結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理謝啟芳課件

1、11.1 概概 述述 高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)分析方法，從原理上可分為三高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)分析方法，從原理上可分為三種：（種：（1）將高層建筑結(jié)構(gòu)離散為桿單元，再將桿單元集合）將高層建筑結(jié)構(gòu)離散為桿單元，再將桿單元集合成結(jié)構(gòu)體系，采用矩陣位移法計(jì)算（或稱為成結(jié)構(gòu)體系，采用矩陣位移法計(jì)算（或稱為桿件有限元桿件有限元法法）；（）；（2）將高層建筑結(jié)構(gòu)離散為桿單元、平面或空間的）將高層建筑結(jié)構(gòu)離散為桿單元、平面或空間的墻、板單元，然后將這些單元集合成結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，墻、板單元，然后將這些單元集合成結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，稱為組合結(jié)構(gòu)法（或稱為稱為組合結(jié)構(gòu)法（或稱為組合有限元法組合有限元法）；（）；（3）將

2、高層建）將高層建筑結(jié)構(gòu)離散為平面或空間的連續(xù)條元，并將這些條元集合筑結(jié)構(gòu)離散為平面或空間的連續(xù)條元，并將這些條元集合成結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，稱為成結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，稱為有限條法有限條法。 桿件矩陣位移法應(yīng)用得最為廣泛，有限條法應(yīng)用較少，桿件矩陣位移法應(yīng)用得最為廣泛，有限條法應(yīng)用較少，組合有限元法近年來應(yīng)用較多。組合有限元法近年來應(yīng)用較多。 11.2 桿件有限元法桿件有限元法11.2.1 基本假定基本假定（1）空間結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)假定。）空間結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)假定。 （2）彈性樓板或剛性樓板假定。）彈性樓板或剛性樓板假定。（3）桿件具有軸向、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)剛度。）桿件具有軸向、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)剛度。圖圖

3、11.2.1 空間桿件和平面桿件空間桿件和平面桿件11.2.2 計(jì)算模型計(jì)算模型1平面協(xié)同計(jì)算模型平面協(xié)同計(jì)算模型 兩條假定：兩條假定：（1）樓板在自身平面內(nèi)為絕對(duì)剛性，在平面外的剛度為零。按此假定，）樓板在自身平面內(nèi)為絕對(duì)剛性，在平面外的剛度為零。按此假定，在水平荷載作用下整個(gè)樓面在自身平面內(nèi)作剛體移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，各軸線上在水平荷載作用下整個(gè)樓面在自身平面內(nèi)作剛體移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，各軸線上的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在同一樓層處具有相同的位移參數(shù)。的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在同一樓層處具有相同的位移參數(shù)。 （2）各軸線上的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在自身平面內(nèi)的剛度遠(yuǎn)大于平面外剛度，）各軸線上的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在自身平面內(nèi)的剛度遠(yuǎn)大于平面外剛度，即假定

4、各抗側(cè)力平面結(jié)構(gòu)只在其平面內(nèi)具有剛度，不考慮其平面外剛度。即假定各抗側(cè)力平面結(jié)構(gòu)只在其平面內(nèi)具有剛度，不考慮其平面外剛度。按此假定，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系可劃分為若干個(gè)正交或斜交的平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)按此假定，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系可劃分為若干個(gè)正交或斜交的平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)算。 在水平荷載作用方向每個(gè)樓層只有一個(gè)位移未知量，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生扭在水平荷載作用方向每個(gè)樓層只有一個(gè)位移未知量，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 結(jié)構(gòu)體系有個(gè)樓層，就有個(gè)基本未知量，兩個(gè)方向的平面結(jié)構(gòu)各自結(jié)構(gòu)體系有個(gè)樓層，就有個(gè)基本未知量，兩個(gè)方向的平面結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立，可分別計(jì)算。由于此法假定與荷載作用方向正交的構(gòu)件不受力，獨(dú)立，可分別計(jì)算。由于此法假定與

5、荷載作用方向正交的構(gòu)件不受力，所以亦稱為平面協(xié)同計(jì)算。所以亦稱為平面協(xié)同計(jì)算。 2. 空間協(xié)同計(jì)算模型空間協(xié)同計(jì)算模型 此法假定與水平荷載作用方向正交的平面結(jié)構(gòu)只參與抗扭，故稱為此法假定與水平荷載作用方向正交的平面結(jié)構(gòu)只參與抗扭，故稱為空間協(xié)同計(jì)算，詳見第空間協(xié)同計(jì)算，詳見第7章第章第7.6節(jié)。節(jié)。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是基本未知量為樓層的位移是基本未知量為樓層的位移 和和 ，對(duì)于，對(duì)于n樓層，共有樓層，共有3個(gè)個(gè)基本未知量；不考慮結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)時(shí)，僅有基本未知量；不考慮結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)時(shí)，僅有2個(gè)未知量，計(jì)算簡(jiǎn)單，適合于個(gè)未知量，計(jì)算簡(jiǎn)單，適合于采用中小型計(jì)算機(jī)計(jì)算。采用中小型計(jì)算機(jī)計(jì)算。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是僅考慮了各個(gè)抗側(cè)

6、力結(jié)構(gòu)在樓層處水平位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)，是僅考慮了各個(gè)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在樓層處水平位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)，未考慮各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在豎直方向的位移協(xié)調(diào)。未考慮各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在豎直方向的位移協(xié)調(diào)。 適用適用于結(jié)構(gòu)必須能分解為許多榀抗側(cè)力平面結(jié)構(gòu)的情況，不能用于于結(jié)構(gòu)必須能分解為許多榀抗側(cè)力平面結(jié)構(gòu)的情況，不能用于空間作用很強(qiáng)的框筒結(jié)構(gòu)（豎向位移協(xié)調(diào)必須考慮）、曲邊和多邊結(jié)構(gòu)空間作用很強(qiáng)的框筒結(jié)構(gòu)（豎向位移協(xié)調(diào)必須考慮）、曲邊和多邊結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等的計(jì)算以及結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等的計(jì)算。v ,u3空間桿空間桿薄壁桿系計(jì)算模型薄壁桿系計(jì)算模型 將高層建筑結(jié)構(gòu)視為空間結(jié)構(gòu)體系，梁、柱、支撐等一般均采用空間將高層建筑

7、結(jié)構(gòu)視為空間結(jié)構(gòu)體系，梁、柱、支撐等一般均采用空間桿件單元，剪力墻可以采用薄壁空間桿件單元。桿件單元，剪力墻可以采用薄壁空間桿件單元。 薄壁空間桿件的每個(gè)結(jié)點(diǎn)有薄壁空間桿件的每個(gè)結(jié)點(diǎn)有7個(gè)位移分量，即除了上述的個(gè)位移分量，即除了上述的6個(gè)位移分量個(gè)位移分量外，還有外，還有1個(gè)扭轉(zhuǎn)角分量，如圖個(gè)扭轉(zhuǎn)角分量，如圖11.2.2所示。所示。 空間桿空間桿薄壁桿系計(jì)算方法滿足了空間的變形協(xié)調(diào)條件。是目前實(shí)際薄壁桿系計(jì)算方法滿足了空間的變形協(xié)調(diào)條件。是目前實(shí)際工程中的應(yīng)用較廣泛的一種計(jì)算模型，適用于各種結(jié)構(gòu)平面布置，可得到工程中的應(yīng)用較廣泛的一種計(jì)算模型，適用于各種結(jié)構(gòu)平面布置，可得到梁、柱、剪力墻等構(gòu)件

8、的全部變形和內(nèi)力，又可以考慮結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，是一種梁、柱、剪力墻等構(gòu)件的全部變形和內(nèi)力，又可以考慮結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，是一種比較精細(xì)的計(jì)算方法。比較精細(xì)的計(jì)算方法。 4空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 部分高層建筑的樓板開有大孔洞，從而使樓板在平面內(nèi)無限剛性部分高層建筑的樓板開有大孔洞，從而使樓板在平面內(nèi)無限剛性的假定不適用，應(yīng)考慮樓板變形的影響；部分高層建筑具有復(fù)雜的空的假定不適用，應(yīng)考慮樓板變形的影響；部分高層建筑具有復(fù)雜的空間剪力墻，如開有不規(guī)則的洞口、平面復(fù)雜的芯筒等；不少高層建筑間剪力墻，如開有不規(guī)則的洞口、平面復(fù)雜的芯筒等；不少高層建筑使用了轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)換大梁、轉(zhuǎn)換桁架和轉(zhuǎn)換厚板等。對(duì)

9、于這些使用了轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)換大梁、轉(zhuǎn)換桁架和轉(zhuǎn)換厚板等。對(duì)于這些高層建筑，可采用空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型高層建筑，可采用空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 。 該計(jì)算模型在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上均有六個(gè)自由度，可以對(duì)高層建筑進(jìn)行該計(jì)算模型在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上均有六個(gè)自由度，可以對(duì)高層建筑進(jìn)行更細(xì)致、更精確的結(jié)構(gòu)分析，可以考慮空間扭轉(zhuǎn)變形，也可以考慮樓更細(xì)致、更精確的結(jié)構(gòu)分析，可以考慮空間扭轉(zhuǎn)變形，也可以考慮樓板變形。板變形。 11.2.3 計(jì)算要點(diǎn)計(jì)算要點(diǎn)11.3 空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算方法空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算方法11.3.1 關(guān)于剪力墻計(jì)算模型關(guān)于剪力墻計(jì)算模型對(duì)剪力墻采用經(jīng)典的平面有限元法計(jì)算是不合適的。對(duì)剪力墻采用經(jīng)典的平面有限元法

10、計(jì)算是不合適的。用薄壁桿件來模擬復(fù)雜多變的剪力墻，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，用薄壁桿件來模擬復(fù)雜多變的剪力墻，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，甚至?xí)贸鲥e(cuò)誤的結(jié)果。甚至?xí)贸鲥e(cuò)誤的結(jié)果。 11.3.2 墻板和墻元模型墻板和墻元模型1. 墻板模型墻板模型 將剪力墻簡(jiǎn)化為平面單元，單元平面內(nèi)有軸向、彎曲和剪切剛度，將剪力墻簡(jiǎn)化為平面單元，單元平面內(nèi)有軸向、彎曲和剪切剛度，平面外剛度為零，稱為墻板。工程中常用的主要有以下兩種模型：平面外剛度為零，稱為墻板。工程中常用的主要有以下兩種模型：（1）平面應(yīng)力單元。是一種比較粗糙的平面有限元法）平面應(yīng)力單元。是一種比較粗糙的平面有限元法 （2）新型高精度剪力墻單元。是一種考慮

11、剪力墻受力特性的平面應(yīng)力）新型高精度剪力墻單元。是一種考慮剪力墻受力特性的平面應(yīng)力單元單元。圖圖11.3.1 剪力墻計(jì)算的平面應(yīng)力單元剪力墻計(jì)算的平面應(yīng)力單元圖圖11.3.2 新型高精度剪力墻單元新型高精度剪力墻單元2墻元模型墻元模型 基于殼元理論的剪力墻分析模型，稱為基于殼元理論的剪力墻分析模型，稱為墻元模型墻元模型，這是一種更為精，這是一種更為精確的剪力墻分析模型確的剪力墻分析模型。 SATWE程序用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。對(duì)于尺程序用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。對(duì)于尺寸較大的剪力墻或帶洞口的剪力墻，按照子結(jié)構(gòu)的基本思路，由程序自寸較大的剪力墻或帶洞口的剪力墻，按照

12、子結(jié)構(gòu)的基本思路，由程序自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行劃分，形成若干小殼元（圖動(dòng)對(duì)其進(jìn)行劃分，形成若干小殼元（圖11.3.3），然后計(jì)算每個(gè)小殼元），然后計(jì)算每個(gè)小殼元的剛度矩陣并疊加，最后用靜力凝聚方法將由于墻元細(xì)分而增加的內(nèi)部的剛度矩陣并疊加，最后用靜力凝聚方法將由于墻元細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去，只在墻的四角與梁、柱相連，從而保證墻元的精度和有限自由度消去，只在墻的四角與梁、柱相連，從而保證墻元的精度和有限的出口自由度。的出口自由度。 圖圖11.3.3 墻元及其細(xì)分示意圖墻元及其細(xì)分示意圖11.3.3 空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算方法空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算方法 空間組合結(jié)構(gòu)計(jì)算法的計(jì)算要點(diǎn)與桿件有限元法相同，詳見空間組合結(jié)

13、構(gòu)計(jì)算法的計(jì)算要點(diǎn)與桿件有限元法相同，詳見11.2.3小節(jié)。此法與桿件有限元法的主要小節(jié)。此法與桿件有限元法的主要區(qū)別區(qū)別是：將結(jié)構(gòu)離散為有是：將結(jié)構(gòu)離散為有限單元時(shí)，對(duì)于一般的梁、柱單元，仍采用空間桿單元模型；對(duì)限單元時(shí)，對(duì)于一般的梁、柱單元，仍采用空間桿單元模型；對(duì)于剪力墻，視具體結(jié)構(gòu)和計(jì)算要求，可采用墻板模型或墻元模型；于剪力墻，視具體結(jié)構(gòu)和計(jì)算要求，可采用墻板模型或墻元模型；對(duì)于樓板，采用殼元。對(duì)于樓板，采用殼元。11.4 高層建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)程序高層建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)程序11.4.1 結(jié)構(gòu)分析通用程序結(jié)構(gòu)分析通用程序 特點(diǎn)是單元種類多、適應(yīng)能力強(qiáng)、功能齊全等，一般可用來對(duì)高層特點(diǎn)是

14、單元種類多、適應(yīng)能力強(qiáng)、功能齊全等，一般可用來對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析。但這類程序沒有考慮高層建筑結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析。但這類程序沒有考慮高層建筑結(jié)構(gòu)的專業(yè)特點(diǎn)專業(yè)特點(diǎn) 。兩種應(yīng)用較普遍的程序：兩種應(yīng)用較普遍的程序：SAP2000程序程序和和ANSYS程序程序。11.4.2 高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)專用程序高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)專用程序1ETABS程序和程序和ETABS中文版中文版 2TBSA程序和程序和TBWE程序程序3TAT程序和程序和SATWE程序程序11.4.3 程序計(jì)算結(jié)果的分析與判別程序計(jì)算結(jié)果的分析與判別 對(duì)各單項(xiàng)荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，如恒荷載、某一活荷載、對(duì)各單項(xiàng)荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，如恒荷載、某一活荷載、某一振型的地震作用，可校核某些結(jié)點(diǎn)是否滿足平衡條件。注意，不某一振型的地震作用，可校核某些結(jié)點(diǎn)是否滿足平衡條件。注意，不能用組合內(nèi)力進(jìn)行校核，因?yàn)榻M合內(nèi)力是由各單項(xiàng)內(nèi)力乘以不同值的能用組合內(nèi)力進(jìn)行校核，因?yàn)榻M合內(nèi)力是由各單項(xiàng)內(nèi)力乘以不同值的荷載分項(xiàng)系數(shù)而得，故而破壞了原來的結(jié)點(diǎn)平衡條件。荷載分項(xiàng)系數(shù)而得，故而破壞了原來的結(jié)點(diǎn)平衡條件。 對(duì)結(jié)構(gòu)的基本周期，可用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，二者的對(duì)結(jié)構(gòu)的基本周期，可用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，二者的計(jì)算結(jié)果不應(yīng)相差太大。否則，有兩種可能，一是計(jì)算結(jié)果不正