为特种结构设计服务的几项创新

为特种结构设计服务的几项创新陈岱林1在特种结构应用方面的几项创新•

与楼层建模相辅相依的空间建模•

斜墙和斜圆弧墙•

杆件的不同力学模型应用•

钢管混凝土叠合柱设计•

上部结构和基础的协同计算•

迭代计算解决基础受拉情况•

基础沉降的迭代计算方法•

包络设计模式21、与楼层建模相辅相依的空间建模纯空间建模：Midas、SpaceCAD、SAP2000纯楼层方式建模：PMCADYJK：和逐层建模平行地设置空间建模菜单3和逐层建模平行地设置空间建模菜单,并使空间模型和各层模型顺利衔接进入空间建模菜单按照空间方式布置轴线,空间轴线用特殊的黄绿色显示，空间菜单建立的模型作为特殊的一层5导入AutoCAD空间网格线实例楼层模型部分完整模型某音乐厅6空间模型部分为了楼层指标的计算，可将空间模型再分配到各普通楼层为了楼层指标的计算，可将空间模型再分配到各普通楼层各普通楼层增加了空间模型分配过来的复杂部分90将空间结构导入普通楼层的效果111213空间结构和普通楼层相结合建模的实例最终生成的都是普通楼层15空间结构和普通楼层相结合建模的实例1617蒙皮自动导荷功能：投影导荷载18蒙皮，就是软件在迎着荷载的一侧，自动沿着结构的最外侧生成的导荷面。自重计算：法向算总重，投影导荷载法向导风荷载法向导风荷载23法向导风荷载高耸复杂体型建筑的精细风荷载导算输入风荷载参数25和Midas的接口用户手中用Midas-Gen做的空间复杂模型较多，可以转到YJK继续分析8转化后的由普通层和空间层组成的YJK模型29从Midas-Gen导入YJK实例从Midas-Gen导入YJK实例312、斜剪力墙和斜圆弧剪力墙以前用斜柱模拟或斜板（壳单元）模拟32屋盖为空间层，下面4层为普通层带斜墙的体育场33增加了斜墙布置菜单跑马场项目中的摄影台35某机场酒店端部斜剪力墙363738423、杆件的力学模型和设计模型的互相适应设计模型：柱、梁、墙、楼板力学模型：杆单元、壳单元43对普通梁方式输入的连梁按照壳元计算对比三种跨高比的情况：L/H=1.5，L/H=2.5，L/H=3对比内力使用的第5层5号墙梁（梁）位置示意图连梁的杆单元和壳单元模型计算结果不一致YJK程序处理：对“普通梁方式”输入的连梁，程序将跨高比较小的梁自动划分单元并按照“壳元”计算。这种处理方式保证了两种输入方式计算结果的一致性。广东高规5.1.4：连梁可用杆单元或壳单元模拟，当连梁的跨高比小于2时，宜用壳单元模拟对普通梁方式输入的连梁按照壳元计算46对普通梁方式输入的连梁按照壳元计算

单元自动划分对普通梁方式输入的连梁按照壳元计算普通梁按壳元计算模型，两种输入方式的计算结果对比周

期(s)顶层水平位移(10-3m)5号梁弯矩（kN·m）5号梁剪力（kN）项目L/H2.5L/HL/HL/H1.531.52.531.52.531.52.53洞口

0.1821

0.1909

0.1939

2.56052

2.93847

3.10810

30.525.220.7-84.2-50-36.3普通梁

0.1821

0.1909

0.1939

2.55931

2.93896

3.10813

30.524.720.4-84.3

-49.9

-36.3差异率

0.000

0.000

0.000

-0.047

0.0170.001

0.000

-1.984

-1.449

0.119

-0.200

0.000结论：两种输入方式计算结果各项指标的差异率均在2%以内。转换梁常见超限问题应对•

转换梁本身容易抗弯超限•

转换梁本身容易抗剪超限•

转换梁上承托的剪力墙容易抗剪超限•

对转换梁可按梁建模输入，但不应按一般梁采用的杆单元计算，应采用壳单元计算转换梁自动按壳单元计算•

YJK软件处理转换梁模型的方法

采用壳元模型计算，自动进行单元划分，使细分的单元和上部承托的剪力墙单元保持协调。转换梁自动按壳单元计算•

实际模型例题转换梁自动采用壳单元计算，并使细分的单元和上部承托的剪力墙单元保持协调YJK与ANSYS相同，SATWE的跨中弯矩比YJK大将近一倍YJK支座弯矩比SATWE大，但可考虑支座宽度的影响，实配负筋不大YJK可使转换梁底部配筋明显减少多工程对比YJK与传统软件差距转换梁负弯矩值对比图（YJK-PKPM）80006000400020000YJKPKPMYJK-PKPM1

2

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2

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2

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2

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51

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4梁编号与工程名1

重庆2

PKPM

3-121212

4

当代

1#

5

当代

1#

左

6

中建9所

7

1

4托32

8E12

4托32-2000-4000-6000左上下徐工转换梁正弯矩值对比图（YJK-PKPM）!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式YJKPKPMYJK-PKPM1

2

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PKPM1

2

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4梁编号与工程名1

重庆3-121212

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当代

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当代

1#

左下

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中建9所徐

7

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4托32

8E12

4托32左上工转换梁剪力值对比图（YJK-PKPM）!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式YJKPKPMYJK-PKPM梁编号与工程名1

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PKPM1

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2

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重庆3-121212

4

当代

1#

5

当代

1#

左

6

中建9所徐

7

1

4托32

8E12

4托32左上下工壳元梁的应用60162壳元梁的应用6768对剪力墙按梁配筋•

对整层高的转换层大梁也可以按剪力墙输入•

此时剪力墙的壳单元力学模型满足要求，但设计模型按一般墙，不满足要求•

在计算前处理的“特殊墙”定义下，可将墙设置为“梁配筋墙”，即将他们按照梁的模式配筋；694、钢管混凝土叠合柱设计常用于轴压比不满足要求而不能采用更大的截面尺寸时柱截面定义中输入钢管内和钢管不同的混凝土强度等级70由截面中部钢管混凝土和钢管外钢筋混凝土叠合而成的柱71《钢管混凝土叠合柱设计规程》•

叠合柱中钢管混凝土承受的轴压力设计值：Ncc=NEccAcc（1+1.8Θ）/[EcoAco+EccAcc（1+1.8

Θ）]•

叠合柱中钢管外混凝土承受的轴压力设计Nco=N-Ncc•

钢管外钢筋混凝土的轴压比限值：n=Nco/（fcoAco）上海市《建筑抗震设计规程》2013•

当轴压比不满足表6.3.6的规定而不能采用更大截面尺寸的柱时，。。。•

可采用钢管与混凝土双重组合柱•

轴压比按：α=（N-N钢管混凝土）/Acfc•

N钢管混凝土——按钢管混凝土规范计算73钢管混凝土叠合柱主要优点•

钢管的约束作用使钢管内混凝土的抗压强度大幅度提高，且不会发生脆性破坏；•

管内、外混凝土强度差别越大，钢管混凝土的套箍指标越大，钢筋混凝土部分轴压比低、容易实现延性的大偏心受压状态；•

截面中部的钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力，实现强剪弱弯；•

节点核心区抗剪能力强；•

抗火性能好74上部结构和基础的协同计算是对原有的上部结构计算时底部只能按照固定端计算模式的突破75在上部结构计算参数中选择考虑基础结构7677上部结构计算时可考虑基础模型操作步骤：1、上部结构建模、计算2、基础建模计算，并考虑上部结构刚度3、上部结构计算，选择读入基础模型，可使上部结构考虑基础和地基刚度变形的影响78北京市政院水池80基础变形的不均匀性考虑基础土共同后上部结构周期增大

地震作用减少不动支座阵型动画弹性支座（考虑基础、桩土）阵型动画考虑基础土共同后上部结构恒活工况考虑支座位移差

内力增加不动支座位移动画弹性支座（考虑基础、桩土）位移动画6、基础受拉情况下的非线性分析在较大水浮力下，或在较大上部倾覆力矩作用下将出现基础受拉85某12塔基础：400*300米桩筏板基础的单元划分（尺寸1米）30万自由度，自动化分单元+计算时间10分生成基础上部刚度加速几十倍•

上部结构计算时，生成基础计算用的上部结构凝聚刚度；•

以前版本这部分计算耗时很多，对于大的基础平面可能需要几十分钟甚至上百分钟•

YJK改进计算方法，再大的基础平面情况耗时不会超过几分钟87考虑土桩抗拉抗压刚度不同的迭代计算1）土只能承担压力，不能承担拉力；2）普通桩、抗拔锚杆等拉压刚度不同，差异很大。如果地基土或者桩出现了部分受压部分受拉的情况，就应该通过考虑土桩抗拉抗压刚度不同的非线性迭代计算方法进行分析水浮力大时，部分区域的筏板会出现上拱效应，上拱区域的土将失去支撑作用，该区域的抗拔锚杆将起拉杆作用。这种情况需采用迭代计算才能得出土的压力和锚杆的压力值考虑土桩抗拉抗压刚度不同的迭代计算•

非线性本质要求不能使用叠加原理，所以不能按单工况分别计算、并对荷载组合通过效应叠加的方法。•

应该把组合后的荷载加载到基础上进行计算。简单实例对比分析这里空旷范围大只有1层有柱这里空旷只有1层有柱空旷部位下的基底轴力只有其他柱的20%水浮力52KN/m^2基于倒楼盖模型的多模型分析方法——抗浮工况组合的基础位移图非线性分析方法——抗浮工况下的基础位移图基于倒楼盖模型的多模型分析方法——配筋-X顶基于倒楼盖模型的多模型分析方法——配筋-Y顶基于非线性方法——配筋结果-X顶（红框区域）基于非线性方法——配筋结果-Y顶（红框区域）结论上部刚度及荷载不均匀时，基础抗浮计算（或其它基础受拉情况）采用倒楼盖模型、或线性计算方法，结果可能是偏于不安全。基于非线性的分析模型能准确模拟水和上部荷载的相对关系，支座关系更加真实，所以可以准确模拟出水上抬效应。考虑是否设置抗拔桩的计算典型实例最大水浮力发生在局部范围：仅24kN/m2,整体抗浮稳定验算通过，是否需要设抗拔桩？105106最大顶部配筋24cm2最大顶部配筋36cm2某一带有最大水浮力基本组合的筏板弯矩图,依靠筏板本身的抗弯承载力承担水浮力，没有设设抗拔桩90米高的风力发电机基础设计通过迭代计算结果控制基础0应力区的大小7、沉降的多次迭代计算通过沉降计算控制基础沉降差异由于桩和土刚度的非线性属性采用迭代计算沉降准永久组合下进行111桩筏基础沉降的多次迭代计算方法1、沉降试算->确定初始桩刚度和基床反力系数；2、有限元试算（第一次有限元计算）：用有限元计算得到的桩反力和基底压力计算沉降；用该沉降计算结果重新计算出桩土刚度；3、第二次有限元计算：用求出的桩土刚度代入总刚，再计算一次桩反力和基底压力，根据有限元计算得出的桩反力和基底压力计算沉降4、多次迭代直到位移和沉降重合5、由于此法桩反力差别很大，仅用于沉降计算【计算选项】中提供了沉降迭代的高级选项体现了上部结构、基础、地基的综合因素•

基础计算中考虑了上部结构刚度；•

基础计算采用了整体有限元计算；•

沉降计算采用分层总和法，考虑基础间的互相影响；•

迭代以有限元位移值和沉降值一致为目标；•

因此，这种沉降计算体现了上部结构、基础、地基的综合因素114桩筏与筏板联合基础塔楼下桩筏+裙房下筏板的协同有限元计算迭代以有限元位移值和沉降值一致为目标116是否进行迭代计算的沉降计算结果对比迭代后：沉降差小，沉降和反力里大外小呈正锅底形一次计算，沉降值17-65迭代计算，沉降值19-447是否进行迭代计算的桩刚度分布对比迭代后：桩土刚度里小外大呈倒锅底形一次计算，桩刚度都是490666迭代计算，桩刚度外围390000，内部170000，符合外刚内柔规则包络计算模式包络设计是在多个计算结果中取最大值在这里指的是构件配筋的包络设计，即构件配筋时需要在两个或者多种计算模型中取大值的设计119计算参数中包络设计的设置120包络计算模式可综合考虑结构多种不利因素•

对于多塔结构实现对合塔与分塔状况自动拆分、分别计算并结果选大•

少墙框架结构中框架部分的地震剪力取框架、框剪两种结构计算较大值•

考虑楼梯的计算：其整体内力分析的计算模型应考虑楼梯构件的影响，并宜与不计楼梯构件影响的计算模型进行比较，按最不利内力进行配筋；•

抗震性能设计：多遇地震计算和中震（或大震）弹性或中震（或大震）不屈服设计结果取大值设计；121包络设计—多塔结构设计《高规》5.1.14对多塔楼结构，宜按整体模型和各塔楼分开的模型分别计算，并采用较不利的结果进行结构设计。当塔楼的裙房结构超过两跨时，分塔楼模型宜至少附带两跨的裙房结构《广高规》11.6.3-4大底盘多塔结构，宜按整体模型和各塔楼分开的模型分别计算，整体建模主要计算多塔楼对大底盘部分的影响，分塔楼计算主要验算各塔楼扭转位移比完全的自动划分多塔，可自动处理复杂情况，极少的人工干预一键操作就实现的多塔自动划分的三维效果自动划分多塔的效果多塔结构的多塔自动划分过程124计算结果自动选大，但提供菜单查看各分塔分别单独计算的结果对于多塔结构实现对合塔与分塔状况自动拆分、分别计算并结果选大整体计算与分塔计算构件的配筋结果对比柱（mm2）梁（mm2）墙（mm2）层数800*8003281D4002700L300*500700*7001397300*6002791300*700350*6001169350*7001066300自

16409266226925.7动取大值43188151427002850178217281229122943352350445014259309318649.00.012181166113017656409122913976637350.01432811980279126621169106626925.7分塔计

12算18741280198028501782172898098043352350445014259309318649.00.01166113018174712296557350.0结论：计算结果取的是整体与分塔的较大值。点菜单“显示多塔取大构件”后，粉色加亮的构件是取自单塔计算结果的较大值，其余是合塔计算结果值较大包络设计—少墙框架结构中框架部分的地震剪力可自动取大•

参数设置目的–

规范条文：《抗震规范》6.2.13-4设置少量抗震墙的框架结构，其框架部分的地震剪力值，宜采用框架结构模型和框架—抗震墙结构模型二者计算结果的较大值。–

程序处理方法：自动实现按剪力墙刚度不折减的整体模型和按剪力墙刚度折减的模型分别计算，并对框架部分的地震剪力采用二种模型较不利的结果进行结构设计。少墙框架结构中框架部分的地震剪力可自动取大129少墙框架结构中框架部分的地震剪力可自动取大•

例题说明参数的高效性，结果与分别计算的一致性。–

5层混凝土框架结构少墙框架结构中框架部分的地震剪力可自动取大分别计算与整体计算对比结果构

件

配

筋

量（mm2）构

件柱1框架结构3992框剪结构3012自动取大3992差异率32.5%柱280548070807000梁1400042584258结论：软件按两种模型大者取值。提供通用的包络设计工具和配筋对比工具软件找出两个工程中各个构件的对应关系并并取配筋较大值计算参数中包络设计的设置132是否