基于ANSYS框架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析

1、基于基于ANSYS的框架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析的框架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析緒論緒論高層建筑體系的發(fā)展高層建筑體系的發(fā)展 結(jié)構(gòu)計算方法的發(fā)展結(jié)構(gòu)計算方法的發(fā)展高層建筑結(jié)構(gòu)的分析軟件高層建筑結(jié)構(gòu)的分析軟件有限單元法理論有限單元法理論鋼筋混凝土有限元分析鋼筋混凝土有限元分析本論文主要內(nèi)容本論文主要內(nèi)容一、高層建筑發(fā)展概況 我國高層建筑的發(fā)展與國外類似，經(jīng)過一段從低到高，從單一到復(fù)雜的發(fā)展階段。1977年廣州白云賓館的建造，使我國高層建筑的高度突破了100m（33層），此后廣州花園酒店、北京飯店、南京金陵飯店以及廣州白天鵝賓館等相繼出現(xiàn)。深圳、珠海特區(qū)的建設(shè)，從一開始就給人們以全新的概念和面貌，高層建筑在這些新興城市

2、幾乎成了主調(diào)，深圳國貿(mào)中心大廈的建設(shè)（50層、160m）是它的代表作。直到現(xiàn)今，世界各地高層，超高層層出不窮，例如：中國臺北101大樓，2004年建成，共101層，樓高509米。馬來西亞吉隆坡雙子塔，高452米，88層，1998年完工，是目前世界上最高的雙子樓。 二、現(xiàn)代高層建筑給我們的思考 今天隨著用地面積的高度縮減，多層、小高層、高層、超高層，一定是未來城市建筑的一個可持續(xù)性發(fā)展方向。隨著自然生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜變遷、和寰球氣候條件的不斷改變，不可預(yù)知的突發(fā)事件也時有發(fā)生，這些不可抗力的外來因素，就建筑的安全性而言，它將是建筑科學(xué)技術(shù)今天要解決和必將面對的問題。今天我們的高層建筑，大多數(shù)是難以應(yīng)

3、對突發(fā)事件和自然災(zāi)害的。當(dāng)然我的這一說法一定會引起官方和業(yè)內(nèi)人士的非議，但是；我說的并不是建筑技術(shù)的問題，而是建筑安全的技術(shù)干預(yù)、和建筑安全的預(yù)警機(jī)制。建筑安全問題，不是簡單一個技術(shù)問題，一個沒有公共安全意識的社會是不會和諧的，是不會應(yīng)對災(zāi)難的，也不會有發(fā)展前途的！三、高層建筑結(jié)構(gòu)體系1.框架結(jié)構(gòu)體系 常用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由橫梁和柱通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)成承載結(jié)構(gòu)，如圖1.1所示。2.剪力墻結(jié)構(gòu)體系 常用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由墻體承受全部水平作用和豎向荷載，如圖1.2所示。3.框剪結(jié)構(gòu)體系 是把框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)共同組合在一起形成的結(jié)構(gòu)體系。圖1.1 框架結(jié)構(gòu)體系圖1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系4.

4、筒體結(jié)構(gòu)體系 剪力墻在平面內(nèi)圍合成箱形，形成一個豎向布置的空間剛度很大的薄壁筒體；也可加密框架的柱距，并加強(qiáng)梁的剛度，形成空間整體受力的框筒等，從而形成具有很好的抗風(fēng)和抗震性能的筒體結(jié)構(gòu)體系，如圖1.4所示。圖1.4 筒體結(jié)構(gòu)體系一、手工計算 框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框剪結(jié)構(gòu)體系均有不同的計算方法。二、矩陣位移法 包括協(xié)同工作分、空間結(jié)構(gòu)分析兩種。三、彈力方法解微分方程 解析解方法方程和半解析解法方程兩種。四、多種單元組合的有限單元法 基本原理：將高層建筑結(jié)構(gòu)離散彈性力學(xué)的平面單元、墻、板元和桿元的組合結(jié)構(gòu)，組成未知數(shù)更多的大型方程求解，從而得到更細(xì)致更精確的應(yīng)力分布。一、高層建筑結(jié)構(gòu)的

5、通用軟件SAP程序系統(tǒng)ADINA程序FEM程序二、高層建筑結(jié)構(gòu)分析的專用軟件STABS軟件系列TBSA程序系統(tǒng)SATWE軟件三、本文應(yīng)用軟件ANSYS特點(diǎn)適用范圍廣泛 對于土木工程領(lǐng)域，幾乎所有的結(jié)構(gòu)和荷載工況都可以用來建模和分析并進(jìn)行大規(guī)模的計算。功能齊全建模方法簡便 ANSYS軟件主要有三種建模方法：實(shí)體建模法、直接生成法和利用CAD系統(tǒng)創(chuàng)建模型。結(jié)構(gòu)開放 ANSYS通過模塊與CAD等系統(tǒng)直接相連，模塊使用均采用人機(jī)對話方式，使用方便。圖形功能強(qiáng)大算法先進(jìn) 針對不同有限元模型的大小和特點(diǎn)，ANSYS軟件提供不同的解方程方法，以供使用者選擇。 有限元法是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種有

6、效的數(shù)值方法，它的創(chuàng)立和應(yīng)用在工程分析中具有重要的意義。在國外，有限元法在o年代中起源于航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，60年代初，許多數(shù)學(xué)和力學(xué)工作者參加了有限元法的研究，搞清了它的理論基礎(chǔ)，使有限元法得到了很大的發(fā)展，被推廣用來求解彈性力學(xué)的平面應(yīng)力問題。在我國，60年代初，著名數(shù)學(xué)家馮康教授和他的研究組提出了一種以變分原理為基礎(chǔ)的三角形剖分的近似法，為偏微分方程求得了近似解，并在嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上證明了它的收斂性、穩(wěn)定性和誤差估計。這個方法就是人們熟知的有限元法 。有限元法的出現(xiàn)，是數(shù)值分析方法研究領(lǐng)域內(nèi)重大突破性的進(jìn)展，從結(jié)構(gòu)分析發(fā)展到非結(jié)構(gòu)分析，從靜力計算到動力計算，從彈性問題到彈塑性問

7、題，幾乎在所有的連續(xù)介質(zhì)和場問題中都得到了應(yīng)用。 一、鋼筋混凝土有限元分析的意義 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代工程建設(shè)中，應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)之一。長期以來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析主要依靠試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式，而且主要是針對桿件結(jié)構(gòu)。對于復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)主要采用模型試驗(yàn)，或彈性理論進(jìn)行分析，對某些結(jié)構(gòu)則用極限平衡理論求的其極限承載能力。二、主要用途用于重大結(jié)構(gòu)，如核電站的安全殼、海上采油平臺等。既可以檢驗(yàn)設(shè)計，又可以優(yōu)化設(shè)計；既具有經(jīng)濟(jì)價值，又具有研究價值。用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的全過程分析，對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的性能及其實(shí)際的極限荷載有更深入、正確的了解，能揭示出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，能對其可靠性做出正確的評價。 Beam4Beam

8、4單元特點(diǎn)單元特點(diǎn)：1.兩單元長度和橫截面積均不能為零。如果沒有大的剪切變形，它的慣性矩可以為零。2.在梁單元中，對于慣性矩的計算，橫截面可以是任意形狀。但是，應(yīng)力計算時取界面低端到中性軸的距離為相對應(yīng)的界面高度的一半。單元高度僅僅在彎曲計算和熱應(yīng)力分析時才會使用3.溫度梯度在高度方向和長度方向一般都認(rèn)為是線性的4.如果剛度矩陣一致，注意比例，因?yàn)檫@是計算單元應(yīng)力的依據(jù)，如果人為地放大或縮小了橫截面屬性，應(yīng)力計算和相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)化矩陣都將是錯誤的。5.在回轉(zhuǎn)儀模型分析中，改變初始位移值對計算影響很大，會導(dǎo)致真實(shí)或虛構(gòu)特征值存在潛在的錯誤。6.該單元不能采用阻尼材料特性。7.只允許使用應(yīng)力強(qiáng)化和大

9、變形這兩個非線性特性。Shell63Shell63單元特點(diǎn)：單元特點(diǎn)：1.殼單元的面積不能為零。2.不允許單元厚度為零或者在角點(diǎn)減小為零的情況。3.在殼單元組合中，只要每個單元不超過15度，可很好的產(chǎn)生一個曲邊殼面。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析: :1.對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析即非抗震分析，包括恒載、風(fēng)荷載、驗(yàn)算變形等等；2.對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析即抗震分析，包括在每個節(jié)點(diǎn)分別施加力、抗震分析等。建模過程建模過程分析對象介紹分析對象介紹框架結(jié)構(gòu)的模型建立框架結(jié)構(gòu)的模型建立本模型是模擬建立的模型，建立于長春市某處，由一幢12層高層建筑組成，總建筑面積6048平方米。建筑總高度39米，建筑層數(shù)為地上12層，

10、室內(nèi)外高差為0.6米。其平面及立面如下圖所示?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由空間梁柱框架和水平樓板組成?？臻g梁柱框架分為豎直方向立柱和水平方向樓板梁，構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)的骨架。水平方向樓板梁用于職稱樓板，同時沿水平方向傳遞載荷給立柱。立柱主要用于成熟結(jié)構(gòu)的豎向載荷。樓板承受每層的豎向載荷，并將其傳遞給樓板梁，同時增加結(jié)構(gòu)的剛度和整體性。整個模型采用兩種單元類型：BEAM4和SHELL63。梁柱框架中的梁和立柱均采用BEAM4單元，樓板采用SHELL63單元。BEAM4單元菜單包括截面的高度、寬度、面積和截面慣性矩，截面形式選用矩形。立柱：底層立柱截面采用500mm500mm，其余各層采用450mm450mm.梁：梁截面

11、采用同意形式200mm300mm。SHELL63單元菜單包括單元節(jié)點(diǎn)處的厚度，這里采用等厚度。樓板：樓板厚度取100mm。整個模型采用同一種混凝土材料，彈性模量EX=3.01010Pa，泊松比PRXY=0.2，密度DENS=2500kg/m3。 二、模型建立 利用APDL語言分別建立幾何模型和劃分網(wǎng)格建立有限元模型。結(jié)構(gòu)非抗震分析結(jié)構(gòu)非抗震分析重力荷載作用下的結(jié)構(gòu)重力荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)響應(yīng)風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)應(yīng)房屋與結(jié)構(gòu)物的自重，在一般情況下是不需要，但又是不可避免的荷載，建筑結(jié)構(gòu)物自重（指材料自身重量產(chǎn)生的荷載）是恒載，屬于永久荷載；其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸和材料

12、單位體積自重（即平均重度）計算確定，一般相當(dāng)于恒載實(shí)際概率分布的平均值。對于某些自重變異較大的材料和構(gòu)建（如現(xiàn)場制作的保溫材料、混凝土薄壁結(jié)構(gòu)構(gòu)建等）自重的標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)根據(jù)對結(jié)構(gòu)的不利狀態(tài)取重度的上限值或下限值。對于建筑結(jié)構(gòu)，自身重量是最直接也是首先需要考慮的荷載形式。下面內(nèi)容就是主要計算結(jié)構(gòu)在自重作用下的位移分布和應(yīng)力分布。圖3-2 模型的豎向位移分布圖3-3 模型的等效應(yīng)力分布在自重作用下，梁、板、柱均產(chǎn)生了不同程度的位移。隨著高度的變化位移也成規(guī)律性變化。由于底部支座的約束作用，可將最下部結(jié)構(gòu)視為固定端，位移為零。如圖所示3-2所示，最大位移的數(shù)量級較小，可將其忽略，近似為零。因此可得出結(jié)

13、論結(jié)構(gòu)頂層位移最大，高度的變化與位移近似成正比。板所產(chǎn)生的應(yīng)力明顯比梁要小的多，且跨度越小板應(yīng)力越小。柱的應(yīng)力與高度近似成反比；整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值發(fā)生在二層頂梁處。風(fēng)荷載是高層建筑主要側(cè)向荷載之一，下面主要內(nèi)容包括對風(fēng)荷載的有關(guān)只是進(jìn)行簡要介紹，計算框架剪力墻結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)影響。實(shí)際計算中，風(fēng)壓是隨著高度和建筑物的外形而變化的。一般首先選取基本風(fēng)壓 作為標(biāo)準(zhǔn)，乘以相應(yīng)的高度變化系數(shù) 和體形系數(shù) ，得出實(shí)際風(fēng)壓：本建筑建于長春，所以取基本風(fēng)壓 kN/m2高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別選定，本文選取C類。規(guī)范所注系數(shù)數(shù)值見表3-1。利用線性插值法將其計算為本文所需要的風(fēng)壓高度變化系數(shù)

14、值見表3-2。0wzs0zzsww 00.65w 離地面或海平面高度地面粗糙度類別(m)ABCD5101520304050601.171.381.521.631.801.922.032.121.001.001.141.251.421.561.671.770.740.740.740.841.001.131.251.350.620.620.620.620.620.730.840.93表 3-1 （規(guī)范）風(fēng)壓高度變化系數(shù)z高度z（m）高度z（m）60.74240.86190.74270.877120.74300.893150.74330.909180.755360.925210.84539.50.944zz表 3-2 （線性插值）風(fēng)壓高度變化系數(shù)z 根據(jù)規(guī)范規(guī)定房屋和構(gòu)筑物風(fēng)荷載體型系數(shù)，可按下列規(guī)定采用：房屋和構(gòu)筑物與表7.3.1中的體型類同時，可按該表的規(guī)定采用；（略）如圖3-4所示。圖3-4 風(fēng)荷載體型系數(shù)表0.660.660.660.660.670.750.760.780.790.810.820.840.710.710.710.71