多高层建筑结构计算中的疑难问题及其处理办法
120页1、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
2、(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
3、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)
4、(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,
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