结构设计基本原理谢启芳

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1、高层建筑结构设计,西安建筑科技大学 土木工程学院 徐善华,第11章 高层建筑结构计算机分析方法和设计程序,高层建筑结构设计,标 题,11.1 概 述,高层建筑结构的计算机分析方法，从原理上可分为三种：（1）将高层建筑结构离散为杆单元，再将杆单元集合成结构体系，采用矩阵位移法计算（或称为杆件有限元法）；（2）将高层建筑结构离散为杆单元、平面或空间的墙、板单元，然后将这些单元集合成结构体系进行分析，称为组合结构法（或称为组合有限元法）；（3）将高层建筑结构离散为平面或空间的连续条元，并将这些条元集合成结构体系进行分析，称为有限条法。 杆件矩阵位移法应用得最为广泛，有限条法应用较少，组合有限元法近年

2、来应用较多。,11.2 杆件有限元法,11.2.1 基本假定 （1）空间结构或平面结构假定。 （2）弹性楼板或刚性楼板假定。 （3）杆件具有轴向、弯曲、剪切和扭转刚度。,图11.2.1 空间杆件和平面杆件,11.2.2 计算模型,1平面协同计算模型 两条假定： （1）楼板在自身平面内为绝对刚性，在平面外的刚度为零。按此假定，在水平荷载作用下整个楼面在自身平面内作刚体移动和转动，各轴线上的抗侧力结构在同一楼层处具有相同的位移参数。 （2）各轴线上的抗侧力结构在自身平面内的刚度远大于平面外刚度，即假定各抗侧力平面结构只在其平面内具有刚度，不考虑其平面外刚度。按此假定，整个结构体系可划分为若干个正交

3、或斜交的平面抗侧力结构进行计算。 在水平荷载作用方向每个楼层只有一个位移未知量，结构不产生扭转 结构体系有个楼层，就有个基本未知量，两个方向的平面结构各自独立，可分别计算。由于此法假定与荷载作用方向正交的构件不受力，所以亦称为平面协同计算。,2. 空间协同计算模型,此法假定与水平荷载作用方向正交的平面结构只参与抗扭，故称为空间协同计算，详见第7章第7.6节。 优点是基本未知量为楼层的位移 和 ，对于n楼层，共有3个基本未知量；不考虑结构扭转时，仅有2个未知量，计算简单，适合于采用中小型计算机计算。 缺点是仅考虑了各个抗侧力结构在楼层处水平位移和转角的协调，未考虑各抗侧力结构在竖直方向的位移协调

4、。 适用于结构必须能分解为许多榀抗侧力平面结构的情况，不能用于空间作用很强的框筒结构（竖向位移协调必须考虑）、曲边和多边结构以及结构体型复杂的结构等的计算。,3空间杆薄壁杆系计算模型,将高层建筑结构视为空间结构体系，梁、柱、支撑等一般均采用空间杆件单元，剪力墙可以采用薄壁空间杆件单元。 薄壁空间杆件的每个结点有7个位移分量，即除了上述的6个位移分量外，还有1个扭转角分量，如图11.2.2所示。 空间杆薄壁杆系计算方法满足了空间的变形协调条件。是目前实际工程中的应用较广泛的一种计算模型，适用于各种结构平面布置，可得到梁、柱、剪力墙等构件的全部变形和内力，又可以考虑结构扭转，是一种比较精细的计算方

5、法。,4空间组合结构计算模型,部分高层建筑的楼板开有大孔洞，从而使楼板在平面内无限刚性的假定不适用，应考虑楼板变形的影响；部分高层建筑具有复杂的空间剪力墙，如开有不规则的洞口、平面复杂的芯筒等；不少高层建筑使用了转换结构，包括转换大梁、转换桁架和转换厚板等。对于这些高层建筑，可采用空间组合结构计算模型 。 该计算模型在每个节点上均有六个自由度，可以对高层建筑进行更细致、更精确的结构分析，可以考虑空间扭转变形，也可以考虑楼板变形。,11.2.3 计算要点,11.3 空间组合结构计算方法,11.3.1 关于剪力墙计算模型,对剪力墙采用经典的平面有限元法计算是不合适的。 用薄壁杆件来模拟复杂多变的剪

6、力墙，有时会产生较大误差，甚至会得出错误的结果。,11.3.2 墙板和墙元模型,1. 墙板模型 将剪力墙简化为平面单元，单元平面内有轴向、弯曲和剪切刚度，平面外刚度为零，称为墙板。工程中常用的主要有以下两种模型： （1）平面应力单元。是一种比较粗糙的平面有限元法 （2）新型高精度剪力墙单元。是一种考虑剪力墙受力特性的平面应力单元。,图11.3.1 剪力墙计算的平面应力单元,图11.3.2 新型高精度剪力墙单元,2墙元模型,基于壳元理论的剪力墙分析模型，称为墙元模型，这是一种更为精确的剪力墙分析模型。 SATWE程序用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。对于尺寸较大的剪力墙或带洞口的剪力墙，按

7、照子结构的基本思路，由程序自动对其进行划分，形成若干小壳元（图11.3.3），然后计算每个小壳元的刚度矩阵并叠加，最后用静力凝聚方法将由于墙元细分而增加的内部自由度消去，只在墙的四角与梁、柱相连，从而保证墙元的精度和有限的出口自由度。,图11.3.3 墙元及其细分示意图,11.3.3 空间组合结构计算方法,空间组合结构计算法的计算要点与杆件有限元法相同，详见11.2.3小节。此法与杆件有限元法的主要区别是：将结构离散为有限单元时，对于一般的梁、柱单元，仍采用空间杆单元模型；对于剪力墙，视具体结构和计算要求，可采用墙板模型或墙元模型；对于楼板，采用壳元。,11.4 高层建筑结构分析和设计程序,1

8、1.4.1 结构分析通用程序,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。但这类程序没有考虑高层建筑结构的专业特点 。,两种应用较普遍的程序：SAP2000程序和ANSYS程序。,11.4.2 高层建筑结构分析与设计专用程序,1ETABS程序和ETABS中文版 2TBSA程序和TBWE程序 3TAT程序和SATWE程序,11.4.3 程序计算结果的分析与判别,对各单项荷载作用下的内力计算结果，如恒荷载、某一活荷载、某一振型的地震作用，可校核某些结点是否满足平衡条件。注意，不能用组合内力进行校核，因为组合内力是由各单项内力乘以不同值的荷载分项系数而得，故而破坏了原来的结点平衡条件。 对结构的基本周期，可用经验公式的计算结果进行比较，二者的计算结果不应相差太大。否则，有两种可能，一是计算结果不正确，需要校对结构计算简图或输入数据；二是原定的结构刚度不合适，需要修改原设计。 在高层建筑结构分析和设计主要依靠计算机和程序的情况下，结构工程师必须学会对程序计算结果的分析和判别，不能盲目地使用程序计算结果。,