第13章 高层建筑结构分析与设计计算机方法的应用

1、第十三章高层建筑结构分析与计算机设计方法的应用、工程学院、 本章的主要内容是13.1高层建筑结构的分析方法和计算原则13.2高层建筑结构分析的三维空间模型13.3平面结构空间协同工作模型13.4剪壁平面有限元分析模型13.5软件的结构设计和设计图制作功能13.6结构分析和设计软件的操作要点13.7高层混凝土结构分析模型和分析和设定设计软件的选择13 8高层建筑结构的分析和设计步骤、13.1高层建筑结构的分析方法和计算原则、多高层建筑结构的分析方法：线弹性分析方法考虑塑性内力分布的非线性分析方法模型试验分析方法国内规范体系采用线弹性分析方法计算结构的作用效果和截面承载力设计。 13.2高层建筑结

2、构分析的三维空间模型，常用的高层建筑结构分析软件主要采用的三种计算模型：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，在第一类和第三类中使用最多。 高层建筑结构在三维空间结构分析中采用有限元法，框架梁柱、剪力墙和地板分为： 13.2.1框架梁柱一般采用空间线性棒要素。 棒根两端有6自由度(3个平移，3个旋转)的13.2.2剪力壁所采用的有限元，主要是开口薄壁棒元板壳要素壁缘膜元壁要素， 13.2.3地板13.2.3.1普通地板是高层建筑结构分析的三维空间模型有4种模型：地板整体平面内的无限刚性地板块平面内的具有无限刚性和弹性连接带的13.2.3.2转换层厚

3、板剪力墙采用板壳单元、墙壁等有限元模型时当剪力墙被简化为开口薄壁杆元时，结构是三维杆系模型，厚板不能直接考虑，必须把实体厚板转换成等效横梁系。 13.3平面结构空间协同工作模式，80年代以前国内高层建筑结构最常用的结构分析模式。 两个基本假设：结构分为几个框架平面框架和平面剪力墙，作为框架处理。 地板在自己的平面内有无限刚性，地板上的任意地板框架和剪力墙的位移可以用坐标原点的3个位移来表示。 计算步骤：根据位移协调条件，用矩阵位移法计算水平力的13.4剪壁平面有限元分析模型，13.4.1剪壁为平面结构，大多在门窗开口处分割成框架支壁或带梁肢壁，实际的受力状态与上述计算模型有所不同。 剪力墙平面

4、有限元分析模型利用三维空间分析模型的分析结果，对这种特殊的局部墙进行更精密的分析，并在此基础上进行配筋。 普通三角形单元和普通矩形单元的高精度单元，13.4.2高精度有限元的应用高精度单元也有三角形和矩形。 高精度三角形单元：因为每个节点为6自由度，所以称为三角形18自由度单元。 高精度矩形单元：采用了8节点矩形等参数单元。 高精度有限元程序广泛应用于框架支撑剪力墙的应力分析、内力计算、钢筋设计。 不仅可用于墙的一部分，也可用于整个墙。作用于此分析模型的力不仅可从整体分析后的开口薄壁杆单元内，还可从整体分析后的壁单元等有限单元内进行调查。 13.5软件结构设计和设计图制作功能，13.5.1结构

5、设计功能(1)(16) 13.5.2设计图制作功能(1)(7)，13.6结构分析和设计软件操作要点，13.6.1软件操作步骤三个步骤：预处理输入，计算机型输入或工程结构设计图的设计由程序自动进行。13.6.2整个预处理输入的参数，在计算概略负荷输入的特殊情况的处理预处理完成后，程序会自动生成两种文本文件，用于执行程序：几何数据文件和负荷数据文件。 13.7高层混凝土结构分析模型和分析和设计软件的选择，13.7.1整体分析模型的选择要求：平面、立面布置简单计划框架，框架结构：可以使用应采用三维空间分析模型的平面框架空间协作分析模型。 剪力墙结构、筒体结构和复杂布置的框架结构、框架剪切结构：三维空

6、间分析模型。 对于长壁、矮壁、多肢剪力壁、悬垂剪力壁、变截面剪力壁：不适用于采用三维空间分析的开口薄壁杆模型。 对于框支剪力墙和开口不对齐的剪力墙，应该使用开口的薄壁棒元件模型简化处理，进行整体分析，然后使用平面有限元程序对框支局部进行二次有限元分析。 13.7.2地板模型的选择，对于大多数常见的高层建筑，都采用了地板平面内无限刚性的假设。 对于多层结构和错误层结构：板平面中的块是无限的。 如果地板有部分大孔，则塔和塔之间的连廊多塔结构和某些平面布局具有特殊结构。 假设地板平面内的块具有无限刚性和灵活的连接带。 对于上述三种情况以外的特殊地板，或分析精度高的高层结构：假设地板为灵活的板。 考虑

7、平面内地板罩的刚性的影响。 纵横比大于3，有端壁或结构刚性大的结构。 具有复杂平面的建筑物。 纵向变化很大的建筑物。 13.7.3结构分析软件的选择目前，高层建筑结构分析和设计软件的功能很强，包括静力分析、动力分析、构件设计、结构设计图的制作和材料分析、施工负荷模拟分析等。 13.7.3.1一般要求正确理解某结构分析软件和某些结构分析软件的整体分析模型和地面内刚度的假设，并根据工程对象的实际情况进行正确选择。 必须考虑计算精度和合理的工作量。 13.7.3.2中国高标准在选择软件规定的体型复杂，结构配置复杂的情况下，必须使用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算，保证可行性。 b级高级

8、高层建筑和复杂高层建筑，结构分析应该使用至少两种不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力和位移计算。 您选择的软件必须经过评估或认证. 必须分析和判断结构分析软件的计算结果，确认合理、有效性。 13.8高层建筑结构的分析和设计流程是现代高层建筑面向体型复杂功能多样的综合发展，由于其结构复杂、体积大，其结构分析和设计一般需要通过程序完成计算机。 目前结构分析和设计过程很多，其计算模型和分析方法不同，计算结果的表现方法也不同。 因此，在进行结构分析和设计时，首先要理解现有结构分析和设计程序的各自特征，并根据设计结构的具体情况选择合适的设计软件。 本节根据中国目前建筑工程的结构分析和设计软件的应用

9、情况，介绍一些实用的结构分析和设计软件。 13.8.1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、宇宙工程、船舶工程、交通工程、土木工程各领域的结构分析程序。 这种程序的特点是单元种类多、适应力强、功能完善，一般可以将高层建筑结构用于静力和动力分析。 但是，这种程序没有考虑高层建筑结构的专业特征，而且还没有引入我国目前的规范和标准，所以一般只用于结构分析。 目前中国使用的结构分析程序很多，以下只介绍SAP2000程序和ANSYS程序这两种应用常见的程序。1SAP2000程序的大型有限元结构分析程序SAP2000是由E.L.Wilson等制作的、美国CSI公司(Computers and

10、 Structures，Inc.)开发的SAP系列结构分析程序的最新版本，目前在我国该程序具有较强的结构分析功能，可以模拟房屋建筑、桥梁、水库、储罐、地下结构等多种工程结构。 应用SAP2000程序可以对上述结构进行线性和非线性静力分析、动力反应谱分析、线性和非线性动力时间分析，特别是地震作用及其效果分析，可以结合分析结果用于结构设计。 SAP2000程序对于各种载荷，静力载荷除了输入节点指定的力和位移外，还输入重力、压力、温度和预应力载荷。动力载荷可以以地面运动加速度反应谱的形式施加，也可以以时变载荷形式和地面运动加速度形式施加，车辆的动载荷作用于桥梁结构。 SAP2000程序中有丰富的单元

11、库。 其主要单元类型是杆元件、板元件、壳元件、实体元件和直线(或非线性)连接单元。 包括绘图模块和各种辅助模块(交互式触摸取景器、设计后处理模块、热传导分析模块、桥梁分析模块等)。 2ANSYS程序ANSYS软件是一款集成融合结构、流体、电场、磁场、声场分析的大型有限元分析软件，由美国ANSYS公司开发。 它是现代产品设计中的高级CAD工具之一，可以与许多CAD软件接口，实现数据共享和交换。 软件主要由预处理模块、分析计算模块、后处理模块三部分构成。 预处理模块提供了强大的实体建模和网络分割工具，用户可以轻松构建有限元模型，分析计算模块包括结构分析(可以进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析

12、)、流体力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析和多物理场耦合分析， 可以模拟多个介质的交互，具有灵敏度分析和优化分析能力的后处理模块可以用彩色等值线显示、渐变显示、矢量显示、立体切片显示、透明半透明显示(能看到结构内部)等显示计算结果，也可以用图表曲线显示和输出计算结果。 ANSYS软件模拟工程的各种结构和材料，包括四边形壳单元、三角形壳单元、膜单元、三维实体单元、六面体厚度壳单元、梁单元、杆单元、弹簧阻尼单元、质量单元等每种设备类型都有几种算法可供用户选择。 目前该软件有100多种金属和非金属材料模型，可以选择弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、土壤、混凝土、流体、复合材料、炸药和爆炸燃烧、

13、用户定义的材料等，材料故障、损伤、粘性、蠕变、温度相关、应变相关等13.8.2高层建筑结构分析和设计专用程序1ETABS程序和ETABS中文版ETABS程序由E.L.Wilson等人编制，是美国CSI公司开发的高层建筑结构空间分析和设计专用程序。 该程序采用刚性地板盖假定框架和剪切壁为子结构，梁考虑弯曲和剪切变形，柱考虑轴向，弯曲和剪切变形，剪切壁由刚性构件和墙板单元计算。 可以对结构进行静力和动力分析，计算结构的振动型和频率，可以用反应谱的振动型组合方法和时间分析方法计算结构的地震反应。 在静力和动力分析中，考虑到效果，采用了地震反应谱分析中改进的模型组合方法(CQC法)。 中国建筑标准设计

14、研究院与美国CSI公司合作，发布了完全符合中国规范的ETABS中文版软件。 ETABS中文版软件提供混凝土和钢的材料特性、中国等几个国家的型钢库(h型钢、山形钢、h型钢等)，用户可以定义任意形状的截面、梁端有端板、牛腿柱等截面部件。您可以根据规范生成载荷组合，可以施加温度载荷、支架移动等载荷，以定义恒定载荷、活性载荷、风载荷、雪载荷、地震作用等情况。 提供多种地板类型(冲压钢板和混凝土地板、单向板和双向板等)和直线性、Maxwell型粘弹性阻尼器、双向弹塑性阻尼器、橡胶支架防振装置、摩擦母屋型防振装置等连接单元。 针对建筑结构的特征，考虑了节点偏移、节点区域、刚域、刚性地板等特殊问题。 该软件

15、安装了钢结构、钢结构交错桁架、混凝土无梁楼盖、混凝土肋梁楼盖、混凝土井架楼盖等内置组件系统，只要输入简单的数据，就能快速建立计算模型。 ETABS中文版软件的结构分析功能主要是(1)反应谱分析。 提供特征量、特征矢量分析和Ritz矢量分析求振型，根据中国的地震反应谱进行地震反应分析，选择SRSS法、CQC法进行振型的组合，可以计算双向地震作用、偶然偏心和垂直地震作用。 (2)静力非线性分析。 根据用户设定的塑性铰链特性，对结构进行非线性Pushover分析，输出从弹性阶段到破坏各阶段的变形图和塑性铰链展开情况和各阶段的内力，使设计者能够理解结构的弱点，使合理的结构设计变得容易。 (3)日程分析

16、。 对结构可以进行线性和非线性的时间分析，可以同时考虑水平和垂直三个方向的地震波输入，并对分析结果进行动画显示。 (4)施工顺序加载分析。 设计者可以定义多个不同的施工顺序情况和施工顺序情况的载荷模型。 另外，考虑到非线性效应和大的位移效应，可以使分析结果更接近实际情况。 分析结果会根据需要逐步显示。 2TBSA程序和TBWE程序由中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部开发的TBSA和TBWE程序，是分析和设计高层建筑结构的专用程序。 TBSA程序采用空棒-薄壁柱模型，梁、柱、斜棒采用空棒单元，各端有6自由度的剪力墙采用空间薄壁杆单元，考虑到截面翘曲的影响，每端7自由度。 TBWE程序采用空格键

17、-墙元模型，剪力墙采用墙元模型。 这两个程序不仅可以分析和设计框架结构、框架-剪力墙、剪力墙结构、筒体结构等常用的结构形式，还可以分析和设计其他复杂的结构体系。 假设地板在自己的平面内刚性无限大，多塔、过层结构采用砌块地板的刚性假设，用广义的楼层处理。 程序的基本功能包括： (1)预处理程序可以自动形成结构分析的几何文件、设计信息文件和载荷文件。 (2)能够进行风荷载、双向的水平地震作用和垂直地震作用的分析，水平地震作用能够考虑耦合和非耦合两种情况，改变水平力的作用方向，进行多方向水平力的作用计算。 (3)能够分析普通单体结构、多塔结构、错误结构、连体结构等多种立面结构形式的梁单元和斜柱单元可

18、以是固定的或铰链的。 (4)可以按照指定的施工顺序考虑垂直负荷的施工模拟计算，可以考虑效果和偶然的负荷偏心的影响。 (5)钢筋混凝土构件、型钢混凝土构件、钢管混凝土构件、异形柱及钢架构件，可以考虑框支柱和方柱的不同设计要求。 3TAT程序和SATWE程序两个程序是中国建筑科学研究院PKPMCAD工序部开发的一系列软件之一。 其共同特征是可以与PKPM系列CAD系统连接，可以与该系统的各功能模块中继，从PMCAD生成数据文件，从而可以省略计算数据的填写。 程序运行后，继电器PK可以绘制梁、柱设计图，为各种基础设计软件提供柱、墙底组合内力作为各种基础的设计载荷。 TAT程序和TBSA程序采用相同的结构计算模型，即空间杆-薄壁柱模型。该程序不仅计算了钢