高层结构空间有限元分析新模型_SATWE_6093c96d_7fd8_4066_

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

第 2卷第 9

3

期

土

木

工

程

导

1 99 6年 6

月

高层结构空间有限元分析新模型一 S A T W ECAD

工程部,

(中国建筑科学研究院 )

【要]提础上,

在高层结构分析中,

,

对剪力墙和楼板的模型化假定是其关键问题。

它直接决走了高

层结构分析模型的科学性

同时也决定了分析软件的精度和可信度构造了允许带有任意方洞口的通用墙元,、

本文在四节点等参壳元的基

应用静力凝聚方法,,

,

,

提出了以墙元为核心的高层E。

结构分析模型分析精度高

并据此模型研制了复杂体型高层结构空间有限元分析软件 S A T W前后处理功能强,

SA T

W

E

求解速度快

便于在工程中推广应用

。

一随着经济的高速发展,

、

前

言,

,

我国高层建筑发展迅速〔‘’,

设计思想也在不断更新,

。

结构体系日趋

多样化建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂的要求,

这就给高层结构分析和设计提出了更高已成为我国高层建筑

如何高效

、

准确地对这些复杂结构体系进行内力分析与设计。

研究领域急待解决的重要课题之一,, 0自8年代以来我国不少单位组织研制了高层建筑结构分析软件在一定程度上促进了我国高层建筑的发展。

目前在工程中应用较多的高层结构分析软件主要有三类2,

,

一类是基于,

「薄壁柱理论的三维杆系结构有限元分析软件

“’,

薄壁柱理论的优点是自由度少,

使复杂

的高层结构分析得到了极大的简化

。

但是

,

实际工程中的许多剪力墙难以满足薄壁柱理论的尤其对于越来越复杂的现代高层建把无洞口或有较小洞口的剪力墙模一。

基本假定筑,

,

用薄壁柱单元模拟工程中的剪力墙出入较大,

出入更大

精度难以保证,

。

第二类是基于薄板理论的结构有限元分析软件

〔4刁,

型化为一个板单元把有较大洞口的剪力墙模型化为板梁连接体系这类软件对剪力墙的,模型化不够理恕没有考虑剪力墙的平面外刚度及单元的几何尺寸影响对于带洞口的剪力,

墙

,

其模型化误差较大,

。

〔第三类是基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件

弓

’

G

〕,

由于壳元即具有平面内。

刚度

又具有平面外刚度

,

用壳元模拟剪力

墙和楼板可以较好地反映其实际受力状态,

基于

壳元理论的高层结构分析模型能较弱,

理论上比较科学,

,

分析精度高,

。

但美中不足的是现有的基于,

壳元理论的软件均为通用的有限元分析软件,

虽然功能全面

适用领域广。

但其前后处理功。

这在一定程度上限制了这类软件在高层结构分析中的应用,

应现代高层建筑发展的需要我们 C A D工程部组织力量探索研究了高层结构分析模型

研究工作的核心就是要解决剪力墙和楼板的模型化问题层结构的简化分析模型尽可能地科学、

尽可能地减小其模型化误差

,

使高。

合理

,

更好地反映出高层结构的真实受力抉态

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

二

、

高层结构空间有限元分析力学模型、

高层结构的基本受力构件有柱有限元模拟(一 )柱、‘

梁

、

支撑

、

剪力墙和楼板

。

下面分别讨论这几类构件的

。

梁及支撑,

柱

、

梁及支撑均为一维构件,、

可用两端带刚臂的空间杆单元来模拟其受力状态,

。

根据约。

束条件不同

空间杆单元可分为两端固接一端固接一端铰接和两端铰接三种情况 (图 1 )梁的截面尺寸较大。

由于高层结构中柱

,

剪切变形的影响不可忽视

,

SA T

W

E的空间杆单

元的单刚阵中考虑了剪切变形的影响琶凉奋犷

篇义叹)卜

一图

声

厂一一礁一 (l b )

( !一‘ )

1

空间杆单元示意图

(二 )剪力墙1.

墙元,

剪力墙为高层结构的主要抗侧力构件几何方面讲,

既承受水平荷载作用3

,

又承受竖向荷载作用)。。

。

从

剪力墙有开洞剪力墙和不开洞剪力墙两种类型 (,

图2,

开洞剪力墙由于洞口就有限元理论目前的发,、

尺寸

、

空间位置等因素的不同,,

又可分为如图。

所示的十五种情况,

展水平来看

用壳元来模拟剪力墙的受力状态是比较切合实际的又具有平面外刚度

因为壳元和剪力墙一样

既具有平面内刚度

在程序实现中,

考虑到工程中剪力墙的几何尺寸,

洞口大小及其空间位置等都有较大的任意性

为了降低剪力墙的几何描述和壳元划分的难在四节点等参。

度

,

提高分析效率,

,

我们根据工程经验

,

4并借鉴了S A P 8提出的墙元概念,。

壳元的基础上

采用静力凝聚原

理构造了一种超单元,

我们称之为通用墙元 (图4 ),

通用墙元是专用于模拟高层结构中剪力墙的

对于尺寸较大的剪力墙或带洞口的剪力形成若干小壳元。。

墙

,

按照子结构的基本思想,

由程序自动对其进行细分

然后计算每个小,

壳元的刚度矩阵并叠加

最后用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去,

将其刚度凝聚到边节点上

从而保证墙元的精度和有限的出口自由度

按照上述原则定义的

巨口}冲 -

—

-

一一一

-

一一

一图

一一

十两种典型剪力墙示意图

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

‘

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一

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口口口/户口口厂一口口口口图4

3》‘百了

图

3

开洞剪力墙示意图

通用墙元及其细分示意图,

通用墙元对剪力墙的洞口 (仅考虑方洞 )的大小及其空间位置无限制

具有较好的适用性、。

。

这种墙元四边上出口节点的具体数量不定间位置率。

,

主要取决于其自身的几何尺寸

洞口大小及其空

,

并与相邻的剪力墙的几何尺寸

、

洞口大小及其空间位置等因素有关,

墙元是在壳元的基础上凝聚而成的

,

所选用的壳元的好坏直接决定了墙元的性能和效壳元模型较多,,

壳元是当今有限元研究领域中比较活跃的分支。

考虑到分析精度,,

、

计算

效率等因素并考虑到通常高层结构中的剪力墙厚度不大用了四节点等参平面薄壳单元“

一般可简化为薄壳等条件“

我们选

这种壳元为平面应力膜与板的叠加〔’〕”,

平面应力膜采用的是,

具有旋转自由度的精化非协调平面四节点等参元〔 8’”。

板采用的是基于离散 K i r h h o f理 C其中三个为膜自,

论的四节点等参板单元由度 (。,

壳元的每个节点都有空间全部六个自由度, (“ 0、,

。

,

o

:

)

,

三个为板自由度。。

O

;

)

,

可以方便地与空间杆单元连接,

而不

需任何附加约束条件2.

墙元不仅具有墙所在的平面内刚度

也具有平面

外刚度

,

可以较好地

模拟工程中剪力墙的真实受力状态墙元细分由于工程中的剪力墙复杂多变

,

墙元的细分工作难度较大

,

主要表现在

:

( 1 )剪力墙洞口大小及其空间位置是任意的;, ( 2 )为使剪力墙的出口节点满足变形协调条件

墙元的出口节点数量及其位置不仅与,

剪力墙自身的几何尺寸大小及其空间位置有关

、

洞口大小及其空间位置有关,

还与相邻的剪力墙的几何尺寸。

、

洞口

。

( 3 )为确保分析精度

墙元细分后的小壳元的最大边长不得大于给定限值,

在满足上述条件下

,

若由人工来完成高层建筑剪力墙的细分工作

其工作量与难度是不

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

可思议的

,

为了提高效率_

,

我们采用数学归纳与专家系统相结合的方法。_

,

实现了墙元的白动

卜二 !} )上仁…1} l仁』奥_

细分 (如图 5所示 ),在实际工程中经常有圆弧剪力墙存在。

对于弧形剪力墙

,

我们在分析模型中,。

,

首先按弧长作墙元细分

然后把细分后形成

匕\、

一一

一

的小曲壳元简化为平面薄壳

分析经验表

托

梁

|卜匕

卜

明的

,

上述近似简化所产生的误差是可以忽略

。

(三 )楼板图5

多个墙元协调细分示意图,

楼板主要承受竖向荷载作用。

,

从理论上,

讲

,

可用壳元来模拟其受力状态多采用,

因此可能增加许多计算工作

在过去的高层结构分析模型

中

,

“

楼板平面内无限刚,

”

假定

,

以达到减少自由度,,

,

简化结构分析的目的

但在许,

多工程中

上述假定可能导致较大的计算误差。

为了能够在确保一定的分析精度的前提下:

尽量简化高层结构分析情况,

我们对楼板作了如下四种假定

使用中可根据工程经验及工程实际

选择其中的任一种或几种假定

这四种假定如下

( 1 )假定楼板整体平面内无限刚; ( 2 )假定楼板分块平面内无限刚;, ( 3 )假定楼板分块平面内无限刚

并带有弹性连接板带

;

( 4 )假定楼板为弹性板

。

假定 (示;

1 )

适用于多数常规结构、

;

假定 ( 2 )适用于多塔或错层结构,

,

假定(,

3

)适用于

楼板局部开大洞假定 (4。

塔与塔之间上部相连的多塔结构及某些平面布置较特殊的结构,

如图

6

所

)模型化误差最小

但其计算量最大

可

用于特殊楼板结构或要求分析精度高,

的高层结构

上面所讨论的楼板是指高层建筑中的普通楼板

不包括转换层结构所采用的厚板。

,

在我

们的分析模型中

,

采用厚板单元来模拟转换层楼板

上连多塔和楼板局部开大洞结构示意图(图中阴影部分为弹性楼板区 )

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

三

、

高层建筑结构空间有限元分析软件 S A T W E,

根据上述力学模型、

并考虑了高层钢结构的特点。

,

如支撑

、

尸一刀效应等

,

我们研制了

S A T W E适用于分析各种复杂体型的高层钢筋硷空间组合结构有限元分析程序 S A T W E框架框剪剪力墙筒体结构等以及硷钢混合结构和高层钢结构 S A T W E具有如、、

,

、

。

下特点

:

( 1 )前处理简单 SA T一

W

E作为 P K P M系列软件的新增模块由P M C A D生成共几何数据及荷载数据,。

,

具有自动导荷及墙元自动划分功能( 2 )计算速度快 SA T

W

E具有自动搜索微机内存功能,

,

已突破 6 4 K基本内存限制 0。

,

可把微机的全部内

存充分利用起来

最大限度地发挥微机硬伴的作用。

在一定程度上解决了在微机上运行的结

构有限元分析软件的速度和解题能力问题( 3 )后处理功能强

由S A T

W

E完成内力分析与配筋计算后 D、

,

可接P K绘梁

、

柱施工图

、

接 J L Q绘剪力墙、

施工图力,

,

并可为 J C C A

E F,

、

ZJ

、

及 B O X等各类基础设计软件提供柱

墙底组合内。

作为各类基础的设计荷载( 4 )分析精度高S AT

从而使各类基础设计软件的前处理工作得以简化

W

, E的理论基础及所采用的力学模型与 S A P 8及 S A P 9 2相近 4

对比测试结果表

明

,

其分析精度与 S ASA T

P 84及

S A P 9大致相同 2:

。

W

E的基本功能如下

(

1

)可自动读取经 P M C A D主菜单 A

,

1

,

2

,

3形成的几何数据和荷载数,

据

,

自动将

这些数据转换成高层结构空间有限元分析所需的数据格式修改几何数据文件及荷载数据文件的机会(2。

并为用户保留了编辑

)具有自动导荷

、

多塔错层信息自动生成

、

;剪力墙墙元及楼板单元自动划分功能、

( 3 )程序中的空间杆单元除了可以模拟常规的柱

梁外

,

还可有效地模拟铰接梁、

、

支

撑(4

、

斜柱等,

;,

)梁

、

柱及支撑的截面形

状不限

材料也不限

,

可以是硅的,

钢的

,

也可以是复合

材料的

如劲性硷、

、

钢管硷等,

;;允许剪力墙洞口不对齐,

( 5 )剪力墙的洞口仅考虑方洞( 6 )考虑了多塔

其空间位置及大小不限

错层

、

转换层及楼板局部开大洞。

口等结构的特点

可以有效地分析

这些特殊结构;、 ( 7 )自动考虑了梁柱的偏心刚臂影响, ( 8 )上部结构与地下室可作为一个整体一起进行内力分析

并允许在空间任意位置施

加嵌固约束

;

( 9 )具有模拟施工加载过程的功能;, ( 1。 )可改变水平力作用方向

程序自动按转角进行座标变换及风荷载导算可进行祸联抗震分析和动力时程分析;

;

, ( 1 1 )对于复杂体型高层结构

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

, ( 1 2 )对于高层钢结构

程序考虑了 P一刀效应;,

(] 3

)

具有梁

、

柱配筋整楼归并功能、

归并结果自动传给 P M C A D、

,

可在平面施工图

(1

均

上自动标注出归并结果;可接力P K绘梁柱施工图

,

梁

柱施工图中考虑了高层结构的构造要求;、

( 1 5 )可接力 J L Q绘剪力墙施工图; (16 )

可为 P K P M系列 C A D软件中的各类基础设计软件提供底层柱其设计荷载,

墙组合内力作为

从而使各类基础设计中数据的准备工作大大简化

。

四【 1例]尺寸为 2.

、

算例比较.

如图70 x 4.

,

8所示的剪力墙结构,

层高6

0m

,

共0k N

6,

层

,

5墙厚o 3 m

.

,

C2号硷 0,

,

洞口

0m

,

在每层质心加 X,

方向水平力 1 0、

采用楼板无限刚假定

用几种不表1

同的软件进行分析

分析结果列

于表 1

表2

。

:顶层质心X方向侧移 (单位 m m )

软S A T认I ES A P84

顶层顶心侧移

T A T TB SA

底层A B段剪力墙绮底内力

表 2一.」’

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百喻、、

齐干旦干叫迎二至图 7

日日团冈

日日

日日日日日日图 8

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

.

55.

.

[例2]m,

如图,

9

所示一剪力墙结构层高 3,.

.

3m

,

共5层墙厚o,,

.

3m

,

梁截面尺寸为 0

4

x,

o 8

.

C勿号硷洞口尺

寸为 3,

。火 2

.

4m

,

在每层质心分别在万,

y

方向加以水平力 1 0 0 0 o k N。

采

用楼板无限刚假定

表3

、

表4

中给出了S A T W E结构周.

T A T和 T B S A软件的分析结果:

期 (单位1

s

)

表 3T3

软SA T

件 1.

升一~0.

~

玫

一

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T

W

E0863

0903 0 4 79.

T A T T B SA

0 0.

.

0 0863.

0736

0

0479

顶层质心位移 (单位.

:

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表 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . .‘门

一

软

件

一S A T叭 E

一一

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…

T A T

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.

侧

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.

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门 . .. .

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.

口

.

. . . .

.

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…

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10 0 0 0 k N\l一

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日

一

竺竺叫卫护迎斗钾斗丰招斗叫竺图9

五1.

、

结

束语,

本文建议了以墙元为核心的高层结构分析模型。

该模型较符合工程实际84

,

模塑化误差,

小

,

‘

可以较准确地分析高层结构的受力状态 2剪力墙是高层结构的主要抗侧力构件.

,

本文建议的墙元借鉴了 S A P,

的墙元概念

是在四节点非协调等参壳元的基础匕根据静力凝聚原理构造的一种专用于模拟高层建筑中

_

剪力墙的超单元状态。

。

这里的墙元适用性好

,

几何描述简单

可以较好地模拟剪力墙的真实受力。

3

.

对楼板的简化假定也是高层结构模型化误差的一个主要来源尽可能地减少白由度,

为了减小楼板的模型化

误差

,

最大限度地简化高层结构分析

,

本文建议的高层结构分析模型、

中对楼板作了四种简化假定

,

即楼板整体无限刚

、

分块无限刚

分块无限刚带弹性连接板带

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

56

.

和弹性楼板几种假定4.

。

在应用中

,

根据工程的实际情况及分析精度要求

,

可灵活地选用其中的一种或

。

根据本文建议的高层结构分析模型研制的高层结构空间有限元分析软件

(S A T

W

E ),

,

具有较好的适用性和准确性、

,

不仅可用于分析常规的框架

、

框剪

、

剪力墙。

及筒体结构口数无限制

也可分析多塔,

错层

、

转换层,

、

楼板局部开大洞等复杂结构后处理功能强、

。

尤其对剪力培洞

SA T

W,

E的求解速度快

前

、

,

便于在工程中推广应用林春哲高工;

在本文的研究过程中

得到了中国建筑科学研究院何广乾总工;

大连理工大学钟

万把教,

授教

、

陈万吉教授

、

纪铮教投。

清华大学龙驭球教授

、

包世华教授

;

北京大学袁明武教授等的热情帮助和指

,

他们的宝贵经验和建议为本文的研究工作及 S A T

W

E

软件的顺利研制奠定了坚实基础

在此特向他

们致以衷心的感谢

参〔1〕赵西安[2:

考》,

文

献,

《

高层建筑结构的设计方法

中国建筑科学研究院,

19 91,

年

。

〕李丹s

:

多层及高层建筑结构空间分析程序 ( T B S A用户手册 )

1 9 92。

年

。

〔3〕邵弘〔4〕 Ah

:

高层建筑结构三维分析程序 ( T A T用户手册 )r a

1 99 4年n a

f

H

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(SAP》,

)

,

C

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94 70 4

U SA

29 92

.

〔6〕袁明武〔7〕陈万吉l

S A P 8 4微机结构分析通用程序

1 99 2

年

。

:

带有旋转自由度的精化非协调平面四边形等参元,

,

计算结构力学及其应用,

,

1 99 3

年第

期

。

〔8]

王歇成

邵故

:

《

有限单元法基本原理与数值方法T

》

,

清华大学出版社

1 98

年

。

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