高层钢结构的计算软件与实例

3.3.1高层钢结构的计算软件3.3.2武汉证券大厦高层钢结构抗震分析第三讲高层钢结构分析(3)3.3高层钢结构的计算软件与实例分析

目前国内的设计软件按使用的角度来分可以分为通用软件和专用软件。通用软件特点：通用软件技术成熟，计算过程中的假设与简化要少，计算精度高，以研究为基本点

专用软件特点：专用软件前后处理优越，使用简单，适合工程的计算，精度基本满足要求。3.3.1高层钢结构的计算软件

这类软件用于科研，可探讨结构模型，本构关系，多种形式的地震作用等等，但是和结构设计系统的配合不够，较少用于实际设计工作。另一方面，由于简化少，计算的耗时较大，特别是大规模建筑的弹塑性时程计算，在微机上还很难实现设计工作。主要介绍：ANSYS、SAP、ADINA、ABAQUS、

MIDAS、MSC系列（NASTRAN、MARC等）3.3.1.1通用软件介绍

ANSYS是由美国ANSYS公司世界著名的力学分析专家Dr.Swanson率领科技人员多年研究开发大型通用有限元分析软件,融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体近几年在我国,以每年20%的增长率进入高等院校和科研单位适用面广,支持多科操作系统和众多的图形设备,中间计算分析快捷3.3.1.1通用软件介绍——ANSYS

ANSYS在建筑行业用到的功能主要有以下几大块组成：静力分析模态分析谐波分析瞬态动力分析谱分析曲屈分析其中静力分析用的比较多，相对比较成熟，相对而言用ANSYS计算工程的动力分析的案例还很少。

3.3.1.1通用软件介绍——ANSYSE．L．Wilson等开发的SAP程序系列，在我国流行的有SAP5、SAP84、SAP90、SAP2000，功能相当强大，在SAP84的时候，已经开发的功能有：三维框架跨间的多种分布荷载可受扭矩的周对称单元变截面直杆单元曲杆单元中厚板单元剪力墙单元8结点非协调三维单元8～21结点三维等参单元3.3.1.1通用软件介绍——SAP

管道单元配筋计算地震反应谱Ritz向量法和分块Ritz向量法求固有振动Lanczos法固有振动振型叠加法求动力响应逐步积分法求动力响应绘制彩色结构图、彩色振型图高层建筑结构的地震作用和动力分析……3.3.1.1通用软件介绍——SAP

ADINA和ADINAT是两个可相互配合使用的结构分析和热分析程序系统。它是在美国麻省理工学院教授指导下，总结SAP和NONSAP程序编制经验，并结合有限元和计算方法的发展而研制成功的大型结构分析程序系统。线性静力、动力问题非线性静力、动力问题稳态、瞬态温度问题3.3.1.1通用软件介绍——ADINA

ABAQUS是一套功能强大的工程有限元软件，其解决问题的范围覆盖了从相对简单的线性分析到非常复杂的非线性问题。ABAQUS拥有丰富可模拟任意形状的单元库和与之对应的各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩高弹性的泡沫材料以及类似于土和岩石等地质材料。目前的最新版本是6.4-2。

3.3.1.1通用软件介绍——ABAQUS

MIDASFamilyProgram是以将结构设计各项工作的全过程自动化为目的而开发的软件包，包含：MIDAS/Civil土木结构专用结构分析以及优化设MIDAS/Gen土木、建筑部门通用结构分析以及优化设计MIDAS/FEmodeler迅速建模以及自动生成有限元网格的软件MIDAS/BDS建筑物专用结构分析以及优化设计MIDAS/SDS楼板、筏式基础的结构分析以及优化设计MIDAS/SET单体结构设计软件MIDAS/ADS剪力墙结构住宅楼的分析以及优化设计系统

3.3.1.1通用软件介绍——MIDAS

MSC公司自1963年开始从事计算机辅助工程领域CAE产品的开发和研究。1969年推出了其第一个NASTRAN版本,即我们所知的NASTRANLevel12。静力分析屈曲分析动力学分析非线性分析热传导分析空气动力弹性及颤振分析流-固耦合分析等3.3.1.1通用软件介绍——NASTRAN

同样由MSC公司开发研究推出。MSC.MARC是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。线性/非线性静力分析模态分析简谐响应分析频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等为满足工业界和学术界的各种需求，提供了层次丰富、适应性强、能够在多种硬件平台上运行的系列产品。3.3.1.1通用软件介绍——MARC

这类软件基本上是凝聚在层模型的基础上进行简化的设计计算的，其优点是与设计程序配合密切，动力分析上简单实用，但是因为其中有较大简化，对于立面复杂的结构计算时存在出入。程序由于版权问题，核心技术上“黑箱”，不适合科研，很难把握其中个别构件的性能。主要介绍：TBSA&TAT

、ETABS

、SATWE&EPDA

3D3S3.3.1.2专用软件介绍TSBA是分析多层和高层钢筋混凝土结构的专用程序。采用空间杆－薄壁杆系模型模拟高层建筑结构的各种构件，楼板采用面内无限刚性的假定，震动分析采用空间多质点串模型。

TAT不但可以计算钢筋混凝土，而且针对高层钢结构特点，对水平支撑、垂直支撑、斜柱以及节点域的剪切变形等均作了考虑。可以直接进行动力时程分析和几何非线性分析。3.3.1.2专业软件介绍——TBSA&TATETABS程序是高层建筑结构空间计算的专用程序，是在TABS程序的基础上，增加了求解空间框架和剪力墙的功能，能在静载和地震荷载作用下对高层建筑做弹性计算的程序。但是有明显的缺陷，比如没有考虑P－△效应，也不能将计算结构的总反应量的输出，但是这些缺陷在ETABS的微机版Super－ETABS上得以改进。

3.3.1.2专业软件介绍——ETABS

中国建筑科学研究院CAD工程部推出了“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE”，它们均为含有新型高精度剪力墙单元的任意空间结构设计程序。在SATWE的基础上，又开发了一套简单实用的建筑结构弹塑性动力、静力分析软件EPDA。EPDA软件是我国第一套商品化的弹塑性分析软件，可以按任意给定方向计算结构的弹塑性时程响应，适用于各种材料的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、转换层等结构特性。为提高效率，EPDA软件中采用了改进的PCG法，提高计算效率十倍左右，这样，使EPDA的空间模型方法具有了更好的实用性，其动力时程分析采用的是Wilson-θ法。3.3.1.2专业软件介绍——SATWE&EPDA3D3S钢结构CAD软件是同济大学独立开发的一套建筑钢结构CAD软件，同济大学拥有完全知识产权。该软件在建筑钢结构设计领域具有独创性，填补了国内建筑钢结构设计工具软件的一个空白。截止2004年12月31日，3D3S的注册用户总数为1480家，基本覆盖了从事钢结构设计的专业设计院和国内知名钢结构企业。主要面向工业、民用建筑设计院、钢结构设计制作企业、膜结构设计企业、幕墙制作企业、建筑科学研究单位、高等院校等单位。

3.3.1.2专业软件介绍——3D3S

3.3.1.3国内工程软件应用分析实例

3.储3.蒸2武汉烛证券钱大厦汇高层需钢结灾构抗押震分症析工程款概况拦：武汉角国际秘证券跳大厦衰是武造汉香佛利房井地产斑开发就公司幸投资转开发祖的超乔高层科钢结滔构综慰合建剑筑,为武缎汉第牢一高跑楼,是华雾中地置区首骄家钢苏结构抛大楼,也是压武汉归的标连志性腹建筑恋。结构劝主体缝高度玻为28录1.役3只m,建筑筑顶部懂设置50潮m高的牵通讯销天线,建筑攻最大隔高度蹈为33败1.当3波m。结趴构地僵下3层,地上68层,高宽苍比为5.距9。建万筑面鹊积12万平忧方米。3.纽奉3.极2武汉震证券素大厦瓦高层粪钢结弹构抗梁震分三析建筑用平面也图建筑呜剖面桂图3.亮3.援2武汉泪证券谅大厦烦高层岩钢结慢构抗牌震分形析工程狗特点只：本工大程原睡设计糟为48层的燥钢筋盗混凝骂土筒听中筒此结构,混凝滴土结融构施遇工至代

建筑的1～40层为办公楼(首层层高为10.8m,标准层高3.6m),41～67层为酒店(标准层高3.2m),68层为观光层。在25、43、65层设有水平加强层。截面曾尺寸设计蜂条件抗震征设防额烈度:风7度。线建筑闸抗震舞设防回类别:丙类仗。结督构安眨全等迅级一永级。Ⅱ类场哲地;场地诵土类援型:中软陡场地骡土。计算拨假定如下:(1陶)材料负模型牺取理慕想弹妻塑性顽模型;(2颜)考虑剧到地邮下室茅为箱挑型结货构,刚度净大,地基宣的嵌苍固作论用也肌较强,所以记视基蛾础底令面和锐三层拘地下本室的白周边胃为完尸全嵌盯固;(3爆)钢管服混凝便土和应钢骨万混凝适土按桥照刚植度等没效原河则进崇行折齿算;(4巷)加强仅层上判下楼宽面按育弹性滔楼板璃、薄匠壳单赠元来还考虑,其他霸简化败为平看面内淘无限繁刚性片。单元颂选择碰与模弯型规之模单元始选择AN背SY达S有限漏元建撇模采忘用be法am迈4单元(梁柱)、sh隙el万l4胸3分(楼板)和ma侮ss虎21耻(质量供块)模型渡规模71狼29颈4个单碰元,巴48环74揉1个节贼点。周期塞计算架（前30阶）振型答图地震搬响应友分析计算坑方法：(1叫)振型辅分解柴反应析谱法中国理地震须局地全震研渡究所译对武徐汉国煎际证眉券大葵厦建抗筑场叨地提际供设毅计反苏应谱郊,串阻尼瓜比ζ日=衔0.铸02(2时)时程勇分析秧方法7仓度抗斤震，根据纳场地坦条件瞧,都分别就套El志-C荷en园tr京o波仅,颜Ta粒ft役波叛和两乘条人工波上拟合无地震爪波(涉中机国地钉震动梨研究所提拍供)球进非行单饲向输丘入计竿算。倦采用榜AN诵SY闹S免软件寸的瞬屈态结屈构分苦析技腰术,朗根难据计竭算速棉度和格对计较算机挽硬件角的需微求,背取豪迭代贝求解柜方式乌为PC宗G虏方式。振型膊分解抢反应芦谱法塘计算扫结果结构脊底部忽剪力筛计算胸结果宋：SA增TW膏E的计愉算结宗果,解X与Y方向粉均以血规范秋要求讲的最德小剪膀重比1.虽2%为控奔制要狮求,结构蛾的基未底剪手力为20廉64刮0.复60岂k元N,与AN狠SY任S比较,计算姑结果吊吻合徐良好愿。振型志分解轿反应乒谱法朵计算温结果振型莲分解靠反应缸谱法鸣得出旺的结耍构在纹单向霜地震拢作用括下的险层间钱位移振型邪分解放反应卖谱法鞠结论(竿1)结构蛛的X方向锐底部捞剪力搂和Y方向狂底部梳剪力笔数值举相差胆小,表明淋结构棕在两毒个水枪平主岔轴方予向的逐刚度捞大致陷相同,其相岔应的蚁地震土作用高计算无结果薄也大港致接倒近。(碎2)结构苍的基嘴底剪晋力系锐数值著在结纷构的零正常衰范围锣内,结构狐设计扎合理鼻。(羽3)一维立和二且维地饱震作役用下群的计红算结父果相誉差42续%,而二东维和煌三维跌地震纪的结寸果相骨差9%维,可见弦竖向奋地震妹对结观构的疗作用兴较小住。(卸4)结构嫩在7度地吗震作富用下,最大券层间恼位移珠为1/授61丛1,侧向骂刚度召满足衔抗震蹈规范鼓的要餐求;(眠5)在水昂平加宏强层典的位爱置,结构扶刚度绳大,水平劈燕位移旁明显炊减小;(漆6)结构奶的下常部7层为扮钢筋休混凝匪土筒匠中筒夹结构,除首巷层层胖高大,侧向友位移字较大勾外,结构北呈现乓弯曲自变形孩特性,随着己高度真增大,剪切冻变形召成分坊加大;(猾7)取3箭8拔~丹39层区泛域,是办厦公楼务向酒圣店的再过渡宽区域,为结齐构的齿薄弱奖区,该位据置层货间位敌移角愿达到型最大盖值。时程炮分析馋法计役算结挠果计算赢El鲁-C敲en征to葵r伐波得诵到的妻基底咽剪力宴为9贩80鲜4.隐5衫kN隶,是偷反应棵谱方话法得浆到的禾数值肿的一裤半,套结山构安怜全,烧由穷其他奸地震壳波可轻以计保算得性到相铜同的恒结论。弹性枪时程蜘分析酷时,敬在辰不同参的地重震波非作用火下,耀楼俭层水谱平位乌移的牧包络宁图响扭应曲售线如下盾页图茅。时程帜分析抓法计焰算结派果时程呢分析所法计妙算结雹果楼层辨水平童加速透度放付大系养数曲缎线时程观分析圣法计能算结傻果X向地撤震波捉作用耗下时票程分散析结银果时程交分析宅法计势算结枯果Y向地饮震波义作用漆下时乌程分堤析结贪果时程茎分析续法结吴论(1指)结构额的时乖程分还析可越以得馅到结苹构随堡着时星间变遮化的担楼层狡位移励曲线偷。结健构在贩单向混地震相波作腐用下喜的表索现反再映出箩地震角波的咽随机桶性,统计枝规律坛表明X方向蹦的侧题向位竹移要是大于Y方向夺的侧现向位贤移。(翻2)时程够计算束在整基体特碍征方炒面,与振捆型分冲解反裕应谱招法接辟近,且揭驰示了秧振型笑分解犹反应纳谱法浊无法爆反映傲的局霞部地诵震反厉应特诵征,如局熄部反艺应力汉的异初常,结构导顶层丘的反钳应增惜大,鞭梢妨作用苹明显恭。(垂3)在8廊~1谅5层的挽位置,结构汉的加遥速度缘瑞达到拍峰值,这个碍位置滩是混类凝土骑结构添和钢鸟结构哄的过宽渡区尖域,是结始构的剃薄弱类环节,该位烈置需滴要采华取构梦造措故施进惨行特兼别处迈理。(筐4)具使所浮采用善的加茫速度液时程绸曲线东,废其加愁速度佩峰值待相同曾,逢但每膊条地燥震波混均有夺其特苹性的用频谱滥,抚按不爆同波沙形计滥算出辜的结溪构地捧震