LLC高层结构分析与概念设计

1、华 中 科 技 大 学研究生课程考试答题本考生姓名 李立超 考生学号 M201273064 系、年级 结构1201班 类 别 硕士 考试科目 高层结构分析与概念设计 考试日期 2013-07-01 评 分题 号得 分题 号得 分总分：评卷人：注：1、无评卷人签名试卷无效。2、必须用钢笔或圆珠笔阅卷，使用红色。用铅笔阅卷无效。题号回 答 内 容得分高层建筑结构分析计算方法的发展综述李立超（华中科技大学土木工程与力学学院，武汉，430074）摘 要：目前随着高层建筑的迅速发展，高层建筑结构的分析计算方法也在不断的被改进，与此同时，计算机软件的开发使得各种结构体系的分析越来越接近真实情况，可以更好的

2、对结构的关键构件和薄弱部分进行处理，以保证结构在大震作用下不出现严重破坏。此外，对于带地下室的高层建筑而言，如何考虑并充分利用地下室周围土体对建筑物的作用仍然是一个值得研究的问题。关键词：高层建筑；分析计算方法；计算机软件A summary of research on the analytical calculating methodsof high-rise building structureLi Lichao(School of Civil engineering and Mechanics , Huazhong Universityof Science and Technology,

3、 wuhan, 430074)Abstract: At present, with the rapid development of the high-rise bulidings, the analytical calculating methods of high-rise building structure are also improved gradually. At the same time, the development of computer softwares makes analysis of kinds of structural systems more and m

4、ore realistic, which is helpful to deal with the critical element and the weakened sections so that the structure cannt be destroyed terribly when the stong earthquake happens. Whatt more, as for the high-rise building with basements, its still a problem valuable to be researched that how to conside

5、 and make full use of the effect the solum applies to the structure.Keywords: high-rise building; analytical calculating methods; computer softwares.1引言70年代中期, 当高层建筑刚刚崭露头角的时候, 结构分析基本上采用手算, 之后随着电子计算机进入结构分析领域, 平面的以及可考虑空间协同工作的各类程序相继在计算机上得以实现。随着经济的高速发展和现代生活的需要，特别是近些年超高层建筑的迅猛发展，建筑师们创造出各种五花八门的新、奇、特的建筑，比如凯

6、旋门式建筑，连续几层楼板开大洞形成中庭的建筑，大底盘多塔楼建筑, 各种类型的错层建筑等等1应运而生, 这些建筑的产生, 迫使结构分析必须突破陈旧的传统观念以更精确的理论编制出更完善的程序，如现在广泛使用的ETABS软件和SATWE软件等等。与此同时，在结构的分析计算过程中，需要考虑的问题越来越多，结构的计算方法也在不断的改进，以便更加准确的模拟结构的实际受力情况。2 高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形6（1）一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定，

7、同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。（2）二维协同分析。二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有3个自由度u，v，（当考虑楼板翘曲时有4个自由度），楼面内各抗侧力构件的位移均由这3个自由度确定。剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程，用矩阵位移法求解。二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程

8、序所采用。（3）三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，应当有7个自由度。3 各类结构体系的分析计算方法3.1 框架-剪力墙结构框架-剪力墙结构的计算，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。也可以用简化计算2的方法，将同一结构的所有框架和剪力墙合并为总框架和总剪力墙，在总框架和总剪力墙之间用无轴向变形连梁连接。根据连梁的不同连接形

9、式,可将实际结构简化为刚接体系和铰接体系，如下图1所示。（a）铰接体系 （b）刚接体系图1 框架-剪力墙结构的简化计算模型当采用杆模型分析时，这两种体系在水平荷载作用下的整体反应区别不是很大。对于动力学分析，还需作进一步考虑。在实际工程应用中仅考虑水平地震作用时，对于框剪这类抗侧力结构的整体动力特性分析，一般应将杆模型进一步简化为弯剪型层间模型进行处理。相对于剪切型层间模型，弯剪型模型考虑了相邻层弯曲的影响，与实际状况更为吻合。简化为弯剪型层间模型的关键在于楼层层间刚度和侧移刚度矩阵的推导，可以使用结构动力分析的凝聚方法和柔度法。3.2 剪力墙结构对单榀平面剪力墙结构进行内力与位移计算的方法很

10、多，有电算方法，也有手算方法。在把空间结构平面化后，剪力墙结构的受力便成为一个平面应力问题，因此可以用相应的有限元法进行分析计算。从理论上讲，由于有限元网格划分的灵活性，电算法可以对任意立面形状、任意开洞情况的剪力墙进行足够精确的分析与计算，因而具有较大的适用性。但电算方法受到计算设备或计算费用的限制，所以，工程上亦常常采用手算的方法对剪力墙结构进行分析。手算的方法往往基于一系列的简化假定，因此在应用时应注意实际结构的受力及变形特性，宜尽量与简化假定相吻合，以保证简化计算方法的精确性。目前在剪力墙结构计算中，常用的手算方法一般有以下三类：第一类是材料力学方法，适用于整截面剪力墙或整体小开口剪力

11、墙；第二类是连续化方法，将连梁看成是墙肢间的连杆并将其沿高度离散为均匀、连续分布的连杆，然后用微分方程求解，计算简图如下图2所示，一般适用于联肢剪力墙（双肢剪力墙或多肢剪力墙）；第三类是D值法，适用于壁式框架。（a）联肢墙的结构尺寸 （b）联肢墙的计算简图 图2 联肢墙的结构尺寸和计算简图3.3 筒体结构筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类6：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应

12、用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架结构法等。具体应用包括等效角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架结构法。比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆-薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。3.4 带地下室的高层建筑结构计算（a）不带地下室（b）带地下室且（c）

13、带地下室且图3 高层建筑结构的计算模型高层建筑往往带有地下室，有些甚至带几层地下室。从建筑功能来说，可利用地下室作为地下停车库、设备用房等；从结构功能来说，设置了地下室可以增加基础埋深，对于增加结构整体稳定性和提高抗倾覆性能是有利的。对于带地下室的高层结构如何合理地选取结构整体计算模型至关重要，上图3为三种简化的分析计算模型3510。对于带地下室的高层建筑而言，如果按照上图（a）所示的计算模型计算，即将地下室的顶板作为上部结构的嵌固层，所得到的结构周期往往偏小；图（b）所示的计算模型就是在图（a）的基础上加了一层地下室，并且考虑了地下室周围土体对结构的影响；而图（c）则是图（b）的简化模型，即

14、将最底层的抗侧刚度用土体的压缩刚度与地下层侧向刚度之和代替。4 计算机软件在高层建筑结构分析中的应用ETABS程序4是高层建筑结构空间计算的专用程序，是在TABS程序的基础上增加了求解空间框架和剪力墙的功能，能在静载和地震荷载作用下对高层建筑结构进行弹性计算的程序。柱子考虑弯曲、轴向和剪切变形的影响，梁考虑弯曲和剪切变形的影响，剪力墙可以用带刚域梁和墙板单元计算。SATWE程序4是中国建筑科学研究院CAD工程部为高层结构分析与设计而研制的空间组合结构有限元分析软件，其核心是解决剪力墙和楼板的模型化问题，尽可能地减小其模型化误差，提高分析精度，使分析结果能够更好地反映出高层结构的真实受力状态。在

15、利用高层建筑结构分析软件进行结构分析时，要始终以高层建筑混凝土结构技术规程8作为标准，对其中的参数进行设置以保证计算结果满足规范要求。5 小结与展望目前随着高层建筑的发展越来越快，其计算方法也在不断的被改进，各种分析计算模型不断的被优化，但是依然存在一些问题。概念设计79的提出解决了某些问题，如材料的浪费等，它是展现先进设计思想的关键，是结构抗震设计中不可缺少的部分，更是结构抗震设计中非常重要的部分。此外，对于带地下室的高层建筑而言，地下室周围土体对建筑物的影响还有待进一步的研究，在结构的计算分析时要充分利用地下室周围土体对建筑结构的有利影响并避开不利影响，进而对建筑结构进行优化设计。参考文献1 霍维捷.高层建筑结构分析计算方法展望J.工程师讲座,44-47.2 董庆,林雁.框架-剪力墙结构的简化分析方法J.山西建筑, 2008,34(27): 98- 99.3 程志辉,张俊胜.带地下室高层结构的动力计算模型J.华南理工大学学报(自然科学版),2005,33(6):89-93.4 张铜生,包裕昆,包世华.我国高层建筑设计计算的回顾及存在的问题J.力学进展,1996,26(2):214-229.5 曹爱群.浅谈高层建筑框架剪力墙结构的设计J.工程与设计,2011,25(3):348-350.6 肖峻.高层建筑结构分