风荷载载分析中中折减连连梁刚度度，静力力和风荷荷作用下下连梁是是不能开开裂和破破坏的，，所以地地震分析析和静力力或风分分析的刚刚度是不不同的，，若不考考虑这一一点，墙墙内力计计算结果果偏小，，框架结结果偏大大。6.梁刚刚度增大大1)不是连梁梁；2)梁高和宽宽小于800mm；3)相邻板的的计算单单元类型型刚性板板或膜单单元，不不是壳单单元、板板单元或或三维元元；4)当同总信信息时，，两边有有板时，，梁刚度度乘以总总信息中中的“梁梁刚度增增大系数数”，一一边有板板时，梁梁刚度乘乘以（1.0+总信息中中的梁刚刚度增大大系数/2），两边边无板时时，梁刚刚度不放放大;5)在梁梁的设计计属性中中可设置置“梁刚刚度增大大系数””。7.梁的的计算长长度1)当梁梁被分成成两段时时，应按按实际梁梁长计算算跨高比比；2)自动动计算梁梁的计算算长度：：按梁重重力恒载载作用下下的弯矩矩和所塔塔墙柱计计算实际际长度。。8.柱的的计算长长度1）计算长长度=柱长度*计算长度系系数；2）程序会自自动计算B边和H边柱长度和和计算长度度系数，考考虑单边跨跨层柱情况况；3）单向计算算取各自方方向的计算算长度，双双向计算时时按按弯矩矩比例取值值；4)可选择按层层或按梁柱柱约束刚度度比计算长长度系数（（高层结构构中，柱刚刚度较大，，按梁柱约约束刚度比比所求计算算长度系数数偏大）。。9.框支柱柱的自动判判定1）自动判断断原则为直直接托墙的的柱；2）对于柱A托梁，梁再再托柱B情况，程序序判断柱A不是框支柱柱；3