基于ANSYS的框架结构风荷载分析

基于ANSYS的框架结构风荷载分析,绪论,高层建筑体系的发展结构计算方法的发展高层建筑结构的分析软件有限单元法理论钢筋混凝土有限元分析本论文主要内容,一、高层建筑发展概况我国高层建筑的发展与国外类似，经过一段从低到高，从单一到复杂的发展阶段。1977年广州白云宾馆的建造，使我国高层建筑的高度突破了100m（33层），此后广州花园酒店、北京饭店、南京金陵饭店以及广州白天鹅宾馆等相继出现。深圳、珠海特区的建设，从一开始就给人们以全新的概念和面貌，高层建筑在这些新兴城市几乎成了主调，深圳国贸中心大厦的建设（50层、160m）是它的代表作。直到现今，世界各地高层，超高层层出不穷，例如：中国台北101大楼，2004年建成，共101层，楼高509米。马来西亚吉隆坡双子塔，高452米，88层，1998年完工，是目前世界上最高的双子楼。,1.1高层建筑体系发展,二、现代高层建筑给我们的思考今天随着用地面积的高度缩减，多层、小高层、高层、超高层，一定是未来城市建筑的一个可持续性发展方向。随着自然生态环境的复杂变迁、和寰球气候条件的不断改变，不可预知的突发事件也时有发生，这些不可抗力的外来因素，就建筑的安全性而言，它将是建筑科学技术今天要解决和必将面对的问题。今天我们的高层建筑，大多数是难以应对突发事件和自然灾害的。当然我的这一说法一定会引起官方和业内人士的非议，但是；我说的并不是建筑技术的问题，而是建筑安全的技术干预、和建筑安全的预警机制。建筑安全问题，不是简单一个技术问题，一个没有公共安全意识的社会是不会和谐的，是不会应对灾难的，也不会有发展前途的！,1.1高层建筑体系发展,三、高层建筑结构体系1.框架结构体系常用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由横梁和柱通过节点构成承载结构，如图1.1所示。2.剪力墙结构体系常用于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载，如图1.2所示。3.框剪结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系。,1.1高层建筑体系发展,图1.1框架结构体系,图1.2剪力墙结构体系,4.筒体结构体系剪力墙在平面内围合成箱形，形成一个竖向布置的空间刚度很大的薄壁筒体；也可加密框架的柱距，并加强梁的刚度，形成空间整体受力的框筒等，从而形成具有很好的抗风和抗震性能的筒体结构体系，如图1.4所示。,图1.4筒体结构体系,1.1高层建筑体系发展,一、手工计算框架结构体系、剪力墙结构体系、框剪结构体系均有不同的计算方法。二、矩阵位移法包括协同工作分、空间结构分析两种。三、弹力方法解微分方程解析解方法方程和半解析解法方程两种。四、多种单元组合的有限单元法基本原理：将高层建筑结构离散弹性力学的平面单元、墙、板元和杆元的组合结构，组成未知数更多的大型方程求解，从而得到更细致更精确的应力分布。,1.2结构计算方法的发展,一、高层建筑结构的通用软件SAP程序系统ADINA程序FEM程序二、高层建筑结构分析的专用软件STABS软件系列TBSA程序系统SATWE软件三、本文应用软件ANSYS特点适用范围广泛对于土木工程领域，几乎所有的结构和荷载工况都可以用来建模和分析并进行大规模的计算。,1.3高层建筑结构的分析软件,功能齐全建模方法简便ANSYS软件主要有三种建模方法：实体建模法、直接生成法和利用CAD系统创建模型。结构开放ANSYS通过模块与CAD等系统直接相连，模块使用均采用人机对话方式，使用方便。图形功能强大算法先进针对不同有限元模型的大小和特点，ANSYS软件提供不同的解方程方法，以供使用者选择。,1.3高层建筑结构的分析软件,有限元法是随着电子计算机的发展而发展起来的一种有效的数值方法，它的创立和应用在工程分析中具有重要的意义。在国外，有限元法在o年代中起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析，60年代初，许多数学和力学工作者参加了有限元法的研究，搞清了它的理论基础，使有限元法得到了很大的发展，被推广用来求解弹性力学的平面应力问题。在我国，60年代初，著名数学家冯康教授和他的研究组提出了一种以变分原理为基础的三角形剖分的近似法，为偏微分方程求得了近似解，并在严密的数学基础上证明了它的收敛性、稳定性和误差估计。这个方法就是人们熟知的有限元法。有限元法的出现，是数值分析方法研究领域内重大突破性的进展，从结构分析发展到非结构分析，从静力计算到动力计算，从弹性问题到弹塑性问题，几乎在所有的连续介质和场问题中都得到了应用。,1.4有限单元法理论,一、钢筋混凝土有限元分析的意义钢筋混凝土结构是现代工程建设中，应用最广泛的结构之一。长期以来，钢筋混凝土结构的分析主要依靠试验和经验公式，而且主要是针对杆件结构。对于复杂的混凝土结构主要采用模型试验，或弹性理论进行分析，对某些结构则用极限平衡理论求的其极限承载能力。二、主要用途用于重大结构，如核电站的安全壳、海上采油平台等。既可以检验设计，又可以优化设计；既具有经济价值，又具有研究价值。用于结构或构件的全过程分析，对结构或构件的性能及其实际的极限荷载有更深入、正确的了解，能揭示出结构的薄弱环节，能对其可靠性做出正确的评价。,1.5钢筋混凝土有限元分析,Beam4单元特点：1.两单元长度和横截面积均不能为零。如果没有大的剪切变形，它的惯性矩可以为零。2.在梁单元中，对于惯性矩的计算，横截面可以是任意形状。但是，应力计算时取界面低端到中性轴的距离为相对应的界面高度的一半。单元高度仅仅在弯曲计算和热应力分析时才会使用3.温度梯度在高度方向和长度方向一般都认为是线性的4.如果刚度矩阵一致，注意比例，因为这是计算单元应力的依据，如果人为地放大或缩小了横截面属性，应力计算和相应的应力强化矩阵都将是错误的。5.在回转仪模型分析中，改变初始位移值对计算影响很大，会导致真实或虚构特征值存在潜在的错误。6.该单元不能采用阻尼材料特性。7.只允许使用应力强化和大变形这两个非线性特性。,1.6本论文的主要内容,1.6本论文的主要内容,Shell63单元特点：1.壳单元的面积不能为零。2.不允许单元厚度为零或者在角点减小为零的情况。3.在壳单元组合中，只要每个单元不超过15度，可很好的产生一个曲边壳面。对结构进行分析:1.对结构进行静力分析即非抗震分析，包括恒载、风荷载、验算变形等等；2.对结构进行动力分析即抗震分析，包括在每个节点分别施加力、抗震分析等。,建模过程,分析对象介绍框架结构的模型建立,本模型是模拟建立的模型，建立于长春市某处，由一幢12层高层建筑组成，总建筑面积6048平方米。建筑总高度39米，建筑层数为地上12层，室内外高差为0.6米。其平面及立面如下图所示。,2.1分析对象介绍,框架结构由空间梁柱框架和水平楼板组成。空间梁柱框架分为竖直方向立柱和水平方向楼板梁，构成整体结构的骨架。水平方向楼板梁用于职称楼板，同时沿水平方向传递载荷给立柱。立柱主要用于成熟结构的竖向载荷。楼板承受每层的竖向载荷，并将其传递给楼板梁，同时增加结构的刚度和整体性。,整个模型采用两种单元类型：BEAM4和SHELL63。梁柱框架中的梁和立柱均采用BEAM4单元，楼板采用SHELL63单元。BEAM4单元菜单包括截面的高度、宽度、面积和截面惯性矩，截面形式选用矩形。立柱：底层立柱截面采用500mm500mm，其余各层采用450mm450mm.梁：梁截面采用同意形式200mm300mm。SHELL63单元菜单包括单元节点处的厚度，这里采用等厚度。楼板：楼板厚度取100mm。整个模型采用同一种混凝土材料，弹性模量EX=3.01010Pa，泊松比PRXY=0.2，密度DENS=2500kg/m3。,2.2框架结构的模型建立,二、模型建立利用APDL语言分别建立几何模型和划分网格建立有限元模型。,2.2框架结构的模型建立,结构非抗震分析,重力荷载作用下的结构响应风荷载作用下的结构响应,房屋与结构物的自重，在一般情况下是不需要，但又是不可避免的荷载，建筑结构物自重（指材料自身重量产生的荷载）是恒载，属于永久荷载；其标准值应根据结构的实际尺寸和材料单位体积自重（即平均重度）计算确定，一般相当于恒载实际概率分布的平均值。对于某些自重变异较大的材料和构建（如现场制作的保温材料、混凝土薄壁结构构建等）自重的标准值，应根据对结构的不利状态取重度的上限值或下限值。对于建筑结构，自身重量是最直接也是首先需要考虑的荷载形式。下面内容就是主要计算结构在自重作用下的位移分布和应力分布。,3.1重力荷载作用下的结构响应,图3-2模型的竖向位移分布,图3-3模型的等效应力分布,在自重作用下，梁、板、柱均产生了不同程度的位移。随着高度的变化位移也成规律性变化。由于底部支座的约束作用，可将最下部结构视为固定端，位移为零。如图所示3-2所示，最大位移的数量级较小，可将其忽略，近似为零。因此可得出结论结构顶层位移最大，高度的变化与位移近似成正比。板所产生的应力明显比梁要小的多，且跨度越小板应力越小。柱的应力与高度近似成反比；整体结构的应力最大值发生在二层顶梁处。,3.1重力荷载作用下的结构响应,风荷载是高层建筑主要侧向荷载之一，下面主要内容包括对风荷载的有关只是进行简要介绍，计算框架剪力墙结构在风荷载作用下的结构影响。实际计算中，风压是随着高度和建筑物的外形而变化的。一般首先选取基本风压作为标准，乘以相应的高度变化系数和体形系数，得出实际风压：本建筑建于长春，所以取基本风压kN/m2高度变化系数应根据地面粗糙度类别选定，本文选取C类。规范所注系数数值见表3-1。利用线性插值法将其计算为本文所需要的风压高度变化系数值见表3-2。,3.1重力荷载作用下的结构响应,表3-1（规范）风压高度变化系数,表3-2（线性插值）风压高度变化系数,根据规范规定房屋和构筑物风荷载体型系数，可按下列规定采用：房屋和构筑物与表7.3.1