1 建筑结构CAD 内容.pdf

建筑结构 CAD 讲义 1 第一章 计算机 CAD 技术简述及其在土木工程中的应用 1 1 计算机辅助设计技术简介 计算机辅助设计 Computer Aided Design 简称 CAD 诞生于 20 世纪 50 年代 它 是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力来进行工程的设计和分析的 一种技术 它是综合计算机技术和土木工程设计方法的一门新兴学科 是与计算机软硬 件及工程设计方法的发展而发展起来的 它集成了计算机 图形学 数据库技术 数值 分析等技术 随着软硬件技术的不断发展及工程方法的更新换代 CAD 技术也日趋完 善 已经广泛应用于电子 轻工 纺织 服装 医疗 国防及工程设计等国民经济的各 个领域 发挥了极大的经济技术效益 近五十年发展从简单数值分析 工程设计 复杂结构施工图 智能化 多功 能 全方位 专家系统 有关于计算机辅助设计和分析的基本名词 CAD computer aided design CAM computer aided manufacturing CAE computer aided engineering FEM Finite element method CAD 主要由计算机 输入装置 显示装置 绘图机 工程数据库和软件组成 CAD 的历史 是近四十年来发展的一门技术 1952 年在 MIT 诞生了第一台计算机 绘图系统 采用电子管计算 机器语言编程 首先应用在航空航天 接着是电子 机械 建筑等等 1963 年 计算机图形学被提出 产生了联机交互图形技术的实现 70 年代 APPLINCON 公司开发出第一个完整 CAD 系统 80 年代 工程工作站问世 CAD 得到 迅猛发展 并向中小企业普及 80 年代后期 CAD 向标准化 集成化 智能化发展 著名的 CAD CAM CAE 公司有 IBM Computer vision Hewlett Packard EDS Uigraphics Control Data Intergraph SDRC Applicon 以及 Autodesk BENTELEY 1 1 1 常用的 CAD 软件 以 AUTODESK 公司为例 1982 年由 13 个系统程序员组建 它的主要产品很多 除耳熟能详的掌门软件 AUTOCAD 外 现在其产品线已经涵括了工程建设行业 如建 筑设计专业使用的 Revit Architecture 结构专业使用的 Revit Structure 可进行结构建模 华南理工大学 2 文档编制 详图设计和装配施工图设计工具 收购的 ALGOR 有限元分析软件 可以进 行复杂的结构分析 用于水暖电工程的 Revit MEP 用于土木与基础设施的 AutoCAD Civil 3D 用于施工项目管理的 Autodesk NavisWorks 和 Buzzsaw 地理空间 AutoCAD Map 3D 制造业 如用于概念设计的 Autodesk AliasStudio 3D 机械设计的 Autodesk Inventor 2D 机械设计工程业的 AutoCAD Mechanical 电器设计 AutoCAD Electrical 传媒娱乐 三维动画 Autodesk Maya Autodesk 3ds Max Autodesk MotionBuilder Autodesk Mudbox 等 而作为中国用户最熟悉的 AUTOCAD 也从 9 0 一直更新到现 在的 AUTOCAD 2010 功能不断增强 其它的大型 CAD 和 CAE 公司也不断地进行并购合并 在全球范围内形成了多个产 品线齐全的大公司 一些其它的 CAD 公司 INTERGRAPH 公司 产品 MICROSTATION 是智能化的 CAD 软件 在许多方面 都超越了 AUTOCAD 其他 COMPUTER VISION 公司 CADDS PERSONAL DESIGNER CADKEY CADKEY 国外应用广泛 1 1 2 常用的 CAM 软件 一些著名的 CAM 软件 IBM 和 DASSAULT SYSTEM 公司 CATIA 波音 777 采用了美国 IBM 和法国 达索公司的 CATIA 实现了抛弃全尺寸的实物模型 达到了飞机设计史上重要的 无纸 飞机设计 CATIA 是法国达索飞机公司开发的高档 CAD CAM 软件 CATIA 软件以其 强大的曲面设计功能而在飞机 汽车 轮船等设计领域享有很高的声誉 CATIA 的曲面 造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求 比如其特有的高次 Bezier 曲线曲面功能 次数能达到 15 能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求 SOLIDWORKS 是该公司的中档产品 EDS 是 ELETRONIC DATA SYSTEM 电子资讯系统有限公司的 UG UG 起源 于麦道飞机公司 以 CAD CAM 一体化著称 1991 年并入 EDS 前些年也兼并了著名 的 SDRC 公司的 IDEAS 推出了 UG NX 产品 该公司的中档产品有 SOLID EDGE PTC 公司 PRO ENGINEER 是一套机械设计全自动化软件 以参数化和基于特征 建模技术 提供一个革命性的方法 实现了设计和制造全过程的产品系列 建筑结构 CAD 讲义 3 1 1 3 常用的 FEM FEA 或CAE软件 著名通用 FEM FEA 或 CAE 软件 美国的 ABAQUS 非线性很有名 现在在国内也很流行 ADINA 很早传入中国的非线性有限元 早期有源码 ALGOR 较早在中国教育界流传 简单实用 ANSYS 号称流通最广泛的通用有限元软件包 MSC 美国国家宇航局 NASA 在 1965 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系 统公司开发 功能超强 COSMOS 由 SAP 原编写人员跳槽后编写的软件 实用 主要有德国的 ASKA 英国的 PAFEC 法国的 SYSTUS 美国的 BERSAFE BOSOR ELAS 和 STARDYNE 等公司的产品 1 1 4 常用的建筑用 FEM 软件 著名建筑用 FEM FEA 软件 主要有美国 CSI BERKELEY 的 SAP2000 ETABS SAFE PERFORM 3D 美国的 BENTLEY 公司 的 STAAD PRO 有中文版本 国内用的多 还有美国的 GTU STRUCTURE RISA 3D DRAIN 2D ROBOT LARSA MICROSTRAN 澳大利亚的 STRAND 国内用的也多 星海音乐厅 广州国际会展中心均由之设计 用于桥梁的 LUSAS 等 用于钢结构的 XSTEEL STEEL CAD STRUCAD 等 国内的 PKPM TBSA 等也慢慢的发展起来 各种钢结构设计软件符合中国国情 如 STS MSTCAD 3D3S MTS 等 1 2 计算机在土木中应用的现状 如前所述 CAD 技术最早应用于汽车工业 随后随着计算机软硬件的发展及普及 逐 渐扩展到其它领域 包括土木工程领域 在土木工程领域 它包含工程设计中采用计算机 技术辅助分析 计算和绘制图形的全过程 我国在土木工程中使用 CAD 技术开始于上 世纪八十年代 在开始阶段 主要依靠外国引进的通用或专用图形软件包在屏幕上做交 互式图形设计 与结构计算与分析没有结合 参与者主要是长期与计算机打交道的专门 人员 到八十年代末期 由于较高性能的廉价计算机的普及 土木工程 CAD 才有了真 华南理工大学 4 正的发展和较广泛的应用 在很大程度上推动了 CAD 技术在我国土木工程上的应用和 发展 土木工程 CAD 的应用包含以下方面 1 建筑与规划设计 用于绘制建筑 规划类图纸 如建筑施工图 效果图 规 划效果图 桥梁的造型设计等 其软件有天正建筑软件 中国建筑研究院的 APM PKPM 的建筑模块 QXCAD 一种桥型设计软件 3 D M A X M A Y A Photoshop 等 2 结构设计 用于结构计算 构造设计 绘制施工图等 结构计算指对结构进行 静力 动力 线性 非线性等力学分析 按规范要求进行内力组合 进行截面和构件的 强度设计 构造设计指根据结构计算的结果 完成构件和截面的选配筋的构造设计 绘 制施工图是用 CAD 取代传统的手绘来完成施工图纸的绘制 3 给排水设计 用于给水 排水方面的计算与绘图 4 暖通设计 用于取暖与通风方面的设计 5 电气设计 强弱电方面的辅助设计 6 施工组织与设计 用于施工项目的项目管理 施工工艺的流程设计与优化 施工现场布置等 7 工程项目的预决算 从广义上说 这也算 C A D 在土木工程上的一个应用 8 其它方面的 比如家庭装修等 以上所列只是 CAD 技术在土木工程上应用 的主要方面 在实际工程中 还有很多的边缘的 交叉的的新兴的应用技术在开花结果 日新月异 1 3 计算机在土木工程中应用的发展趋势 CAD 技术发展趋势朝几个方面进行 1 标准化 标准化包括图形标准化 与规范接口的标准化 程序应用界面的标准化等等 现在 做的比较好的是图形标准化 主要目的是易于实现不同操作平台实现的 CAD 系统的数 据交互 使协同设计 并行处理 集成制造成为可能 现在的图形标准有 PHIGS GKS CGI IGES 等 其它如规范接口的标准化 程序界面的标准化由于受区域差异及商业规 则的限制 其发展受到一定妨碍 2 智能化 CAD 与人工智能技术的结合 构成智能 CAD 技术的框架 它通过在人机接口 数 建筑结构 CAD 讲义 5 据采集 自动建模 方案选择等引入专家系统 灰色理论 神经网络等智能技术 形成 具有类似人类思维的智能 CAD 系统 开发出 傻瓜 型 CAD 软件 使其在使用上具有易 用性 方法上具有可靠性 可以自动优化及纠正错误 能够自动优化 等等 3 集成化 CAD 技术与其它技术 CAM CAPP MIS GIS 等系统相集成 构成一体化 多集 成的设计 生产制造 检测 交付使用等流水线式系统 不但可以使土木工程的设计 施工等各相关过程集成完成 还可以使土木工程的设计与其它的系统如城市管理 交通 运输 生产生活等原来各自独立的系统集成为一体 做为一个整体采取相应的解决方案 4 可视化 可视化是 CAD 技术产生以来就一直发展的方向 它是随着计算机图形技术的发展 一直在发展着 在其发展过程中有过一些很大的跨越 早先是二维线框图 然后到三维 线框图 然后可以进行面和体的渲染 到现在可以做三维体渲染后的模型 具有交互式 的三维动画展示模型 另外通过与虚拟现实技术 增强现实技术的结合 现在可以做出 具有沉浸性 交互性 自主性的三维动画效果 基本概念基本概念 工程设计软件工程设计软件 上机操作上机操作 软件的介绍及软件的介绍及应用应用 PKPM 设 计 系 统 设 计 系 统 ETABS 设 计 软 设 计 软 件件 有限元分析软件有限元分析软件 广 厦 建 筑 结 构 广 厦 建 筑 结 构 钢 结 构 设 计 软 件 钢 结 构 设 计 软 件 ANSYS ABQUS SAP2000 MIDAS 华南理工大学 6 做出具有交互性 自主性的三维动画效果 计算模型的建立计算模型的建立 计算分析计算分析 施工图设计施工图设计 俗称前处理 中间计算过程 后处理 CAD Computer Aided Design 计算机辅助设计计算机辅助设计 建筑结构建筑结构CADCAD 建筑结构 CAD 讲义 7 第二章 结构计算机分析的基本原理 2 1 结构计算机分析模型 在结构分析的历程中 出现过平面结构分析法 空间协同的平面结构分析法和三维 空间分析法 计算模型分类 计算假定 适用范围 单榀平面框架 分析 将结构划分为若干榀正交平面抗侧力结构 在水 平力作用下 按单榀平面结构进行计算 楼板假定在其自身平面内为刚度无限大 平面非常规则的纯框架 剪力墙 结构 且各榀框架 剪力墙 大体 相似 一般不用于高层建筑结构 平面结构空间 协同法 将结构划分为若干榀正交或斜交的平面抗侧力 结构 在任一方向的水平力作用下 由空间位移 协调条件进行各榀结构的水平分配 楼板假定在其自身平面内为刚度无限大 平面布置较为规则的框架 框架 剪力墙和剪力墙结构等 采用一榀框架进行计算 如下图 结构必须非常规则且每榀结构基本相同 结结结结 构构构构 计计计计 算算算算 分分分分 析析析析 方方方方 法法法法 按平面结构计算 三 维 空 间 分 析方法 将结构划分成若干榀平面抗侧力结构 在水平力作 用下按单榀平面结构计算 假定楼板平面内刚度无 穷大 适用于平面非常规则的纯框架或剪力墙结构 空间协同的平面结构 计算 将结构划分成若干榀平面抗侧力结构 在任一方向 的水平力作用下 由空间位移协调条件进行各榀结 构的水平力分配 分配后结构按平面结构计算 假 定楼板平面内刚度无穷大 适用于平面较规则的框 架 剪力墙或框 剪结构 不考虑扭转效应 华南理工大学 8 采用空间协调的方法按刚度进行分配 如下图 结构必须非常规则 有比较明确 的受力方向 此时根据每榀结构的刚度来分配整体外部荷载 如早期广东省设计院的 BSCW 软件 采用空间分析方法 此法可以针对如下图的复杂的结构体系进行分析 是当今结 构分析的主流软件 杆系 杆系 薄壁杆件 杆系 墙元 等等 TBSA PKPM 等 现有的大部分进行整体结构计算的软件 其分析核心基本都是基于有限单元法 1960 年美国的克拉夫提出了 有限单元法 这个名词 步骤 单元离散化 单元特性研究 包括了位移方式 位移函数 分析单元的力学性质 从单元的材 料性质 形状 尺寸 节点数目等找出单元节点力和节点位移的关系式 很关键的一步 计算等效节点力 单元组集 求解未知节点位移 其基本思想是 一分一合 应用计算机分析方法对结构进行离散和装配 在荷载和约束的共同作用下求解结构 的内力和位移 最终按照规范规定的公式给出结构的配筋 采用矩阵的方法 一次性对 所有的构件进行一个繁琐的方程求解 将所有的构件的内力一次性全部算出来 比较精 确 建筑结构 CAD 讲义 9 三 维 空 间 分 析 方 法 计 算 模 型 剪力墙为开口薄壁杆 件模型 剪力墙为墙板单元模 型 剪力墙为板壳单元 模型 剪力墙为墙组元模 型 典型软件 TBSA TAT SS 适用范围 较规则的框架 框 剪 剪力墙 筒体结构 典型软件 ETABS TUS ADBW SSW 适用范围 框架 框 剪 剪力墙 筒体结构 及复杂结构 典型软件 SAP84 SATWE 适用范围 框架 框 剪 剪力墙 筒体结构 及复杂结构 典型软件 TBWE 适用范围 框架 框 剪 剪力墙 筒体结构 及复杂结构 华南理工大学 10 剪力墙为开口 薄壁杆件模型 采用开口薄壁杆件理论 将整个平面联肢墙或整个空间剪 力墙模拟为开口薄壁杆件 每一杆件有两个端点 各有 7 个 自由度 前 6 个自由度的含义与空间梁 柱单元相同 第 7 个自由度是用来描述薄壁杆件截面翘曲的在小变形条件下 杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持刚性 在出平面方 向可以翘曲楼板假定为无限刚 采用薄壁杆件原理计算剪力 墙 忽略剪切变形的影响 框架 框架 剪 力墙 剪力墙及 筒体结构 剪力墙为 墙板单元模型 梁 柱 斜杆为空间杆件 剪力墙为允许设置内部节点的 改进型墙板单元 具有竖向拉压刚度 平面内弯曲刚度和剪 切刚度 边柱作为墙板单元的定位和墙肢长度的几何条件 一般墙肢用定位虚柱 带有实际端柱的墙肢直接用端柱截面 及其形心作为边柱定位 在单元顶部设置特殊刚性梁 其刚 度在墙平面内无限大 平面外为零 既保持了墙板单元的原 有特性又使墙板单元在楼层边界上全截面变形协调 框架 框架 剪 力墙 剪力墙及 筒体结构 板壳单元模型 用每一节点 6 个自由度的壳元来模拟剪力墙单元 剪力墙 既有平面内刚度 又有平面外刚度 楼板既可以按弹性考虑 也可以按刚性考虑 框架 框架 剪力墙 剪力墙 筒体等各类结构 墙组元模型 在薄壁杆件模型的基础上作了改进 不但考虑了剪切变形 有影响 而且引入节点竖向位移变量代替薄壁杆件模型的形 心竖向位移变量 更准确地描述剪力墙的变形状态 是一种 介于薄壁杆件单元和连续体有限元之间的分析单元 沿墙厚方向 纵向应力均匀分布 纵向应变近似定义为 2 E 墙组截面形状保持不变 框架 框架 剪 力墙 剪力墙及 筒体结构 建筑结构 CAD 讲义 11 性能 软件名称 结构分析模型 楼板计 算假定 考虑构件 的受力变 形 是否模拟 施工加荷 适用的结构体 系 对多塔楼 错 层 连体结构的 适用性 TBSA 三维空间分析 梁 柱 斜杆作 为空间杆件 剪 力墙作为薄壁 杆件 考虑截面 的翘曲影响 刚性楼 板假定 考 虑 粱 的 弯曲 剪切 和 扭 转 变 形 柱或斜 柱 还 考 虑 偏压 偏拉 变形 对 单 塔 楼 可 考 虑 模 拟施工 多层与高层的 钢筋混凝土框 架 框剪 剪 力墙及筒体结 构 可分析多塔楼 错层 连体等结 构 TAT 三维空间分析 梁 柱 斜杆作 为空间杆件 剪 力墙作为薄壁 杆件 刚性楼 板假定 考 虑 粱 的 弯曲 剪切 和 扭 转 变 形 柱或斜 柱的弯曲 剪切 扭转 和 轴 向 变 形 可 以 进 行 施工模拟 恒 活 载 分 开计 且考 虑 粱 上 活 荷 载 的 不 利布置 高层钢筋混凝 土框架 框 剪 剪力墙 筒体结构 以 及带有斜柱 钢芝撑的钢结 构或混合结构 可 计 算 多 塔 楼 错层等特 殊结构 可考虑 粱 柱 偏 心 效 应 SS 三维空间分析 梁 柱作为空间 杆件 剪力墙作 为薄壁杆件 刚性楼 板假定 考虑弯曲 轴向 扭转 和 剪 切 变 形 具 有 施 工 过 程 模 拟 加载 且恒 活 载 分 开 计算 适用于多层及 高层框架 框 剪及剪力墙 结构 适用于单塔结 构 SATWE 采用空间杆单 元模拟梁 柱和 支撑构件 在壳 元之基础上凝 聚而成的墙元 模拟剪力墙 楼板平 面整体 平面内 无限 刚 分 块无限 刚 分 块无限 刚带弹 性连接 板 弹 性楼 板 考 虑 粱 弯 曲 剪切和 扭转变形 柱 和 支 撑 的弯曲 剪 切 扭转和 轴向变形 具 有 施 工 过 程 模 拟 加载 恒活 载 分 开 计 算 并考虑 粱 上 活 荷 载 的 不 利 布置 适用于多高层 现浇钢筋混凝 土框架 框剪 剪力墙和筒中 筒结构 考虑了多塔 错 层 转换层及楼 板局部大开洞 等特殊结构型 式 TUS 采用空间单元 模拟粱 柱构 件 无洞口或小 洞口的一片剪 力墙化为简单 墙元 即一个模 单元 边梁 边 柱 刚性楼 板假定 考 虑 粱 的 弯曲 剪切 和 扭 转 变 形 柱和斜 柱的弯曲 剪切 扭转 和 轴 向 变 形 自 动 进 行 垂 直 荷 载 加 载 的 施 工 过 程 模 拟计算 适用于现浇钢 筋 混 凝 土 框 架 框剪 剪 力墙 框筒 筒中筒结构和 高层钢结构 可以计算有错 层的结构 单塔 结构 SSW 三维空间分析 框架用空间杆 件分析 剪力墙 用连续体有限 元分析 刚性楼 板假定 考虑弯曲 轴向 扭转 和 剪 切 变 形 具 有 施 工 过 程 模 拟 加载 恒活 载 分 开 计 算 适用由框架和 剪力墙组成的 各类结构 可对大底盘多 塔楼 错层 连体等复杂结 构进行分析 华南理工大学 12 简单例子 在一维状态 一个弹簧 受力会收缩 知道弹簧的变形之后 我们可以 求得结构的内力 同样的道理 对于一个在三维空间的建筑结构 只要能知道结构的变 形 就可以求得结构各个杆件的内力 问题是怎么求的结构的位移 那么必须通过空间 分析原理 K F 刚度 位移 力 通过矩阵求解 在荷载和约束的共同作用下求解方 程 3232 22 3232 22 0000 126126 00 6462 00 0000 126126 00 6264 00 EAEA ll EIEIEIEI llll EIEIEIEI llll K EAEA ll EIEIEIEI llll EIEIEIEI llll i i i j j j u v u v i i i j j j X Y M F X Y M 有限元的发展现状 1 从单纯的结构力学计算发展到求解多物理场问题 从结构化矩阵分析发展而来 逐步推广到板 壳和实体等连续体固体力学分析 2 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 如在航天 大跨度桥梁 核反应堆 3 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 与早期着重于算法的改进和有限元 单元的建立不同 4 与 CAD 软件的无缝集成 建模是件很费时间的事情 ui vi L uj vj 建筑结构 CAD 讲义 13 5 在 Wintel 平台上的发展 早期的工作站模式正在向 PC 平台机上发展 2 2 结构计算分析 电算 的作用 1 结构方案分析比较的依据 结构方案设计阶段进行方案优选 在与建筑及设备等专业协调的基础上 应用力学 概念从宏观上和整体上对结构的合理性加以把握 对结构方案进行调整 在宏观上满足 结构的基本要求 例如周期 侧移限值 剪力系数 轴压比控制 2 施工图设计审查的依据 计算模型符合实际情况 荷载等计算参数符合建筑要求 计算结果满足规范要求 2 3 结构计算分析的基本原则 1 选择合理的结构计算分析方法和力学模型 2 楼板刚度的选择应符合实际情况 3 对复杂结构应选用合适的力学模型进行分析 4 对复杂结构必要时应采用两种或两种以上不同力学模型的结构分析软件进行整 体计算 5 正确选取结构嵌固部位 6 必要时应进行竖向荷载作用下施工模拟的结构分析 7 正确选取结构调整参数 弥补弹性计算的缺陷 8 正确全面考虑各种荷载工况及计算内容要求 9 必要时应采用有限元分析方法局部应力分析 2 4 计算调整参数简介 总信息是控制全局的参数 每个程序有所不同 应用程序时应熟读和理解程序的说 明 且应在正确理解参数的物理概念的基础上 根据工程的实际情况及规范相关要求经 分析后确定 以下是总信息中几个重要参数的确定 l 周期折减系数周期折减的目的是为了充分考虑框架结构和框剪结构的填充墙刚度 对计算周期的影响 其大小由结构类型和填充墙多少决定 取值如下表所示 华南理工大学 14 结构类型 填充墙较多 填充墙较少 框架结构 0 6 0 7 0 7 0 8 框剪结构 0 7 0 8 0 8 0 9 剪力墙结构 1 0 1 0 注 表中填充墙是指砖填充墙 2 框架 剪力墙结构中 任一层框架部分承担的地震力调整系数框架 剪力墙结构 由 于剪力墙刚度很大 剪力墙承担了大部分地震剪力 若框架按其刚度分担的地震作用来 进行设计 则在剪力墙开裂后会很不安全 所以需要让框架部分承担至少 20 的基底剪 力与 1 5Qfmax Qfmax最大楼层剪力 两者之较小值 以增加框架的安全度 调整时应注意 1 该调整系数适用于平面较为简单规则的结构 对于体型复杂 框架柱沿竖向变化 很大及调整后可能出现不合理的内力 此时不宜由程序自动调整 改由设计人自行调整 对于多塔结构 如需调整 那么调整应在每个塔块之内进行 2 非抗震设计时 框架剪力不进行调整 3 该调整系数只针对框架梁柱的弯矩和剪力 不调整轴力 3 地震作用调整系数此系数可用于放大或缩小地震作用 一般情况下取 1 0 特殊情 况下 为了提高或降低结构安全度 可取其他值 取值范围为 0 85 1 50 4 计算振型数振型数的多少与结构层数及结构形式有关 高层建筑地震作用振型数 应至少取 9 当考虑扭转耦联计算时 振型数不应小于 15 对多塔结构则振型数不应小 于多塔数 9 且计算振型数应保证振型参与质量不小于总质量的 90 5 梁端弯矩调幅系数考虑梁在竖向荷载作用下的塑性内力重分布 通过调整使梁端 负弯矩减少 相应增加跨中弯矩 使梁上下配筋均匀一些 装配整体式框架梁取 0 7 0 8 现浇框架梁取 0 8 0 9 框架梁端负弯矩调幅后 梁跨中弯矩按平衡条件相应增大 6 梁跨中弯矩放大系数 当不计算活荷载或没有考虑活荷载的不利布置作用时 可通过此参数来调整梁在恒 载和活载作用下的跨中弯矩 梁跨中弯矩放大系数可参照如下取值 一般高层建筑 1 0 活荷载较大的高层 一般多层建筑 1 1 1 2 活荷载较大的多层 1 2 1 3 建筑结构 CAD 讲义 15 7 连梁刚度折减系数抗震设计的框架 剪力墙或剪力墙结构中的连梁 由于梁两端 的变位差很大 因此剪力就很大 连梁往往出现超筋现象 在内力和位移计算中 连梁 刚度折减系数取 0 50 当结构位移由风荷载控制时 连梁刚度折减系数不宜小于 0 8 8 梁刚度增大系数主要考虑现浇楼板对梁的作用 楼板和梁连成一体按照 T 形截面 梁工作 而计算时梁载面取矩形 因此可将现浇楼面和装配整体式楼面中梁的刚度放大 通常现浇楼面的边框梁取 1 5 中间框架梁取 2 0 有现浇面层的装配整体式的框架梁其 刚度增大系数可适当减小 对无现浇面层的装配式结构楼面梁 板柱体系的等代梁取 1 0 该系数对连梁不起作用 9 梁扭矩折减系数当程序没有考虑楼板对梁扭转的约束作用时 梁的计算扭矩偏大 在实际配筋时应予以适当的折减 梁扭矩折减系数一般可取 0 4 2 5 计算机分析结果正确性的判断 1 自振周期 周期大小与刚度的平方根成反比 与结构质量的平方根成正比 对于比较正常的工 程设计 其不考虑折减的计算自振周期大概在下列范围中 框架结构 T1 0 12 0 15 n 框架 剪力墙和框架 筒体结构 T1 0 06 0 12 n 剪力墙结构 T1 0 04 0 08 n 筒中筒结构 T1 0 06 0 10 n 式中 n 为建筑层数 第二及第三周期近似为 T2 1 3 1 5 T1 T3 1 5 1 7 T1 如果计算结果偏离上述数值太远 应考虑工程中截面是否太大 太小 剪力墙数量 是否合理 应适当进行调整 反之 如果截面尺寸 结构布置都正确 无特殊情况而偏离 太远 则应检查输入数据是否有错误 以上判断是根据平移振动振型分解方法来提出的 考虑扭转耦连振动时 情况复杂 很多 首先应挑出与平移振动对应振型来进行上述比较 至于扭转周期的合理数值 由 于经验不足尚难提出合理的数值 2 振型曲线 在正常的计算下 对于比较均匀的结构 振型曲线应是比较连续光滑的曲线 不应 华南理工大学 16 有大进大出 大的凸凹曲折 第一振型无反弯点 第二振型有一个反弯点 在 0 7 0 8H 高度 第三振型有两个反弯点 分别在 0 4 0 5H 和 0 8 0 9H 高度 3 地震力 根据目前许多工程的计算结果 截面尺寸 结构布置都比较正常的结构 其底部剪力 大约在下述范围内 8 度 二类场地 FEK 0 03 0 06 G 7 度 二类场地 FEK 0 015 0 03 G 式中 FEK 为底部地震剪力的标准值 G 为结构总重量 层数多 刚度小时 偏于较小值 层数少 刚度大时偏于较大值 当其他烈度和场 地时 相应调整此数值 但计算的底部剪力小于上述数值时 宜适当加大截面 提高刚 度 适当增大地震力以保证安全 反之 地震力过大 宜适当降低刚度以求得合理的经 济技术指标 4 水平侧移指标 水平侧移满足 高层规程 的要求 是合理设计的必要条件之一 但不是充分条件 即是说 合理的设计 水平位移应满足限值 但是水平位移满足 还不一定是合理的结 构 还要考虑周期 地震力的大小等综合条件 因为 抗震设计时 地震力的大小与刚度直接相关 当刚度小 结构并不合理 由 于地震力也小 所以位移也有可能在限值范围内 此时并不能结构合理 因为它的周期 长 地震力小 并不安全 新 高层规程 位移限值放松较多 较容易满足 所以还应综合其他因素 其次 将各层位移连成位移曲线 应具有以下特征 剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲型变形的特怔 位移越往上增大越快 成外弯 形曲线 框架结构具有剪切型变形的特怔 越往上增长越慢 成内收形曲线 框架 剪力墙和框架 筒体结构处于两者之间 为反 S 形曲线 接近一直线 在刚度较均匀的情况下 位移曲线应圆曲光滑 无突然的凸凹变化和折点 5 内外力平衡 平衡条件程序本身已严格检查 但为防止计算中的偶然因素 必要时可检查底层的 平衡条件 Ni G Vi P 建筑结构 CAD 讲义 17 Ni为柱 墙在单组重力荷载下的轴力 其和应等于总重量 G 校核时 不应考虑分 层加载 Vi为风荷载作用下的底层墙 柱剪力 求和时应注意局部坐标与整体坐标的方向的 不同 P 为全部风力值 注意不要考虑剪力调整 对于地震作用不能校核平衡条件 因为采用 SRSS 法或 CQC 法进行内力组合后 不再等于总地震作用力 6 对称性 对称结构在对称荷载作用下 内力与位移必须对称 如有反常现象应检查输入数据 是否正确 7 渐变性 竖向刚度 质量变化较均匀的结构 在较均匀变化的外力作用下 其内力 位移等 计算结果自上而下也均匀变化 不应有大正大负 大出大进等突变 8 合理性 设计较合理的结构 一般而言不应有太多的超筋截面 基本上符和以下规律 1 柱 墙轴力设计值绝大部分为压力 2 柱 墙大部为构造配筋 3 梁基本上无超筋 4 除个别墙段外 剪力墙符合截面抗剪要求 5 梁截面抗剪不满足要求 抗扭超限截面不多 华南理工大学 18 第三章 GSCAD 软件的介绍及使用 1 软件的介绍 广厦建筑结构 CAD 系统是一个面向民用建筑的多高层结构 CAD 软件 可完成砌体 结构 钢筋混凝土结构 钢结构和它们的混合结构从建模 计算到施工图自动生成及处 理的一体化设计工作 结构材料可以是砖 钢筋混凝土和钢 结构计算部分包括空间薄 壁杆系计算程序 SS 空间墙元杆系计算程序 SSW 和建筑结构通用分析与设计软件 GSSAP 计算主要采用 GSSAP 广厦建筑结构 CAD 系统是在陈星总工和容柏生院士的指导下 由广东省建筑设计 研究院和深圳市广厦软件有限公司联合开发的 广厦建筑结构 CAD 系统于 1996 年 12 月 18 日通过专家鉴定 SSW 分析程序于 2000 年 11 月通过建设部组织的鉴定 新规范 版广厦建筑结构 CAD 系统于 2004 年 12 月 13 日通过建设部组织的鉴定 建筑结构通用 分析与设计软件 GSSAP 于 2007 年 1 月 16 日通过建设部组织的鉴定 广厦 CAD 已被全 国 7000 多家设计单位正式采用 2 广厦建筑结构 CAD 主菜单和设计流程 图 1 1 建筑结构 CAD 讲义 19 2 1 为工程命名 菜单位置 广厦建筑结构 CAD 主菜单 新建工程 图 1 2 在菜单上点取此命令 屏幕上出现如下对话框 指定目录和输入新工程名 WW 系统自动加 prj 后缀 工程名字数不限 2 2 设计流程 a 录入系统 输入剪力墙 柱 梁 板 砖墙和楼梯的位置 尺寸和荷载 程序自 动进行导荷载 并生成楼板 次梁 砖混和空间结构分析计算数据 b 楼板次梁砖混计算 计算所有标准层的楼板 次梁和进行砖混结构的抗震验算 等 c 空间结构计算 计算剪力墙 柱 主梁和楼梯的内力和配筋 广厦结构 CAD 支 持一次建模 与多个结构计算程序接口 最后分别生成施工图 d 配筋系统 根据计算结果生成平法或梁柱表结构施工图 e 施工图系统 处理结构施工图三大问题 归并 字符重叠和钢筋修改 最后形 成 DWG 格式图形文件 一般工程可采用 生成整个工程 DWG f 基础 CAD 根据首层柱布置和结构计算的柱底力 计算扩展和桩基础并生成基 础图 计算交叉条基 弹性地基梁 和板式筏基 最后生成 DWG 文件 注意 当工程在录入系统中进行了修改 必须重新生成结构计算数据和重新进行楼 板 次梁 砖混计算 采用 GSCAD 进行结构设计的主要步骤 1 采用 录入系统 建模和导荷载 2 进行楼板次梁砖混计算 查看砖混计算结果总信息 3 进行空间分析计算GSSAP 纯砖混结构不必采用空间分析计算 底框和混合结 构框架部分可采用GSSAP来计算 查看GSSAP计算结果总信息 华南理工大学 20 4 在主控菜单中文本结果中查看GSSAP的 超筋超限信息 并分析计算结果 5 在 配筋系统 中生成施工图 并处理警告信息 6 在 施工图系统 编辑图形 简单工程可直接采用 生成整个工程DWG 在 Autocad中可进一步修改施工图 7 采用基础CAD进行基础设计 在Autocad中修改基础施工图 8 打印建模简图和计算简图 学习建议 1 到广厦结构 CAD 软件的网站 下载其说明书 处下载 广厦系统说明书 090427 根据其说明书步骤一步步完成 2 根据本课程教师编写的 FLASH 动画系列 进行学习 建筑结构 CAD 讲义 21 第四章 PKPM 软件的介绍及使用 软件网站 软件简介 PKPM是一个含括结构 建筑 设备 概预算等模块的综合性软件 其中的结构模块包括了结构平面计算机辅助设计软件 PMCAD 钢筋砼框架 框排 架 连续梁结构计算与施工图绘制软件 PK 多高层建筑结构三维分析程序 TAT 高 层建筑动力时程分析软件 TAT D 弹塑性动力时程分析软件 EPDA 高层建筑结构 空间有限元分析软件 SATWE 高精度平面有限元框支剪力墙计算及配筋软件 FEQ 楼梯计算机辅助设计软件 LTCAD 剪力墙结构计算机辅助设计软件 JLQ 钢筋混凝土 基本构件设计计算软件 GJ 基础CAD设计软件 JCCAD 箱形基础CAD BOX 钢 结构计算和绘图软件 STS 预应力混凝土结构设计软件 PREC 混凝土小型空心砌 块CAD软件 QIK 特殊多 高层建筑结构分析与设计软件 PMSAP 筒仓结构设计 分析软件 SILO PKPM钢结构重型工业厂房设计软件 STPJ PKPM钢结构详图设计软 件 STXT 复杂楼板分析与设计软件 SLABCAD PKPM建筑结构鉴定加固软件 JDJG 等与结构分析设计相关的模块 较新的2008版本有如下一些改进 1 增加了广义楼层概念 多塔结构拼装机制适 应分开建模 分别计算 再拼装后整体计算的工作方式 增加用户自定义的任意截面形 式输入和计算 还能作出模型缺陷的全面检查 2 将复杂结构空间建模模块SpasCAD 放到PMCAD主菜单内 除原有的PMSAP程序可以接力SpasCAD计算外 SATWE也可 以接力SpasCAD计算 从而使PKPM大大拓展了对复杂结构的计算分析能力 SpasCAD 先读取PMCAD按照楼层逐层输入的模型 再补充复杂空间结构部分 3 提高了核心 结构计算软件SATWE TAT PMSAP等对复杂工程计算适应性 对剪力墙单元自动划 华南理工大学 22 分中增加三角形单元 适应广义楼层计算 使对错层 越层 多塔计算更加适应 增加 对错层剪力墙和屋面山墙等不等高墙体计算 增加对倾斜楼板单元计算 4 EPDA采 用模拟剪力墙弹塑性性质的 剪力墙宏单元 在模拟梁 柱和支撑弹塑性性质的 纤 维束 模型基础上增加了 塑性铰 模型 增加了具备阻尼特征的线性 非线性隔震单 元 增加了速度型 线性 非线性位移型的减震阻尼器单元 PUSH软件中提供了大量 可以细节考虑结构实际特性的功能 在自主科研的基础上增强了 能力谱方法 较好 的改进了原有的抗倒塌计算结果 1 PMCAD 结构前处理 是整个结构CAD系统的核心 通过人机交互输入方法建立起各层结构 布置数据和荷载数据 结构布置包括柱 梁 墙 洞口 次梁 预制板 挑沿 错层等 荷载生成中作结构自重计算 荷载从板到次梁 承重梁及从上部结构到基础的传导计算 特点 与GS TBSA等相比具有较强的CAD功能 2 PK 适用于各种规则和复杂类型的框架 框排架 排架结构 剪力墙简化的壁式框架结 构及连续梁 按平面杆系计算时 规模在30层20跨以内 可按照梁柱整体画 梁枝分开 画和广东地区梁表技表三种方式绘制施工图 特点 只适用于比较简单的平面框架体系 不能进行空间计算 现在比较少用 可 出施工图 3 TAT 采用三维的空间杆系薄壁校计算模型 适用分析设计100层内各种复杂体型的多 高层建筑 还可计算钢结构和钢一混凝土的混合结构 可计算多塔 错层等特殊结构型 式 可考虑梁的活荷载最不利布置 同时适用于计算一般多层民用建筑及工业厂房 特点 采用空间杆系薄壁计算模型 即是将剪力墙简化为杆件 类似TBSA 内置 弹性时程分析和框支剪力墙分析模块 4 SATWE 采用空间有限元壳元模型计算分析剪力墙 是目前国内外精度最高的计算方法 对 复杂结构计算精度较高 其在壳元基础上凝聚而成的墙元可大大减少计算自由度 可对 楼板作弹性设计并给出四种假定 即整体平面无限刚 分块无限刚 分块无限刚加弹性 连接板带和弹性楼板 其余功能均于TAT相同 特点 采用空间墙元分析计算模型 可考虑弹性楼板 计算精度高 计算时间较久 建筑结构 CAD 讲义 23 4 STS 可完成钢结构的模型输入 截面优化 结构计算 构件强度和稳定性验算 节点设 计 以及施工图绘制 可以设计钢 混凝土混合结构 施工图包括轻钢门式刚架 多 高层钢框架 钢桁架 钢支架 钢排架柱等 程序自带型钢库 包含了世界各国的标准型 钢 特点 国内比较不错的钢结构分析软件 可出施工图 但是需要调整 5 LTCAD 适用于单跑 二跑 三跑 四跑及任意平面的多跑板式或梁式普通楼梯 还适用于 螺旋及悬挑等各种异形楼梯 螺旋段的上下端可设直线段 中间可设休息平台 悬挑楼 梯可任意转角 软件可完成楼梯结构的内力及配筋计算及施工图设计 包括楼梯平面 立面图及梁 板 平台配筋详图 特点 计算螺旋楼梯是比较少有的功能 6 EPDA 对高层 超高层建筑 进行弹塑性动力反应分析是十分必要的 在 中震 和 大 震 作用下 这些结构一般都处于弹塑性工作状态 抗震设计规范和高规都明确规定 对不规则的 具有明显薄弱部位的 较高的高层建筑结构 应进行罕遇地震作用下的弹 塑性变形分析 EPDA可以按任意给定方向计算结构的弹塑性时程响应 特点 适应规范要求 应时而生 是软件能够不断向前发展的需要 学习建议 1 参考 PMCAD 和 SATWE 的说明书 或者网络教学视频 2 根据本课程教师编写的 FLASH 动画系列 进行学习 华南理工大学 24 第五章 SAP2000 和 ETABS 的介绍及使用 5 1 SAP2000 软件网站 SAP2000 是由美国 CSI BERKELEY 公司开发的通用结构计算软件 具有完善 直 观和灵活的界面 提供多种建模 分析和设计选项 从简单的二维框架静力分析到复杂 的三维非线性动力分析的各种问题都能得到准确 高效的解决 是结构分析的常用工具 在中国 代理商是北京金土木公司 SAP2000 现有三个版本 基础 版 为框架单元和壳单元提供了静力和动力反应谱分析 以及钢和混凝土框架设计 功 能限制在 1500 个计算节点内 增强版 提供了标准版相同的功能外 加了线性时程分 析 桥梁分析 板单元 实体单元和轴对称实体单元 不限制计算节点 高级版 提供 了增强版相同的功能外 还提供了非线性动力时程分析 外部阻尼单元 基础隔震和缝 钩单元 不限制计算节点 功能 SAP2000 是通用有限元结构分析软件 具有框架单元 索单元 板单元 壳 单元 平面单元 实体单元 连接单元 铰单元等单元 提供线性和非线性 静力和动 力分析 可以进行逐步大变形分析 多重 P Delta 效应 特征向量和 Ritz 向量分析 索 分析 单拉和单压分析 Buckling 屈曲分析 爆炸分析 针对阻尼器 基础隔震和支承 塑性的快速非线性分析 用能量方法进行侧移控制和分段施工分析等 特点 空间建模方便快捷 可从 CAD 导入 文本输入输出功能完善 可进行逐步 施工顺序建模和加载 混凝土收缩和时间徐变分析 阻尼下的稳态分析 非线性动力直 接积分时程分析 波浪荷载应用等 结构弹性静力和时程分析准确 效率高 后处理方 便 工程应用实例 建筑结构 CAD 讲义 25 CCTV 大楼 鸟巢 水立方 国家大剧院 相关学习书籍 Sap2000 中文版使用指南 作者 北京金土木软件技术有限公司 中国建筑标准设计研究院 出版社 人民交通出版社 ISBN 9787114061561 7114061560 出版时间 2006 年 9 月 1 日 5 2 ETABS 软件网站 软件简介 ETABS 是由美国 CSI BERKELEY 公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件 是美国乃至全球公认的高层结构计算程序 在世界范围内广泛应用 是房屋建筑结构分 华南理工大学 26 析与设计软件的业界标准 目前 ETABS 已经发展成为一个建筑结构分析与设计的集 成化环境 系统利用图形化的用户界面来建立一个建筑结构的实体模型对象 通过先进 的有限元模型和自定义标准规范接口技术来进行结构分析与设计 实现了精确的计算分 析过程和用户可自定义的 选择不同国家和地区 设计规范来进行结构设计工作 在中 国 现在的代理商是北京金土木公司 功能 ETABS 除一般高层结构计算功能外 还可计算钢结构 钩 顶 弹簧 结 构阻尼运动 斜板 变截面梁或腋梁等特殊构件和结构非线性计算 包括 Pushover 弹塑 性分析 Buckling 线性及非线性屈曲分析 施工顺序加载等 甚至可以计算结构基础 隔震问题 功能非常强大 特点 ETABS 带有完全集成的面向对象的分析 设计 优化 制图和加工数字环 境 已经贯入的规范包括 UBC94 UBC97 IBC2000 ACI ASCE 美国规范系列 欧洲规范以及其他国家和地区的规范 ETABS 在全世界超过 100 个国家和地区销售 超过 10 万的结构工程师在用它来做设计工作 工程应用实例 多高层建筑 1 多高层建筑 2 圆形屋顶 相关学习书籍 结构分析与设计软件系列教程 ETABS 中文版使用指南 作者 张玉平 出版社 中国建筑工业出版社 ISBN 9787112068937 7112068932 出版时 间 2004 10 1 学习方法 1 上述的学习书籍 2 根据本课程教师编写的 FLASH 动画系列 进行学习 建筑结构 CAD 讲义 27 第六章 其他结构辅助设计软件的介绍 结构是个含义广泛的定义 在本文中特指与土木工程专业密切相关的建筑结构 现 代建筑结构的日趋复杂化与计算机技术的高速发展是密切相关的 没有功能强大的结构 分析软件的参与 很难想象像水立方 央视大楼等大型建筑结构能成为现实 前面已经 讲解了如 GSCAD 和 PKPM 等结构分析软件的使用 但是由于现在的建筑结构发展更为 迅猛 单纯掌握一个软件已经很难实现更为复杂的情况 本课题组指导学生参加了 国 内外结构分析设计软件功能及应用调查 这一学生课外科技调研活动 共收集了包括中 国 15 美国 22 加拿大 3 英国 5 法国 1 德国 1 荷兰 1 瑞典 1 保加利 亚 1 芬兰 1 澳大利亚 2 韩国 1 日本 1 土耳其 1 以色列 1 等 15 个国家共 57 个国内外较流行的结构分析设计类软件 软件类型包括了通用有限元分析软件 6 整体结构分析软件 31 岩土工程分析软件 4 钢结构详图设计软件 4 构件计算分析 软件 8 设计施工图辅助软件 4 等 6 类 其中以整体结构分析软件较为全面 涵括了 大部分国内外应用较为广泛的软件 其他 5 类软件亦选取了该类软件中的代表性作品进 行了资料收集 由