基于ANSYS框架结构地震荷载分析.ppt

1、,基于ANSYS的框架结构地震荷载分析,绪论,高层建筑体系的发展 钢筋混凝土有限元分析 高层建筑结构的分析软件 有限单元法理论 结构计算方法的发展 本论文主要内容,一、高层建筑发展概况 1：工业革命后建筑技术成就 18世纪末至19世纪末，欧洲和美国的工业革命带来了生产力的发展与经济的繁荣。这时期，城市化发展迅速，城市人口高速增长。钢结构的发展和电梯的出现则促成了多层建筑的大量建造。 2：高层建筑发源地-芝加哥 1880年后的十余年间，芝加哥取得高层建筑发展史上的辉煌成就。与此同时，美国其它城市由于受1873年起持续多年经济萧条的影响而无重大建设。大量的建筑设计任务吸引了一批有才华的建筑工程师（

2、也是建筑师）聚集到芝加哥，如： 詹尼(设计第一栋高层建筑-家庭生命保险公司大楼） 布思海姆(设计信托大楼一第一个采用大面积玻璃外墙) 鲁特(设计蒙纳诺克大楼-世界最高砖结构建筑) 沙里文（高层建筑之父）,1.1 高层建筑体系的发展,二、高层建筑特点 高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。 能够提供更多的空闲地面，有利于美化环境，并带来更充足的日照、采光和通风效果。 可以缩小城市的平面规模，缩短城市道路和各种公共管线的长度，从

3、而节省城市建设与管理的投资。 提高造价及运行成本，防火要求较高。 对于侧向荷载作用设计较为复杂。,1.1 高层建筑体系的发展,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球的其极限承载能力。 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、大型水利工程结构的静力分析，尤其是动力分析，具有极其重要的意义。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

4、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。 辅助试验进行参数设计。,1.2 钢筋混凝土有限元分析,钢筋混凝土有限元分析的现状 1结构形状、尺寸和边界条件，以及所用材料的强度等级和主要配筋量等应预先设定； 2材料的性能指标宜取平均值； 3材料的、截面的、构件的或各种计算单元的非线性本构关系宜通过试验测定；也可采用经过验证的数学模型，其参数值应经过标定或有可靠的的依据。混凝土的单轴应力-应变关系、多轴强度和破坏准则也可按附录C采用； 4计入结构的几何非线性对作用效应的不利影响； 5承载能力极限状态计算时应取作用效应的

5、基本组合，并应根据结构构件的受力特点和破坏形态作相应的修正；正常使用极限状态验算时可取作用效应的标准组合和准永久组合。,1.2 钢筋混凝土有限元分析,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 ANSY

6、S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,有限单元是随电子计算机应用的日益普及和数值分析技术日益发展而迅速发展的一种新颖有效的数值方法。它在50年代起源于飞机结构的矩阵分析，60年代开始被推广用来分析弹性力学平面问题。由于它所依据的理论的普遍性，因此，很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题。目前已在各个工程技术领域中得到了十分广泛的应用。 基本思路和解题步骤： （1）建立积分方程 （2）区域单元剖分 （

7、3）确定单元基函数 （4）单元分析 （5）总体合成 （6）边界条件的处理 （7）解有限元方程,1.4 有限单元法理论,有限元法的发展概况 20世纪50年代，飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的应力、应变等问题。波音公司的一个技术小组，首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析，经过一番波折后获得前述的两个离散的成功。20世纪50年代，大型电子计算机投入了解算大型代数方程组的工作，这为实现有限元技术准备好了物质条件。1960年前后，美国的R.W.Clough教授及我国的冯康教授分别独立地在论文中提出了“有限单元”，这样的名词。此后，这样的叫法被大家接受，有限元技术从此正式诞

8、生，并很快风靡世界。,1.4 有限单元法理论,有限元法基本原理 有限元方法是将连续体离散化的一种近似计算方法。首先它将连续体离散为一组有限个按一定方式相互联结在一起的单元组合体，假象各个单元之间仅以结点连接，以结点位移为基本未知量，以单元结点位移为参数假定单元的位移函数，建立应变与单元位移、应力与应变的关系，从而得到应力与单元位移的关系;然后分析单元变形能与外力势能，得到单元总势能，利用最小势能原理，得到单元刚度方程;求所有单元变形能与外力势能之和，得到连续体的总势能，利用最小势能原理，得到总刚度方程;求解此方程即得到连续体的结点位移;再通过每个单元上的结点位移值即可得到各种待求物理量，如应力

9、、应变等。,1.4 有限单元法理论,手工计算 由于计算机发展的限制，50年代到70年代后期，高层结构基本是由手工计算完成的。不同结构体系采用不同的计算方法。 矩阵位移法 协同工作分析 ，空间结构分析 弹力方法解微分方程 这种方法总称为半解析微分方程求解启发，具体包括半解析能量发和有限元法。 有限单元法多种单元的组合 以此方法为基础开发的通用或专用应用程序有很多，其中有代表性的是美国的E.L.Wilson等人最初开发的SAP程序,1.5 结构计算方法的发展,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，

10、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

11、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4032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 分析介绍对象,本工程属于丙类建筑，地面粗糙度类别为C类，场地土

12、类型为IV类场地土，抗震设防烈度按7度近震考虑。建筑物抗震等级为框架二级。 由以上建筑图可以看出，分析对象是一个12层的框架结构，主要承重部件是3排5列共计15根立柱。211层结构形式相同，底层和顶层的层高不同于中间各层。,一、单元类型选择和计算参数设定 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，剪力墙和楼板采用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。 SHE

13、LL63单元菜蔬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,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

14、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3-1 位移约束,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、柱和剪力墙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

15、。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。柱与剪力墙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,结构抗震分析,结构抗震分析 地震作用下的结构响应,4.1.1高层结构抗震理论 我国建筑抗震规范（GB50011-2001）对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求，“三水准”即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。当遭遇第一设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，结构处于弹性变形阶段，建筑物处于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。因此，要求建

16、筑结构满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算，要求建筑的弹性变形不超过规定的弹性变形限值。当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时，结构屈服进入非弹性变形阶段，建筑物可能出现一定程度的破坏。但经一般修理或不需修理仍可继续使用。因此，要求结构具有相当的延性能力（变形能力）不发生不可修复的脆性破坏。当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，结构虽然破坏较重，但结构的非弹性变形离结构的倒塌尚有一段距离。不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏，从而保障了人员的安全。因此，要求建筑具有足够的变形能力，其弹塑性变形不超过规定的弹塑性变形限值。,4.1 结构抗震分析,4

17、.1 结构抗震分析,4.1.2高层建筑结构的抗震设计方法 我国的建筑抗震设计规范（GB50011-2001）对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定：1、高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。2、除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱方法。3、特别不规则的建筑、甲类建筑和限制高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。,4.1.3结构抗震分析计算方法 (一)通过查阅规范，得到长春市抗震设防烈度为7度，加速度0.1

18、g。 =0.08，=0.5，则 =0.02， =1，=0.9，=0.45，取类场地，T=1.99S， 梁：b*h=200*300,柱：底层柱：500*500，其余各层柱：450*450 (二)结构等效总重力荷载代表值 集中在各楼、屋盖标高处的重力荷载代表值,4.1 结构抗震分析,4.1 结构抗震分析,4.1.4 建立分析模型,图4-1 X方向位移,图4-2 Y方向位移,图4-3 X方向应力,图4-4 Y方向应力,图4-5第一主应力,图4-6 X方向总变形,图4-7 Y方向弹性应变,图4-8 mises,高层建筑框架结构在竖向地震作用下，楼板在竖向刚度是很小的，一般不予考虑，认为相对无限柔性，而梁的刚度也是有限的，不可能保证各竖向构件在同一楼层竖向位移相同，因此不能简单地用各竖向构件轴向刚度之和来代表结构的总竖向刚度。在高层框架结构中，不能按叠加的办法来求层轴向刚度，而必须考虑楼层梁刚度的影响。因此，由于各竖向构件在同一楼层处竖向位移不同，需要用串并联多质点系模型来分析竖