《视唱练耳》学前课程标准

第13章高层建筑结构分析与设计计算机方法的应用工程学院本章主要内容•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剪力墙平面有限元分析模型•13.5软件的结构设计及施工图生成功能•13.6结构分析与设计软件的操作要点•13.7高层混凝土结构分析模型及分析与设计软件的选择•13.8高层建筑结构分析和设计程序13.1高层建筑结构的分析方法和计算原则•多高层建筑结构分析方法：①线弹性分析方法②考虑塑性内力重分布的分析方法③非线性分析方法④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应和截面承载力设计。13.2高层建筑结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类计算模型：①三维空间有限元分析模型②平面结构空间协同工作分析模型③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：13.2.1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）13.2.2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墙组元13.2.3楼板13.2.3.1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：①楼板整体平面内无限刚②弹性楼板③楼板分块平面内无限刚④楼板分块平面内无限刚并带有弹性连接带13.2.3.2转换层厚板①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Mindlin板理论及中厚板单元。②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。13.3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13.4剪力墙平面有限元分析模型13.4.1概述剪力墙是平面结构，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。普通三角形单元和普通矩形单元高精度单元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：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查取。13.5软件的结构设计及施工图生成功能13.5.1结构设计功能（1）－（16）13.5.2施工图生成功能（1）－（7）13.6结构分析与设计软件的操作要点13.6.1软件的操作步骤三大步骤：①前处理输入，也称为计算机型输入或建模②结构计算，包括结构的计算分析和结构构件的设计计算，由程序自动进行。③工程结构施工图设计，由程序自动进行。13.6.2前处理输入①总体参数②确定计算简图③荷载输入④特殊情况的处理前处理完成后，程序自动形成两种文本文件供往下运行程序使用：几何数据文件和荷载数据文件。13.7高层混凝土结构分析模型及分析与设计软件的选择13.7.1整体分析模型的选择要求：①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。②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。③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。13.7.2楼板模型的选择①对于多数常规高层建筑：采用楼板平面内无限刚度假定。②对于多层和错层结构：采用楼板平面内分块无限刚假定。③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。④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：①长宽比大于3、带端墙或榀刚度悬殊的结构。②具有复杂平面的建筑。③竖向体形变化较大的建筑物。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。13.7.3.1一般要求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。要考虑计算精度与合理的工作量。13.7.3.2我国《高规》对选择软件的规定①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。②B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体内力和位移计算。③选择的软件应经过考核或鉴定。④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。13.8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。•本节根据我国当前建筑工程结构分析和设计软件的应用情况，介绍几种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、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。•目前，在我国使用的结构分析程序很多，下面仅介绍两种应用较普遍的程序：SAP2000程序和ANSYS程序。•1．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（ComputersandStructures,Inc.）开发的SAP系列结构分析程序的最新版本，是目前我国结构工程界应用较多的结构分析程序之一。该程序有较强的结构分析功能，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。•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。•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）。•2．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，由美国ANSYS公司开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。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；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。•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。•该软件目前有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。•13.8.2高层建筑结构分析与设计专用程序•1．ETABS程序和ETABS中文版•ETABS程序是由E.L.Wilson等编制、美国CSI公司开发的高层建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）。•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、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。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。•ETABS中文版软件的结构分析功能主要有：•（1）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。(2)静力非线性分析。根据用户设定的塑性铰特性，对结构进行非线性Pushover分析，输出从弹性阶段到破坏为止的各个阶段的变形图和塑性铰开展情况以及各个阶段的内力，从而使设计人员可以了解结构的薄弱部位，便于进行合理的结构设计。（3）时程分析。可以对结构进行线性及非线性时程分析，可以同时考虑两个水平方向和一个竖直方向的三个方向的地震波输入，分析结果可以动画显示。（4）施工顺序加载分析。设计人员可以定义多个不同施工顺序工况以及施工顺序工况的荷载模式。并且可以考虑非线性效应及大位移效应，使分析结果更接近实际情况。分析结果根据需要通过指定分阶段显示。•2．TBSA程序和TBWE程序•中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部研制的TBSA和TBWE程序，是用来分析和设计多、高层建筑结构的专用程序。TBSA程序采用空间杆-薄壁柱模型，即梁、柱、斜杆采用空间杆单元，每端6个自由度；剪力墙采用空间薄壁杆单元，考虑截面翘曲的影响，每端7个自由度。TBWE程序采