LLC高層結(jié)構(gòu)分析與概念設(shè)計(jì)

1、華 中 科 技 大 學(xué)研究生課程考試答題本考生姓名 李立超 考生學(xué)號(hào) M201273064 系、年級(jí) 結(jié)構(gòu)1201班 類 別 碩士 考試科目 高層結(jié)構(gòu)分析與概念設(shè)計(jì) 考試日期 2013-07-01 評(píng) 分題 號(hào)得 分題 號(hào)得 分總分：評(píng)卷人：注：1、無評(píng)卷人簽名試卷無效。2、必須用鋼筆或圓珠筆閱卷，使用紅色。用鉛筆閱卷無效。題號(hào)回 答 內(nèi) 容得分高層建筑結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法的發(fā)展綜述李立超（華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢，430074）摘 要：目前隨著高層建筑的迅速發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算方法也在不斷的被改進(jìn)，與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)使得各種結(jié)構(gòu)體系的分析越來越接近真實(shí)情況，可以更好的

2、對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部分進(jìn)行處理，以保證結(jié)構(gòu)在大震作用下不出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。此外，對(duì)于帶地下室的高層建筑而言，如何考慮并充分利用地下室周圍土體對(duì)建筑物的作用仍然是一個(gè)值得研究的問題。關(guān)鍵詞：高層建筑；分析計(jì)算方法；計(jì)算機(jī)軟件A summary of research on the analytical calculating methodsof high-rise building structureLi Lichao(School of Civil engineering and Mechanics , Huazhong Universityof Science and Technology,

3、 wuhan, 430074)Abstract: At present, with the rapid development of the high-rise bulidings, the analytical calculating methods of high-rise building structure are also improved gradually. At the same time, the development of computer softwares makes analysis of kinds of structural systems more and m

4、ore realistic, which is helpful to deal with the critical element and the weakened sections so that the structure cannt be destroyed terribly when the stong earthquake happens. Whatt more, as for the high-rise building with basements, its still a problem valuable to be researched that how to conside

5、 and make full use of the effect the solum applies to the structure.Keywords: high-rise building; analytical calculating methods; computer softwares.1引言70年代中期, 當(dāng)高層建筑剛剛嶄露頭角的時(shí)候, 結(jié)構(gòu)分析基本上采用手算, 之后隨著電子計(jì)算機(jī)進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域, 平面的以及可考慮空間協(xié)同工作的各類程序相繼在計(jì)算機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和現(xiàn)代生活的需要，特別是近些年超高層建筑的迅猛發(fā)展，建筑師們創(chuàng)造出各種五花八門的新、奇、特的建筑，比如凱

6、旋門式建筑，連續(xù)幾層樓板開大洞形成中庭的建筑，大底盤多塔樓建筑, 各種類型的錯(cuò)層建筑等等1應(yīng)運(yùn)而生, 這些建筑的產(chǎn)生, 迫使結(jié)構(gòu)分析必須突破陳舊的傳統(tǒng)觀念以更精確的理論編制出更完善的程序，如現(xiàn)在廣泛使用的ETABS軟件和SATWE軟件等等。與此同時(shí)，在結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算過程中，需要考慮的問題越來越多，結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法也在不斷的改進(jìn)，以便更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形6（1）一維協(xié)同分析。按一維協(xié)同分析時(shí)，只考慮各抗側(cè)力構(gòu)件在一個(gè)位移自由度方向上的變形協(xié)調(diào)。在水平力作用下，將結(jié)構(gòu)體系簡化為由平行水平力方向上的各榀抗側(cè)力構(gòu)件組成的平面結(jié)構(gòu)。根據(jù)剛性樓板假定，

7、同一樓面標(biāo)高處各榀抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)移相等，由此即可建立一維協(xié)同的基本方程。在扭矩作用下，則根據(jù)同層樓板上各抗側(cè)力構(gòu)件轉(zhuǎn)角相等的條件建立基本方程。一維協(xié)同分析是各種手算方法采用最多的計(jì)算圖形。（2）二維協(xié)同分析。二維協(xié)同分析雖然仍將單榀抗側(cè)力構(gòu)件視為平面結(jié)構(gòu)，但考慮了同層樓板上各榀抗側(cè)力構(gòu)件在樓面內(nèi)的變形協(xié)調(diào)?？v橫兩方向的抗側(cè)力構(gòu)件共同工作，扭矩與水平力同時(shí)計(jì)算。在引入剛性樓板假定后，每層樓板有3個(gè)自由度u，v，（當(dāng)考慮樓板翹曲時(shí)有4個(gè)自由度），樓面內(nèi)各抗側(cè)力構(gòu)件的位移均由這3個(gè)自由度確定。剪力樓板位移與其對(duì)應(yīng)外力作用的平衡方程，用矩陣位移法求解。二維協(xié)同分析主要為中小微型計(jì)算機(jī)上的桿系結(jié)構(gòu)分析程

8、序所采用。（3）三維空間分析。二維協(xié)同分析并沒有考慮抗側(cè)力構(gòu)件的公共節(jié)點(diǎn)在樓面外的位移協(xié)調(diào)（豎向位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)），而且，忽略抗側(cè)力構(gòu)件平面外的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)具有明顯空間工作性能的筒體結(jié)構(gòu)也是不妥當(dāng)?shù)摹ＨS空間分析的普通桿單元每一節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點(diǎn)還應(yīng)考慮截面翹曲，應(yīng)當(dāng)有7個(gè)自由度。3 各類結(jié)構(gòu)體系的分析計(jì)算方法3.1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算，通常是將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架，采用桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法求解。也可以用簡化計(jì)算2的方法，將同一結(jié)構(gòu)的所有框架和剪力墻合并為總框架和總剪力墻，在總框架和總剪力墻之間用無軸向變形連梁連接。根據(jù)連梁的不同連接形

9、式,可將實(shí)際結(jié)構(gòu)簡化為剛接體系和鉸接體系，如下圖1所示。（a）鉸接體系 （b）剛接體系圖1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的簡化計(jì)算模型當(dāng)采用桿模型分析時(shí)，這兩種體系在水平荷載作用下的整體反應(yīng)區(qū)別不是很大。對(duì)于動(dòng)力學(xué)分析，還需作進(jìn)一步考慮。在實(shí)際工程應(yīng)用中僅考慮水平地震作用時(shí)，對(duì)于框剪這類抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性分析，一般應(yīng)將桿模型進(jìn)一步簡化為彎剪型層間模型進(jìn)行處理。相對(duì)于剪切型層間模型，彎剪型模型考慮了相鄰層彎曲的影響，與實(shí)際狀況更為吻合。簡化為彎剪型層間模型的關(guān)鍵在于樓層層間剛度和側(cè)移剛度矩陣的推導(dǎo)，可以使用結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的凝聚方法和柔度法。3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)單榀平面剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力與位移計(jì)算的方法很

10、多，有電算方法，也有手算方法。在把空間結(jié)構(gòu)平面化后，剪力墻結(jié)構(gòu)的受力便成為一個(gè)平面應(yīng)力問題，因此可以用相應(yīng)的有限元法進(jìn)行分析計(jì)算。從理論上講，由于有限元網(wǎng)格劃分的靈活性，電算法可以對(duì)任意立面形狀、任意開洞情況的剪力墻進(jìn)行足夠精確的分析與計(jì)算，因而具有較大的適用性。但電算方法受到計(jì)算設(shè)備或計(jì)算費(fèi)用的限制，所以，工程上亦常常采用手算的方法對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。手算的方法往往基于一系列的簡化假定，因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力及變形特性，宜盡量與簡化假定相吻合，以保證簡化計(jì)算方法的精確性。目前在剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算中，常用的手算方法一般有以下三類：第一類是材料力學(xué)方法，適用于整截面剪力墻或整體小開口剪力

11、墻；第二類是連續(xù)化方法，將連梁看成是墻肢間的連桿并將其沿高度離散為均勻、連續(xù)分布的連桿，然后用微分方程求解，計(jì)算簡圖如下圖2所示，一般適用于聯(lián)肢剪力墻（雙肢剪力墻或多肢剪力墻）；第三類是D值法，適用于壁式框架。（a）聯(lián)肢墻的結(jié)構(gòu)尺寸 （b）聯(lián)肢墻的計(jì)算簡圖 圖2 聯(lián)肢墻的結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算簡圖3.3 筒體結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對(duì)計(jì)算模型處理手法的不同可分為三類6：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。一種是只作幾何分布上的連續(xù)化，以便用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力；另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應(yīng)

12、用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應(yīng)用有連續(xù)化微分方程解法、框筒近似解法、擬殼法、能量法、有限單元法、有限條法等。等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法來分析。這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架結(jié)構(gòu)法等。具體應(yīng)用包括等效角柱法、展開平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架結(jié)構(gòu)法。比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計(jì)算模型是完全按三維空間結(jié)構(gòu)來分析筒體結(jié)構(gòu)體系，其中應(yīng)用最廣的是空間桿-薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結(jié)構(gòu)體系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結(jié)構(gòu)。3.4 帶地下室的高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算（a）不帶地下室（b）帶地下室且（c）

13、帶地下室且圖3 高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型高層建筑往往帶有地下室，有些甚至帶幾層地下室。從建筑功能來說，可利用地下室作為地下停車庫、設(shè)備用房等；從結(jié)構(gòu)功能來說，設(shè)置了地下室可以增加基礎(chǔ)埋深，對(duì)于增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和提高抗傾覆性能是有利的。對(duì)于帶地下室的高層結(jié)構(gòu)如何合理地選取結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型至關(guān)重要，上圖3為三種簡化的分析計(jì)算模型3510。對(duì)于帶地下室的高層建筑而言，如果按照上圖（a）所示的計(jì)算模型計(jì)算，即將地下室的頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固層，所得到的結(jié)構(gòu)周期往往偏小；圖（b）所示的計(jì)算模型就是在圖（a）的基礎(chǔ)上加了一層地下室，并且考慮了地下室周圍土體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；而圖（c）則是圖（b）的簡化模型，即

14、將最底層的抗側(cè)剛度用土體的壓縮剛度與地下層側(cè)向剛度之和代替。4 計(jì)算機(jī)軟件在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用ETABS程序4是高層建筑結(jié)構(gòu)空間計(jì)算的專用程序，是在TABS程序的基礎(chǔ)上增加了求解空間框架和剪力墻的功能，能在靜載和地震荷載作用下對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性計(jì)算的程序。柱子考慮彎曲、軸向和剪切變形的影響，梁考慮彎曲和剪切變形的影響，剪力墻可以用帶剛域梁和墻板單元計(jì)算。SATWE程序4是中國建筑科學(xué)研究院CAD工程部為高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，其核心是解決剪力墻和樓板的模型化問題，盡可能地減小其模型化誤差，提高分析精度，使分析結(jié)果能夠更好地反映出高層結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)。在

15、利用高層建筑結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，要始終以高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程8作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置以保證計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。5 小結(jié)與展望目前隨著高層建筑的發(fā)展越來越快，其計(jì)算方法也在不斷的被改進(jìn)，各種分析計(jì)算模型不斷的被優(yōu)化，但是依然存在一些問題。概念設(shè)計(jì)79的提出解決了某些問題，如材料的浪費(fèi)等，它是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中不可缺少的部分，更是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中非常重要的部分。此外，對(duì)于帶地下室的高層建筑而言，地下室周圍土體對(duì)建筑物的影響還有待進(jìn)一步的研究，在結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析時(shí)要充分利用地下室周圍土體對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的有利影響并避開不利影響，進(jìn)而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 霍維捷.高層建筑結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法展望J.工程師講座,44-47.2 董慶,林雁.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的簡化分析方法J.山西建筑, 2008,34(27): 98- 99.3 程志輝,張俊勝.帶地下室高層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算模型J.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,33(6):89-93.4 張銅生,包裕昆,包世華.我國高層建筑設(shè)計(jì)計(jì)算的回顧及存在的問題J.力學(xué)進(jìn)展,1996,26(2):214-229.5 曹愛群.淺談高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)J.工程與設(shè)計(jì),2011,25(3):348-350.6 肖峻.高層建筑結(jié)構(gòu)分