高层建筑结构的设计软件应用

第11章高层建筑结构设计软件应用

11.1结构程序设计的基本原理

高层建筑结构的计算及设计程序计算机分析方法，从原理上可分为三种：将高层建筑结构离散为杆单元，再将杆单元集合成结构体系，采用矩阵位移法计算（或称为杆件有限元法）将高层建筑结构离散为杆单元、平面或空间的墙、板单元，然后将这些单元集合成结构体系进行分析，称为组合结构法（或称为组合有限元法）；将高层建筑结构离散为平面或空间的连续条元，并将这些条元集合成结构体系进行分析，称为有限条法。在上述三种方法中，杆件矩阵位移法应用的最为广泛，比如PKPM中多高层建筑结构三维分析软件TAT；有限条法应用较少；组合有限元法近年来应用较多，此法被认为是对高层建筑结构进行较精确计算的通用方法，比如PKPM中多高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE。

杆件有限元法

分析基本假定高层建筑是非常复杂的空间结构体系，对不同结构型式或要求不同的计算精度时，可采用不同的计算基本假定。弹性楼板或刚性楼板假定。

空间结构或平面结构假定杆件具有轴向、弯曲、剪切和扭转刚度

计算分析模型

平面协同计算模型将高层建筑结构离散为杆单元后，高层建筑结构都是由来自不同方向的杆件组成的空间结构，能抵抗来自任意方向的荷载和作用空间协同计算模型

采用平面协同计算模型考虑了两条假定，即楼板平面内无限刚性的假定及各个抗侧力平面结构只在其平面内具有刚度，不考虑其平面外刚度的假定。如果结构的平面布置不对称，或每个方向水平荷载的合力Fy和Fx不作用在对称平面内，则各层楼面不仅将产生刚体线位移，而且将产生在自身平面内的刚体转动角位移。空间杆—薄壁杆系计算模型

将高层建筑结构视为空间结构体系，梁、柱、支撑等一般均采用空间杆件单元，剪力墙可以采用薄壁空间杆件单元。如在对筒中筒结构和框架-核心筒结构计算分析时，框筒和框架部分可离散为一般的空间杆件单元，内筒和核心筒则可离散为薄壁空间杆件单元。一般空间杆件单元的每个结点有6个位移分量（即3个线位移和3个角位移），薄壁空间杆件的每个结点有7个位移分量，即除了上述的6个位移分量外，还有1个扭转角分量，空间组合结构计算模型

对于这些高层建筑，可采用空间组合结构计算模型，梁和柱均采用空间杆单元，剪力墙采用可开门洞和进行单元内部细分的空间墙元，为了考虑楼板的变形，用空间板壳单元来模拟楼板。这种计算模型在每个节点上均有六个自由度，可以对高层建筑进行更细致、更精确的结构分析，可以考虑空间扭转变形，也可以考虑楼板变形。空间组合结构计算模型实际上是一种三维有限元计算模型，由于有限元模型具有丰富并且正在不断完善的单元库，因而可以针对不同的结构，选择合适的单元，较为精确地描述结构的实际情况，从而可以更精确地进行高层建筑结构内力的计算。计算方法

采用杆件有限元法计算高层建筑结构的内力和位移时，以结点为分界点将结构体系划分为若干杆件。一般把每一杆件取为一个单元，建立局部坐标系中的单元刚度方程，并集合为整体坐标系中的结构整体刚度方程，求解方程可得结点位移，从而求得各杆件内力。引入支承条件或其他位移约束条件，对方程进行简化。解方程得结点位移，再将结点位移转化为杆端位移，最后计算各杆杆端力。

空间组合结构计算方法

剪力墙计算模型

剪力墙是高层建筑结构中的一种主要的抗侧力构件，同时也是一种基本的计算单元。在各种大型通用结构分析程序和高层建筑结构分析设计程序中，对剪力墙计算模型的选取不尽相同，计算结果也存在较大差异。剪力墙是一种平面单元，比较合理的计算方法是采用平面有限元法。但是，对于体量很大的高层建筑结构体系，将剪力墙划分为平面单元后，结点数目及未知量太多，而且输出结果为单元应力和应变，对设计来讲也是不方便的，因此在杆系有限元法中，将剪力墙处理为带刚域杆件或薄壁杆件。对于开洞规则的联肢剪力墙，将其简化为带刚域杆件的壁式框架，计算简单，计算精度也较高。但如果剪力墙中的洞口错位或无规律的排列，则壁式框架的轴线和刚域长度很难确定。

墙板和墙元模型

1.平面应力单元

2.新型高精度剪力墙单元

墙元模型由于壳元既具有平面内刚度，又具有平面外刚度，所以用壳元模拟剪力墙可以较好地反映其实际受力状态。基于壳元理论的剪力墙分析模型，称为墙元模型，这是一种更为精确的剪力墙分析模型。中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的SATWE程序，其中的剪力墙就采用墙元模型。空间组合结构计算方法

空间组合结构计算法的计算要点与杆件有限元法相同，详见11.1.3小节杆件有限元法计算方法。此法与杆件有限元法的主要区别是：将结构离散为有限单元时，对于一般的梁、柱单元，仍采用空间杆单元模型；对于剪力墙，视具体结构和计算要求，可采用墙板模型或墙元模型；对于楼板，采用壳元。常用工程软件简介及选用原则

由于现代高层建筑向着体型复杂、功能多样的综合性发展，其结构复杂，体量很大，同时随着计算机软件技术的发展，现代结构工程的计算和设计很大程度上要依靠相关软件，可以这样说结构分析与设计软件是结构工程师的最重要的工具之一。目前现有的结构分析和设计软件很多，其计算模型和分析方法不尽相同，计算结果的表达方法也各异。所以，在进行结构分析和设计时，首先要了解现有结构分析和设计程序各自的特点，结合所设计结构的具体情况，选用合适的设计软件。本节根据我国当前建筑工程结构分析和设计软件的应用情况，介绍几种实用的结构分析和设计软件。ANSYS程序ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由美国ANSYS公司开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。由于ANSYS软件为大型通用有限元分析程序，程序中没有我国结构设计的相关规范，目前只能用于高层建筑结构设计前期的分析，根据分析的结果，工程设计人员再结合我国相关设计规范的规定进行结构设计，这专业人员要花大量的时间来学习新规范，要做到各种结构规范能够融会贯通更是需要相当丰富的专业知识和工程实践经验。

MIDAS/Civil程序

MIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析与设计软件，可适用于高层建筑结构、桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。特别是针对高层建筑结构，MIDAS/Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各民用及工业设计院所采用。广厦软件结构CAD程序

广厦公司成立于一九九六年，是专业从事建筑结构设计CAD开发和销售的高新技术企业。以设计院背景研发的广厦结构CAD具有易学易用出图快的特点，。该程序已经涵盖了中国高层建筑结构设计的相关规范，各专业模块包涵的软件名称如下：广厦钢筋混凝土结构CAD广厦钢结构CAD广厦打图管理系统V4.0广厦结构施工图设计实用图集

TBSA程序和TBWE程序

中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部研制的TBSA和TBWE程序，是用来分析和设计多、高层建筑结构的专用程序。TBSA程序采用空间杆—薄壁柱模型，即梁、柱、斜杆采用空间杆单元，每端6个自由度；剪力墙采用空间薄壁杆单元，考虑截面翘曲的影响，每端7个自由度。TBWE程序采用空间杆—墙元模型，即剪力墙采用墙元模型（可参见11.1.2小节）。这两个程序不仅可以对框架结构、框架—剪力墙、剪力墙结构、筒体结构等常用的结构形式进行分析和配筋设计，还可用于分析和设计其他更复杂结构体系。程序假定楼板在自身平面内刚度为无限大，多塔楼、错层结构采用分块楼板刚性假定，按广义楼层处理。独立杆和自由结点不受此限制。ETABS程序

ETABS是由CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件，ETABS已有近三十年的发展历史，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。

SAP2000程序

大型有限元结构分析与设计程序SAP2000作为由美国加州大学Berkely

分校的Wilson教授编制、美国CSI（ComputersandStructures,Inc.）公司开发的结构计算软件，在世界范围内享有盛名。历时30多年实际结构分析的检验，不断增加最新的有限元分析数值技术，已经发展到SAP2000V14版本，是目前我国结构工程界应用较多的结构分析程序之一在SAP2000三维图形环境中提供了多种建模、分析和设计选项，且完全在一个集成的图形界面内实现。在今天的市场上SAP2000已经被证实是最具集成化、高效率和实用的通用结构有限元分析与设计软件，适用于桥梁、工业建筑、输电塔、设备基础、电力设施、索膜结构、运动场所、演出场所等特种结构。PKPMCAD系列程序

PKPM系列CAD系统软件是目前国内建筑工程界应用最广、用户最多的一套计算机辅助设计系统。它是一套集建筑设计、结构设计、设备设计、工程量统计、概预算及施工软件等于一体的大型建筑工程综合CAD系统。针对2002年间建筑结构各项规范的诞生，PKPM系列软件也进行了较大的改版。在操作菜单和界面上，尤其是在核心结算上，都就结合新规范做了较大的改进，新版本的PKPM系列软件包含了结构、特种结构、建筑、设备、概预算及钢结构等6个主要专业模块.结构设计软件的选用原则

1）结构分析是采用二维还是采用三维计算。2）设计软件的适用范围，是多层还是高层，是框架还是厂房排架，是混凝土结构还是钢结构，是单纯的计算还是带有CAD绘图等。3）注意设计软件的应用平台。5）设计软件的前处理功能，是AUTOCAD建模还是自研制的图形平台建模。6）应考察设计软件的开发单位（或公司）的综合能力，素质修养，软件的鉴定时间，批准单位，应用年限，成熟程度，还应了解对设计软件的维护和升版能力。7）有针对性的选择软件产品，属于多层平面框架，交叉梁的决不选择高层空间程序计算而把问题复杂化；反之属于复杂的高层结构决不能用简化的平面程序去解决。9）考察结构软件，应以符合国家现行规范的原则为前提。高层建筑结构设计PKPM软件应用

设计实例工程概况

该工程为一栋8层框架结构栋办公楼，抗震设防烈度7度，设计地震分组二组，场地类别二类，风荷载标准值0.35KN/m2，地面粗糙度为B类，框架抗震等级三级。结构三维示意图如图11-8。

PMCAD模型建立1.创建文件

2.建立轴线

选择右侧菜单“主菜单”/“轴线输入”,左键单击“轴线输入”，弹出“直线轴网输入对话框”，在“上开间”区域输入:4500*6,5400,7200,5400,4500*6。在“左进深”区域输入:4900,8100,3300,8100,4200,3900,4500。注意输入时输入法在英文输入下。然后点击“确定”按钮，关闭对话框进入“PM建筑模型与荷载输入——办公楼设计”界面，然后左键单击，则生成整个轴网。

3.构件定义及布置4.楼层定义“选择/添加标准层”对话框“梁显示开关”对话框“主梁修改”对话框5.荷载输入“选择荷载类型”对话框“荷载定义”对话框“选择要布置的梁墙荷载”对话框6.楼层组装“楼层组装”对话框“总信息”参数“地震信息”参数“风荷载信息”参数修改结构楼面布置信息

8.楼面荷载传导计算

“请选择备份荷载数据的处理方式”对话框一层恒荷载值“荷载倒算选择”对话框“楼面活荷载折减”对话框9.楼板配筋设计“楼板配筋参数”对话框设置第一层楼面配筋结果

SATWE结构设计

接PM生成SATWE数据操作1.分析与设计参数补充定义

前处理对话框“分析与设计参数补充设计”对话框“风荷载信息”选项卡“地震信息”选项卡“活载信息”选项卡调整信息“设计信息”选项卡配筋信息“荷载组合”选项卡2.特殊构件补充定义特殊构件补充定义定义特殊构件角柱后结构平面图3.生成SATWE数据文件和数据检查

完成各项定义后，选择前处理对话框中第七项“生成SATWE数据文件和数据检查”，点击“应用”按钮，弹出对话框，点击对话框下面“确认”按钮，将生成数据文件及进行数据检查，如果出现提示错误，则查看数据检查报告CHECK.OUT，完成修改后再次执行“生成SATWE数据文件和数据检查”，数据检查通过，则完成SATWE前处理。4.结构内力与配筋计算

SATWE计算控制参数5.分析结果图形和文本显示

分析结果图形显示

分析结果文本显示WZQ.OUT

WMASS.OUT第一层框架柱的轴压比第一层框架柱、梁配筋图形高层建筑结构程序计算结果的分析

1.层间位移角《建筑抗震设计规范》第5.5.1条、《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.6.3条规定，结构应进行多遇地震作用下的抗震变形验算，其楼层层内最大的弹性层间位移与层高之比不宜大于相关层间位移角的限制。

2.周期比周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值。周期比控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系。它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大（相对于侧移）的扭转效应，而不是要求结构具有足够大的刚度。

3.位移比位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。结构是否规则、对称，平面内刚度分布是否均匀是结构本身的性能，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心与质心位置都无法直接定量计算，规范采用了校核结构位移比的要求。4.刚重比刚重比是控制结构整体稳定的重要因素和是否考虑重力二阶效应（即P-Δ效应）的主要参数，是结构刚度与重力荷载之比。

5.刚度比层刚度比是控制结构竖向规则的重要指标，体现了结构整体的竖向均匀程度。楼层侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求时，都是用层刚度比作为依据。规范提供了3种层刚