多高层建筑结构计算中的疑难问题及其处理办法

多高层建筑结构计算中的疑难问题及其处理办法,吴文勇 焦 柯,广东省建筑设计研究院深圳市广厦软件有限公司,2007年3月,一、主流结构计算软件的发展,发展历史,构件计算,平面杆系,通用分析与设计,空间薄壁杆系,墙元杆系,80年代初,计算机,90年代末,80年代末,2007年,第一代微机,高性能微机,超性能微机,BSCW和PK,SS和TBSA,SSW和SATWE,GSSAP、PMSAP和ETABS,2.新一代主流结构计算应具备的条件,1）分析通用性：具有丰富的有限单元、荷载类型、快速而大规模的求解器；2）与结构设计规范的紧密结合：能达到设计规范要求的各种计算功能；3）友好的前后处理：平面、立面和三维建模，参数完全开放设置，施工图自动生成；4）优秀的技术服务：提供及时、周到和透彻的技术咨询。,3.国产通用分析与设计软件继续成为新一代主流计算,1）GSSAP：开发目的是主流结构计算2）PMSAP：开发目的是复杂结构计算3）ETABS：国外引进结构计算软件,二、模型简化,1.为什么在各计算软件中墙的计算结果不同,1)采用壳单元的墙的基本计算方法：壳单元(有面内膜和面外板刚度)+子结构+转角罚约束(膜转角不是真实转角),2,1,2,3,3,1,GSSAP、SATWE和ETABS,2) 计算结果不同的主要原因,a)壳单元形函数的影响；b)转角罚约束的影响；c)单元剖分长度的影响；d)墙上下节点罚约束的影响。,a)壳单元形函数的影响,每层采用一个带开洞的子结构式墙单元,两片墙采用两个子结构式墙单元，洞口上部分采用梁单元。,b)转角罚约束的影响,c)单元剖分长度的影响,膜单元部分对剖分不敏感； 板单元部分剖分长度减小时，位移增大。建议： 单元尺寸/厚度 10，可取得较好计算精度； 竖向剖分长度 2m，可避免剪力墙平面外刚度太大。,d)墙上下节点罚约束的影响,2.次梁在空间分析中的计算模型,1)次梁来源：建模输入次梁和井字梁；,2)截面计算时次梁缺省的抗震等级为非抗震；,3)连续次梁的两端所搭接梁抗扭过大,当连续次梁的两端搭接不是墙柱且为刚接时,梁端边界条件自动设置为半刚，半刚系数为0.1，使连续次梁的两端弯矩较小，被搭接梁抗扭验算不易超限。 次梁跨长6000、5000和3000mm，布置20kN/m ，3种计算方法结果比较(GSSAP刚接、GSSAP半刚和连续次梁铰接)。,3.梁柱的7种变截面形式计算,1)所有截面类型可沿截面高度方向变化；,2)7种变化类型：等截面、线性变化、拱变化、圆弧变 化、半拱变化、支托和分段变化 ；,3)直线杆和圆弧杆按20段细分计算各段刚度；,4)按规范进行截面计算时取变截面的尺寸计算。,4.开洞梁的计算,洞口大小对弯矩有影响。,当梁侧面开洞口影响梁的计算刚度时，在录入系统中可输入梁的侧面洞口，并在梁的设计属性中选择计算单元为H向壳。 GSSAP计算时会采用子结构梁元来计算此梁的刚度，相应的内力按普通梁的格式输出。,5.楼板的计算模型,1)程序在计算楼层侧向刚度和楼层结构位移时，按全楼平面内无限刚计算，满足规范对楼层位移的控制要求。,2)在总信息中，选择是否“所有楼层强制采用刚性楼板假定”，来决定结构自振周期和内力计算模型；,当选择“实际”模型时，根据楼板的单元计算类型和节点周边板的情况,程序自动形成实际模型来计算周期和内力。楼板的单元计算类型分为： a)刚性板(普通板)（面内无限刚，面外刚度为0）； b)膜单元(弹性板) （面内弹性刚度，面外刚度0）； c)板单元(厚板转换) （面内无限刚，面外是弹性板刚度） d)壳单元(无梁楼盖) （面内面外均为弹性刚度）。,“实际模型”判据为： 当结构有采用刚性板或板单元的楼板时，根据楼板所采用的计算单元自动形成多块平面内无限刚的刚板(每层可达30000块)，对于用户指定为膜单元和壳单元等的不属于刚板上的楼板或节点,自动根据实际情况按弹性楼板或弹性节点计算。,进入通用计算的楼板由主次梁和墙围成，是实际的楼板，不是作大板简化或只是简化弹性刚度进入空间分析。,3)考虑几何不敏感性 (非矩形单元的计算精度是否达到要求) 考题：悬臂梁端部作用弯矩或力，采用两个膜元计算，当网格扭曲系数=0，为两个矩形膜元， 当=1或2时，矩形膜元变成四边形膜元，随增大扭曲增大。,GSSAP膜单元,ETABS膜单元,不同计算软件膜单元的几何不敏感性：,其中：,在上式中B、B分别是与N、N对应的应变矩阵；D为弹性常数矩阵；|J|是坐标求导变换的jacobi行列式；t是单元厚度。,采用清华大学龙驭球院士的几何不敏感膜单元，膜单刚：,6.带侧约束地下室的刚度,1)有些软件，用刚度放大模拟侧向约束是没有依据的，通常约束过大；2)GSSAP采用弹簧模拟侧土约束，弹簧是根据侧土基床系数来确定的；3)侧土基床系数不同，对结构顶点位移和周期是有影响的。,7.层间梁和斜柱,1)立面和三维输入；,2)自动节点剖分；3) 按弹性节点计算；4) 杆件的端部约束可指定。,8.自由度(杆端和支座)的释放和约束,1)梁两端铰接；2)单桩基础上柱下端铰接；3)地下室嵌固； 4)不等高嵌固；5)考虑沉降不均匀计算。,1)梁两端铰接；,梁的局部坐标系,2)单桩基础上柱下端铰接；,柱的局部坐标系,3)地下室完全嵌固；,a)节点约束为全局坐标下的约束。 b)当用基床系数的侧约束模型无法达到地下室完全嵌固的目的时，可按下面方法：,4)不等高嵌固；,a)在总体信息中按实际模型计算；b)某一结构层部分平面不等高嵌固时，在其上一结构层中设置墙柱下端节点约束。,5)考虑沉降不均匀计算,指定墙柱下端嵌固节点的位移，该约束只影响重力恒荷载工况的计算。内力计算后再与其它工况组合，用于考虑不均匀沉降对结构的影响 。,9.砖墙在空间分析中的计算,1)可计算的砖混结构：下图上4层纯砖混而底下2层砖砼混合结构，2层砖砼混合结构可进入GSSAP计算，砖砼混合结构可以为底框、内框、外框和边框等结构。,2) 计算过程:,a、3-6层纯砖混层逐层导荷到混合结构顶层2；b、所有层中的砖墙按纯砖混结构进行砖墙的抗剪和抗压验算； c、1-2层混合层中的砖墙计算模型为开洞墙元，GSSAP来计算混合层。,3)GSSAP和SS计算砖砼混合结构的区别,目前广厦软件中GSSAP和SS都可计算砖砼混合结构，SS为薄臂杆系计算，不能计算复杂的框支情况，砖砼混合结构中常常发生复杂的框支情况，只能采用GSSAP。,10.单元自动剖分,单元自动剖分是准确计算的重要一环，所有建筑结构通用计算中少不了如下4种自动剖分方法。 1）线单元剖分； 2）墙和梁带洞口的矩形单元剖分； 3）板采用膜元的多边形三角剖分； 4）板采用板壳元的凸凹多边形剖分。,1）线单元剖分：变截面、相邻弹性板、中间有其它构件搭接点；,2）墙和梁带洞口的矩形单元剖分3）板采用膜元的多边形三角剖分,4）板采用板壳元的凸凹多边形剖分 可自动剖分二维任意凸凹多边形，多边形内可包含多边形洞口、剖分点和剖分线。单元不出现畸形，不需要人工干预。,基础CAD中的凸凹多边形剖分。,三、荷载与作用,1.通用分析中荷载的完整输入（可组成1000多种荷载）,1)4个数据：类型、工况、方向和大小；2)类型指的是它的形式如均布和分布等；3)11类工况为：重力恒、重力活、水压力、土压力、预应力、雪、升温、降温、人防、施工和风荷载；4)6个荷载作用方向：局部坐标的1、2、3轴和总体坐标的X、Y、Z轴；5)可以在墙柱梁板上人工布置荷载。,2.恒活荷载分重力类和非重力类,3.温度荷载的计算,墙柱梁板支持温度应力分析:1）包含升温和降温两工况；2）可布置均匀升降温和温度梯度荷载；3）可直接布置力和弯矩来等效温度荷载；4）采用应力松弛系数来考虑钢筋混凝土结构的徐变，实际温差乘以应力松弛系数作为计算温差，应力松弛系数根据温差变化过程的缓慢程度不同可取0.3-0.5，温差变化过程快时应力松弛数大，反之则小；5)参与可变荷载内力组合。,4.地下室的人防设计,可以进行各种复杂的地下室人防计算:1)多层人防的计算；2)结构局部人防的计算；3)多个人防单元的计算；4)没有直接布置人防荷载的墙柱梁板的人防计算。,计算过程： 1)选择人防荷载工况输入墙柱梁板的人防荷载；,2)布置荷载时可查看墙柱梁板的局部坐标；,3)如何控制地下室哪些构件要考虑人防设计? a)在设计属性中可设置墙柱梁板考虑人防设计； b)没有直接布置人防荷载的墙柱梁板可考虑人防设计； c)有人防荷载GSSAP自动考虑人防设计。 4)三维线弹性有限元分析； 5)人防作用效应组合； 6)人防构件截面计算； 7)在图形方式查看结果中可显示墙竖向分布钢筋。,5.施工荷载作用,1)高层建筑结构首层楼面宜考虑施工荷载，不宜小于10kN/m2；2)单独作为一个工况输入；3)墙柱梁板内力组合： 1.0恒+1.0施工荷载 G恒+1.0施工荷载,6.风荷载作用,1)迎风面计算 根据风荷载作用方向，将建筑外轮廓投影到垂直风荷载作用方向的平面，每一楼层的层高乘以楼层投影宽度就是迎风面积。这里注意，当楼层由多个刚性隔板组成时（互不连通）应分别计算每个刚板的投影宽度，否则风荷载会漏掉。,平面图,2)层风荷载的分配 每个节点风荷载根据迎风面积分配，比其它计算软件作用于质心的方法更合理，两者顶点位移误差最大可达20%。,平面图,3)多方向的风荷载计算 有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，在风荷载计算时也应分别计算各抗侧力构件方向的水平力作用。 最多可输入8个风荷载方向，每个风荷载方向作为一个独立的工况参与内力组合。 如0、90、180、2700和180分为两个工况。可以0度有风荷载作用而180度没有。,风荷载方向输入,4)不同方向的风的基本风压、体型系数和自振周期不同,自振周期见计算结果文本输出周期和地震作用中2.平动系数和扭转系数,5)楼顶附属物的风荷载计算,1)梁柱上可输入每个风作用方向的体型系数和迎风宽度，墙板可输入每个风方向的体型系数和迎风面积；2)基本风压、风压高度变化系数和距地Z高度处风振系数按构件所在的层自动计算；,1)可同普通的静力荷载输入，只是工况要选择风荷载工况；2)按层导的风荷载和用户在构件布置的风荷载互相叠加。,6)侧风荷载计算,7.地震作用,1)多个地震方向计算,a)最多可设置8个地震方向；b)每个方向可考虑偶然质量偏心；c)每个方向可考虑双向地震的扭转效应；d)每个方向进行刚度比和剪重比等验算并进行相应的内力调整。,2）提供3种固有频率求解方法,3种固有频率求解方法的精度和速度：,子空间迭代法计算精度高，但速度稍慢。对于小型结构，当计算振型较多、或需计算全部结构振型时，宜选择该方法。对于普通结构计算，建议采用该方法计算。 兰索斯(Lanczos)方法速度快，精度稍低。对于一般的结构计算，只需求解结构的前几十个振型，需计算振型数远小于结构的总自由度数和质点数，兰索斯方法的计算结果与子空间迭代法计算结果基本相同。 李兹向量(Ritz)直接法的速度、精度介于前两者之间。 在一般的结构设计中，三种计算方法的计算精度都能满足设计要求，对于特殊结构当采用一种方法求解不收敛或不能求解固有频率时，可换另一种方法求解。,8.吊车荷载的计算,1) 吊车参数,2)布置吊车轨道,3) 吊车轨道的任意布置 a) 每条轨道的两端点可不在同一高度； b) 单条轨道吊车（另一条轨道不与柱梁3维相交）； c) 两轨道可不在同一高度； d) 两轨道可不平行。 4) 荷载作用点 a)与柱自动空间3维求交； b)与梁自动空间3维求交。5) 每个作用点产生4个荷载工况6) 进行荷载的予组合和基本组合7) 最多10部吊车,