结构设计和分析软件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,结构设计和分析软件,1,、,SATWE,SATWE,中国建筑科学研究院,PKPM CAD,工程部应现代高层建筑发展的要求，专门为高层结构分析与设计而开发的基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件。,是国内应用最广泛的结构分析程序。特点是计算稳定，分析功能与结构规范要求结合得较好。,1,SATWE,采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件。采用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。墙元不仅具有墙所在的平面内刚度，也具有平面外刚度，可以较好地模拟工程中剪力墙的实际受力状态。,1,、,SATWE,2.,对于楼板，,SATWE,给出了四种简化假定，即楼板整体平面内无限刚、分块无限刚、分块无限刚加弹性连接板带和弹性楼板。在应用中，可根据工程实际情况和分析精度要求，选用其中一种或几种简化假定。,3.SATWE,适用于高层和多层钢筋混凝土框架、框架一剪力墙、剪力墙结构，以及高层钢砼混合结构、复杂体型的高层建筑、多塔、错层、转换层及楼板局部开洞等特殊结构型式。,4.SATWE,可完成建筑结构在恒、活、风、地震力作用下的内力分析及荷载效应组合计算，对钢筋砼结构还可完成截面配筋计算。,5.,可进行上部结构和地下室联合工作分析，并进行地下室设计。,6.SATWE,所需的几何信息和荷载信息都从,PMCAD,建立的建筑模型中自动提取生成并有多塔、错层信息自动生成功能，大大简化了用户操作。,2,、,PMSAP,PMSAP,PKPM,公司面向特殊结构的通用分析程序。,PMSAP,与,PKPM,是由不同的开发人员独立完成。虽然它们的侧重点有所不同（,PMSAP,考虑更多复杂情况），但对于多数建筑结构的分析、设计，基本功能是一样的。,3,、,GSSAP,广厦结构,CAD,是深圳市广厦软件有限公司研发的一个面向工业和民用建筑（混凝土、砖、钢和它们的混合结构）的多高层结构,CAD,，支持框架、框剪、筒体、砖混、混合、底框砖混、板柱墙等结构形式。,3,、,GSSAP,广厦建筑结构通用有限元,GSSAP,是目前弹性状态下的广厦的主流计算。适用于多高层混凝土结构、多高层钢结构、钢,-,混凝土混合结构、混凝土,-,砖混合结构、空间钢构件、网架、网壳、无梁楼盖、加固结构、厂房、体育馆、多塔、错层、连体、转换层、厚板转换、斜撑、坡屋面、弹性楼板和局部刚性楼板等结构，其剪力墙用壳元墙元模型。特点是将通用有限元分析功能 结构设计规范较好结合。,DWG,转换：,如果用户已经有建筑的,DWG,图纸，用户可使用,DWG,转换功能将建筑模型转换为广厦录入模型；,图形录入：,输入工程的几何和荷载信息，导荷载，为计算准备数据；同时生成基础模型数据；,楼板次梁和砖混计算：,通常板不进空间分析，楼板按照一定的边界条件在此计算；纯砖混层是导荷计算，也在此计算；自从广厦采用,GSSAP,计算以来，次梁也同时进入空间分析，因此不再采用此处的次梁结果。此处的次梁计算是按照连续梁计算的，暗含了次梁支座不发生竖向位移，而进入空间分析的次梁所支撑的主梁是会发生竖向位移的（也更符合实际），这是两种计算结果的区别。,广厦,CAD,其他功能：,配筋系统：,根据计算结果生成,11G101,平法施工图，需要注意的是广厦在结构设计页仍然保留了原有的梁柱表施工图；,施工图系统：,进行构件归并，自动处理字符重叠，修改结构施工图，生成,DWG,图形文件；,基础,CAD,：,根据首层柱布置和结构计算的柱底力，计算并生成基础图，最后生成,DWG,文件。,广厦概预算系统：,以广厦结构,CAD,平法施工图和基础,CAD,为基础，根据不同地方的定额及计算规则，进行土建工程的工程量计算、统计、套价的概预算软件，实现了混凝土、钢筋、模板、砌体和基础等结构工程量的快速、完全的自动统计功能。本系统能方便地帮助结构设计人员估算设计造价，从而为结构优化提供依据。,工具箱：,提供一些小型结构计算工具；,对比审图：,用于同一模型多套计算结果的对比，同时支持,PKPM,计算结果的对比。,3,、,GSSAP,3,、,GSSAP,1.,可计算任意结构形式，对建筑结构中的多塔、错层、转换层、楼面大开洞、长悬臂和大跨度等情形，提供了方便的处理手段；,2.,可以任意平面、立面和三维建模；,3.,有,15,种单元的单元库，专门开发的“通用子结构单元”可构造“子结构墙元”、“子结构板元”、“子结构柱元”和“子结构梁元”，可采用高阶且精度高的单元计算墙、柱、梁和板；,4.,有,70,多种梁柱截面型式、,7,种变截面类型、多种材料类型（混凝土、钢和钢砼等）；,5.,除在总信息设置参数外，单个构件属性（设计属性、几何属性和荷载属性）全部开放设置；,6.,可输入恒、活、水土压力、预应力、雪、温度、人防、风、地震和施工荷载,10,种工况，构件有,10,种荷载类型，及,6,个荷载作用方向；,7.,任意一块楼板可选用刚性板、膜元、板元或壳元计算；梁柱可选用杆元或壳元计算（考虑空间应力分析，取代平面应力）；板柱结构可选用“子结构板元”参与空间分析；,GSSAP,主要功能和特点：,8.,高效可靠的大型方程求解器和,3,种固有频率求解方法：子空间迭代、,Ritz,向量和,Lanczos,法，可计算自由度达,50,万的大型结构模型；,9.,可同时计算,8,个方向地震作用和,8,个方向风荷载，每个地震方向可考虑偶然偏心和双向扭转，动力时程分析考虑三向地震波的作用；,10.,考虑模拟施工，可任意指定单个构件模拟施工组号，可进行后浇设计；,11.,风和地震的重力二阶效应计算方法包括放大系数法和刚度修正法；连梁的刚度只在地震作用下折减，其它工况下不折减；,12.70,多个地震波可用于地震时程分析，相应的地震内力自动用于构件计算；,13.,可设置的荷载组合系数和吊车荷载满足民用和工业建筑结构规范要求。,3,、,GSSAP,4,、,ETABS,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。,ETABS,除一般高层结构计算功能外，还可计算钢结构、钩、顶、弹簧、结构阻尼运动、斜板、变截面梁或腋梁等特殊构件和结构非线性计算（,Pushover,，,Buckling,，施工顺序加载等），甚至可以计算结构基础隔震问题，功能非常强大。,4,、,ETABS,ETABS,集成了大部分国家和地区的现有结构设计规范，她已经将美国、加拿大、欧洲规范和中国规范纳入其中，可以完成绝大部分国家和地区的结构工程设计工作。,ETABS,在全世界超过,100,个国家和地区销售，超过,10,万的结构工程师在用它来做设计工作。,其特点是计算稳定，分析能力强，剪力墙原来用板,-,梁模型，现改为用壳元模型，与我国规范结合上在逐步完善。,5,、,MIDAS-BUILDING,MIDAS,是一种有关结构设计的有限元分析软件，分为建筑领域、桥梁领域、岩土领域、仿真领域四个大类。,其中建筑领域包含软件：,MIDAS BUILDING,、,MIDAS GEN,、,GEN DESIGNER,。,MIDAS BUILDING,主要应用高层建筑物专业结构分析及优化设计。,国内外还有多种设计软件，不再一一介绍。一般来说，以上五款建筑结构分析程序均可满足工程师对大部分建筑结构分析的需求。下面简要归纳五款程序功能异同。,五款常用设计软件功能对比,1,、五款程序均有总信息、地震作用分析、风作用分析、荷载工况和组合 以及对构件信息的整体和单独指定等功能。,注意：在进行多个软件计算对比时，除了核对总信息的参数设置是否一致以外，还应检查构件参数，比如经常遇到：,ETABS,的梁刚度放大系数、连梁折减系数设置；,GSSAP,的中梁刚度放大系数与梁高有关，与,SATWE,等不同。,2,、在总信息方面，五款程序基本能满足用户的使用需求。,注意：模拟施工设置上的差别。,GSSAP,、,ETABS,能设置刚域长度；,MIDAS-BULDING,可设置刚域系数。,SATWE,、,PMSAP,应采用“模拟施工,3”,计算，没有构件的模拟功能。,GSSAP,和,ETABS,则可进行构件的模拟施工。,3,、在地震作用分析和风作用分析方面，,SATWE,只能计算,0,度和,90,度的作用，其他程序能同时计算多个方向的作用。,五款常用设计软件功能对比,注意：,STAWE,若要计算多个方向，则要另存模型后旋转相应角度来进行计算才能得到该方向的整体指标等相关信息，应区别于“地震斜交方向增加角度”参数。,4,、,ETABS,没有性能设计和舒适度计算功能，其他程序有此两项功能。,5,、除,ETABS,外，其他程序均可自动设置梁的刚度放大系数等功能，,ETABS,则需要用户指定。,6,、五个程序基本包括了常用的荷载工况和荷载组合公式。,7,、在材料信息方面，,5,个程序均齐全。,8,、对构件的特殊属性指定，,GSSAP,最为齐全，其他程序也基本满足用户的需求。,9,、在五款程序中，,SATWE,和,PMSAP,的截面种类最为齐全，,GSSAP,和,MIDAS-BULDING,次之，,ETABS,可通过截面编辑器来定义用户所要求的任意截面。,五款常用设计软件功能对比,10,、,GSSAP,、,SATWE,和,PMSAP,可参数输入楼梯构件，而,ETABS,和,MIDAS-BULDING,需要用户手动建立楼梯构件。,注意：楼板应指定为弹性板，若指定为刚性板则会大大提高了楼板的侧向刚度，不符合实际。,11,、对于楼板的假定，常用的建筑结构分析软件一般分为刚性板、膜单元、板单元和壳单元四种。,注意：刚性板载自身平面内刚度无限大，平面外刚度忽略不计，这一假定大大减少了结构位移的自由度。膜单元只有平面内刚度，没有面外刚度，对梁内力影响较小。板单 元面内无限刚，面外弹性刚度，承受弯曲力，一般用来模拟基础板及厚板。壳单元力学行为是膜单元和板单元的叠加，即有平面内和平面外刚度，对于狭长楼板、大开洞楼板、不规则楼板及转换层中的厚板，可采用壳单元计算，反映楼板的实际应力情况。,12,、,GSSAP,、,SATWE,和,PMSAP,均可指定完全嵌固和带侧约束的地下室层数，,ETABS,是通过加点弹簧实现。,MIDAS-BULDING,可指定完全嵌固的地下室，侧约束需通过弹簧实现。,五款常用设计软件功能对比,13,、,GSSAP,、,ETABS,和,MIDAS-BULING,可释放杆端六个自由度，,SATWE,和,PMSAP,只能释放,yz,两个转角自由度。,注意：各软件对地下室侧约束的模拟方法相差很大。,14,、,SATWE,、,PMSAP,、,GSSAP,和,MIDAS-BULDING,对于结构底部边界条件默认为固接，,ETABS,需用户定义。,15,、五款程序都提供了自动计算风荷载的功能，,ETABS,无风荷载舒适度；,GSSAP,和,SATWE,可考虑横风向风振作用。,16,、五款程序均按规范振型分解反应谱法计算地震作用。弹性时程计算方法分为振型叠加法和直接积分法，振型叠加法速度较快。,GSSAP,、,SATWE,和,PMSAP,只采用振型叠加法计算，,ETABS,和,MIDAS-BULDING,提供两种方法选择。,注意：,GSSAP,连续次梁两端部抗弯刚度缺省为刚接的,1/10,。,五款常用设计软件功能对比,17,、,5,款程序的计算模型均能满足用户的需求。在计算效率方面，,ETABS,计算时间较短，,GSSAP,计算时间较长。,注意：在结构方案阶段期间，可根据实际情况对模型进行适当简化，以提高计算速度，比如楼板设为刚性板，振型取少些，单元剖分尺寸取大一些等等。,18,、,5,款程序均能输出位移比、层刚度比、楼层承载力比、刚重比、层间位移角等，需特别注意各程序中某些输出结果的意义可能不一样。,建筑结构非线性分析软件,常用非线性分析软件功能介绍,1,、,ABAQUS,ABAQUS,是一套功能强大,的有限元软件，其解决问题的,范围从相对 简单的线性分析到,复杂的非线性问题。,ABAQUS,包括一个丰富的、可模拟任意,几何形状的单元库。并拥有各,种类型的材料模型库，可以模,拟典型工程材料的性能，其中包括金属、复合材料、钢筋混凝土、土壤和岩石等。作为通用的模拟工具，,ABAQUS,除了能解决大位移、强非线性结构分析问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如温度应力、水流冲击效应、耗能减震分析以及岩土力学分析。,1,、,ABAQUS,一个完整的,ABAQUS/Standard,或,ABAQUS/Explicit,的分析过程，通常,由三个步骤组成：前处理、模拟计算和后处理。,一般的线性静态或准静态问题是使用,ABAQUS/Standard,进行求解的。,若涉及接触或材料非线性，,ABAQUS/Standard,则必须通过迭代确定非线性,的解答，从而导致大量迭代或难以收敛。,而,ABAQUS/Explicit,通过由前一步的数据显式地向前推动力学状态，,确定解答无需进行迭代。对于一个给定的可能需要大量时间增量步的分析，,如果同样的分析应用,ABAQUS/Standard,需要大量的迭代，那么应用,ABAQUS/,Explicit,分析可能更有效。,一般来说，,ABAQUS/Explicit,用来分析：复杂接触问题、高度非线性的,静态问题、材料退化和失效、复杂的后屈曲问题、多步骤分析。,2,、,SAP2000,SAP2000,的优势在于,分析计算稳定，计算效率,高，能处理大型结构计算,问题。,SAP2000,空间建模方便，荷载计算功能完善，可从,CAD,等软件导入，文本输入输出功能完善。结构弹性静力及时程分析功能相当不错，效果高，后处理方便。不足之处在于弹塑性分析方面功能较弱，有塑性铰属性，非线性计算收敛性较差。提供二次开发接口。结构工程分析中常用的工具。它基本上集成了现有结构分析中经常遇到方法，如时程分析、地震动输入、动力分析以及,Push-over,分析等等。另外还包括,:,静力分析、用特征向量或,Ritz,向量进行振动模式的模态分析、对地震反应的反应谱分析等等。这些不同类型的分析可在程序的同一次运行中进行，并把结果综合起来输出。,3,、,ETABS,除了具有弹性分析,及设计的强大功能，,ETABS,同时也具有完善,的弹塑性分析能力。,ETABS,单 元库几乎囊括了所有建筑结构分析用到的单元，包括框架单元、壳体单元、弹簧单元、连接单元和塑性铰单元等。连接单元包括粘滞阻尼器单元、缝隙单元、钩单元、塑形单元、摩擦隔震单元、橡胶支座隔振器单元。,连接单元的非线性主要用于动力时程计算分析，不适用于静力弹塑性推覆分析。材料的分线性主要为梁单元的塑性铰属性。但只有钢筋混凝土和钢材截面可以设置塑性铰属性。梁单元的塑性铰属性只能用于静力弹塑性推覆分析，对动力分析不起作用。,4,、,PERFROM-3D,PERFROM-3D,三维结构非,线性分析与性能评估软件，它,的前身是美国加州大学,Berkeley,分校的鲍威尔教授开发的,Drain-,2DX,和,Drain-36DX,，是一个致力,于研究抗震设计的非线性软件,工具。,PERFORM-3D,为用户提供了一个强大的地震工程分析工具来进行静力,Pushover,分析和非线性动力时程分析。可以同时在一个模型中实现静力或动力非线性分析，荷载可以任意顺序施加，如完成动力时程分析后进行静力,Pushover,分析。模型数据可以从,ETABS,或者,SAP2000,导入。支持多种类型单元，包括带有节点区的梁、柱、支撑、开洞剪力墙、楼板、粘滞阻尼器和隔振器。,4,、,PERFROM-3D,PERFORM-3D,的单元类型包括：单拉压杆单元、梁柱单元、墙单元、,剪切连接单元和节点区单元、断裂连接单元、楼板单元、粘滞阻尼器单元、,摩擦摆隔振器单元、橡胶支座隔振器单元。,材料方面通过简化的多线型模拟，并且可采用纤维截面模拟梁柱单元，,可以通过材料的本构关系自动确定截面的塑性特性。剪力墙的塑形特性通过,模拟其弯曲破坏和剪切破坏特性来实现，对于弯曲特性采用纤维截面来模拟，,剪切特性采用剪切材料模拟。,PERFORM-3D,的时程积分采用平均加速度法求解方法。输出：使用比率、,Pushover,、能量平衡、模态形状、变形形状、位移和力的时程记录。,5,、,OPENSEES,OpenSees,的全称是,Open System for Earthquake Engineering Simulation,（地震工程模拟的开放体系）。它是由美国国家自然科学基金（,NSF,）资助、西部大学联盟“太平洋地震工程研究中心”（,Pacific Earthquake Engineering Research Center,，简称,PEER,）主导、加州大学伯克利分校为主研发而成的、用于结构和岩土方面地震反应模拟的一个较为全面且不断发展的开放的程序软件体系。,5,、,OPENSEES,OpenSees,具有先进的建模功能，并包含大量的材料型号、单元和求解算法，可以用来分析系统的非线性响应。该软件采用并行算法，以便于在大型计算机上进行大型模拟或参数研究。提供非线性静态和动态方法，方程求解器，以及处理约束的各种方法。,OpenSees,是开源的。官方网站提供了有关软件构架的信息，源码访问途径及开发过程。开源将使得地震工程研究人员和用户可以以此为交流的纽带，建立起,OpenSees,软件开发的共同体。,国内有学者开发了可视化界面，方便了使用人员的建模。,6,、,MIDAS,MIDAS/Gen,是建筑领域通用结构分析及优化设计系统，具有预应力分析、,动力弹塑性分析、水化热分析、屈曲分析、反应谱分析、,Pushover,分析等完,备的分析功能。,MIDAS/Building,的非线性分析软件的单元库包括框架单元、壳体单元和,塑性铰单元。可进行,P-Delta,分析、静力弹塑形推覆分析和动力弹塑性时程分,析。,静力弹塑性分析采用荷载,控制法和位移控制法计算，而,计算过程每个增量步的迭代方法,用完全,Newton-Raphson,法。动力,弹塑性分析方法采用,Newmark-,直接积分方法，迭代增量采用完,全,Newton-Raphson,计算的方法。,7,、,EPDA,EPDA,的单元库包括框架单元、壳体单元、塑性铰单元、隔震单元和,阻尼器单元。,可考虑材料的受拉开裂、裂缝闭合、压碎退出工作等混凝土材料所特有,的复杂特性。梁、柱、支撑等一维构件采用纤维束模型模拟，纤维束模型的,适用性好，不受截面形式和材料限制，剪力墙通过弹塑性墙单元模拟。,8,、,GSNAP,GSNAP,为广厦结构,CAD,系列中的弹塑性分析软件。单元库包括框架单元、,壳体单元和连接单元。连接单元有粘滞阻尼器单元、缝隙单元、钩单元、,塑性单元、摩擦摆隔振器单元、橡胶支座隔震器单元。梁、柱、支撑等一维,构件采用纤维束模型模拟；剪力墙是通过弹塑性墙单元模拟。,动力微分方程解法包括,Newmark-,和,Wilson-,法。迭代方法可选择,完全牛顿,-,拉普森迭代和修正牛顿,-,拉普森迭代。,小结,1,、,MIDAS/Gen,、,SAP2000,、,ABAQUS,属于通用有限元软件，可以处理复杂的,空间结构问题。非线性计算能力和计算效率比较，,ABAQUSSAP2000MIDAS/,Gen,。,ETABS,、,PERFORM-3D,、,EPDA,、,MIDAS/Building,和,GSNAP,属于专用有限元,软件，可以考虑重力二阶效应的计算，非线性计算能力，,PERFORM-3D,MIDAS/Building GSNAP EPDA ETABS,。,2,、通用有限元软件,MIDAS/Gen,、,SAP2000,建模方便，,ABAQUS,一般需要进行,模型导入，建模能力排序为,MIDAS/Gen SAP2000 ABAQUS,；专用有限元,软件可直接读入弹性模型，建模能力排序为,MIDAS/Building EPDA,GSNAP ETABS PERFORM-3D,。,3,、,MIDAS/Gen,、,SAP2000,、,ABAQUS,、,ETABS,、,PERFORM-3D,、,EPDA,、,MIDAS/Building,和,GSNAP,均可考虑静力弹塑性计算分析。动力分析时，,MIDAS/Gen,和,ETABS,不可以考虑构件的材料非线性。仅,ABAQUS,的动力时程,计算考虑实体节点的材料非线性。,3,、,ETABS,、,EPDA,、,MIDAS/Building,和,GSNAP,可自动输出楼层结果，包括,层间位移角、楼层剪力等，,MIDAS/Building,、,SAP2000,、,ABAQUS,、,PERFORM-3D,需人工处理。,静力弹塑性分析软件,Pushover,分析方法主要应用于受高阶振型和动力特性影响较小的结构。,Pushover,分析就是结构分析模型受到一个沿结构高度为某种规定分布形式,逐渐增加的侧向力或侧向位移，直至控制点达到目标位移或建筑物倾覆位置。,分析软件,Pushover,分析可采用,PERFORM-3D,、,ETABS,、,MIDAS/BUILDING,、,ABAQUS,EPDA,和,GSNAP,。,两个基本假定,1,、结构的响应与某一等效的单自由度体系相关，也就是说结构的响应仅由,第一振型控制。,2,、在整个地震反应过程中，结构形状向量保持不变。,这两个假定都是没有理论依据的，但研究表明：对于反应主要由第一振型,控制的结构，,Pushover,方法还是可以比较准确、简便地评估结构的抗震性能。,塑性铰的特点,静力弹塑性分析软件,1,、塑性铰的存在条件是因截面上的弯矩达到塑形极限弯矩，并由此产生,转动，当该截面上的弯矩小于塑形极限弯矩时，则不允许转动。,2,、塑性铰的转动方向必须与塑形弯矩的方向一致，不允许与塑性铰弯矩,相反的方向转动，否则出现卸载使塑性铰消失。,3,、对于超静定结构，某一截面出现塑性铰并不能使结构倒塌，还能继续,承受增加的荷载。当继续加荷时，先出现塑性铰的截面所承受的弯矩维持,不变，产生转动，没有塑性铰的截面所承受的弯矩继续增加，直到结构形,成几何可变机构。这就是塑性变形引起的结构内力重分布，塑性铰转动的,过程就是内力重分布的过程。,塑性铰的概念,从钢筋屈服到混凝土被压碎，截面不断绕中和轴转动，类似一个铰，由,于此铰是在截面发生明显的塑形变形后形成的，故称其为塑性铰。,纤维束模型,静力弹塑性分析软件,纤维束模型根据高斯点每步应变的变化积分，刚度更准；塑性区沿杆件,轴向和横向式逐步发展的，因此不会出现塑性铰模型构件刚度突变；积分点,应力是通过材料本构关系计算，材料特性符合中国规范；由于刚度积分计算,量大，速度较慢。,各软件塑性铰的定义,PERFORM-3D,的梁柱塑性铰需要根据,FEMA-365,确定塑性铰的骨架曲线，,工作量较大，而,ETABS,、,SAP2000,和,MIDAS BUILDING,只需定义塑性铰的自由,度方向和在构件中的位置，曲线自动计算，工作量较小。,PERFORM-3D,、,MIDAS BUILDING,可以在所有构件中使用纤维截面,ABAQUS,可用户开发，,GSNAP,、,EPDA,可梁柱单元定义。,PERFORM-3D,的纤维截面使用最,为成熟。,动力弹塑性分析软件,动力弹塑性分析从选择合适的地震动输入（如地震加速度时程）出发，,采用结构有限元动力计算模型建立地震动方程，然后采用数值方法对方程,进行求解，计算地震过程中每一时刻结构的位移、速度和加速度响应，从而,可以分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力以及构件逐步损坏的,过程。,动力弹塑性分析属于非线性分析，需要采用直接积分法。直接积分法,的思路是：对于在地震动这一不规则动力作用下的结构动力反应分析，可,将时间,t,划分许多微小的时间段,t,n,，由动力方程的数值获得其数值解。已,知结构在,t,n,时刻,v,n,，,v,n,，,v,n,可采用数值方法由动力方程确定时间段,t,后,t,n+1,=t,n,+,t,时刻的反应值,v,n+1,，,v,n+1,，,v,n+1,，如此逐步进行下去，即可,获得结构动力反应的全过程。,直接积分法可分为：分段解析法、中心差分法、平均加速度法、线性,加速度法、,Newmark-,法、,Wilson-,法、,Hilber-Hughes-Taylor,法等。,动力弹塑性分析需要将动力微分方程的求解和非线性方程的求解结合起,来。常用的非线性迭代方法有,Newton-Raphson,法、,modified Newton-Raphson,方法等。,动力弹塑性分析软件,各软件积分方法对比,软件,Perform3D,SAP,2000,ABAQUS,EPDA,MIDAS,Building,GSNAP,积分,方法,平均加速度法,Newmark-,Wilson-,中心差分法,Newmark-,Wilson-,Newmark-,Newmark-,Wilson-,一维弹塑性单元（梁、柱）,1,、纤维束模型,2,、塑性铰模型,动力弹塑性分析软件,二维弹塑性单元（剪力墙、楼板）,1,、纤维束模型,每片非线性墙单元被分割成具有一定数量的竖向和水平向纤维。,PERFORM-3D,可定义该模型。,2,、壳元损失模型,混凝土材料进入塑性状态伴随着刚度的降低，其刚度损伤分别由受拉,损伤参数,dt,和受压损伤参数,dc,来表达。,ABAQUS,定义该模型。,3,、分层壳模型,分层壳单元基于符合材料力学原理，将一个壳单元分成多层，每层,可根据需要设置不同的厚度和材料，考虑了面内弯曲,-,面内剪切,-,面外弯曲,的耦合。,SAP2000,可定义该模型。,动力弹塑性分析软件,动力弹塑性分析软件的选择,1,、模型准备,一般来说，常用的结构分析软件,SAP2000,、,GSNAP,、,EPDA,和,MIDAS,Building,的模型建立起来比较方便，并且可以采用其弹性计算的配筋进行,弹塑性计算。,ABAQUS,和,PERFORM-3D,模型建立和钢筋修改都较其他软件,麻烦，一般都采用模型数据交换的方式建立模型。,ABAQUS,可以从,GSSAP,中导入模型，,PERFORM-3D,可以从,SAP2000,导入模型，但塑性需定义。,2,、迭代收敛难易,大型复杂结构进行弹塑性时程计算一般需要比较长的时间，几个小时，,甚至几天时间。若迭代中途出现错误，计算得重新开始，影响效率。因此,迭代难以程度对弹塑性计算时间起到至关重要的作用。,造成迭代较慢或者不收敛的原因通常有以下几种：结构中存在薄弱,构件损伤严重，其变形或应力集中对每一步迭代起了控制作用，使得迭代,速度较慢，若其应变活应力超出了迭代控制范围，迭代则不能进行下去；,个别短小的单元或者是剖分畸形的单元同样对每一步迭代起了控制作用，,影响了迭代的速度。,动力弹塑性分析软件,EPDA,、,GSNAP,和,PERFORM-3D,的容错性较好，迭代较容易收敛，,PERFORM-3D,、,ABAQUS,和,MIDAS Building,会提示不收敛原因,而,EPDA,、,GSNAP,和,SAP2000,则没有此功能。,3,、各软件输入输出结果,MIDAS Building,、,EPDA,和,GSNAP,自带地震波库，可直接选择所需地震,波，工作量较小，,PERFORM-3D,、,SAP2000,、,ABAQUS,无自带地震波库，需,人工处理。,ABAQUS,、,PERFORM-3D,和,SAP2000,需要通过用户后处理得到层,间位移角、楼层剪力等结果，,MIDAS Building,、,EPDA,和,GSNAP,则自动完成,对结果的后处理输出。,结构设计中若干计算问题的处理方法,一、地震波选取,进行高层结构地震作用分析时，多遇地震计算参数按照,建筑抗震设计,规范,GB50011-2010,和工程安评报告的不利值选择，设防地震和罕遇地震作,用计算可按照规范选择，如果经济条件许可，也可选择两者中较大结果用于,设计。,正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即,频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定。频谱特性可用地震影响系数,表征，每条地震波加速度时程曲线的有效持时和计算所得的底部剪力应符合,建筑抗震设计规范,的要求。,选波方式：,1,、地震波库。一般常用的结构分析软件均带有一些地震波数据，如,GSNAP,、,SATWE,等，若天然波数据不足或分析软件没有提供地震波数据，可登陆网站,下载国内外较权威的天然波数据。人工波可用软件生成。,结构设计中若干计算问题的处理方法,2,、按照条件筛选地震波。持时要求结构第一周期的,510,倍。,3,、校核频谱特性。可利用,SeismicSignal,软件将选取的地震波转换为反应谱曲,线，与规范的反应谱曲线对比，一般比较前六个周期的加速度。按规范选取,一定数量的人工波和天然波。（人工波与反应谱曲线吻合程度较高，原因是,人工波将足够多的具有不同周期的正弦波随机地叠加组合过程中不断地叠加修,正，使它的反应谱不断逼近设计反应谱。而天然波通过随机样本得到，具有更,多不确定因素，但天然波更能激发结构的高阶振型。）,结构设计中若干计算问题的处理方法,4,、通过弹性时程分析进行筛选。即输入地震波进行试算，对基底剪力和规范,要求的值进行对比，把不满足要求的过滤掉。,（每条地震波计算所得结构底部剪力不应小于反应谱的,65%,，不大于,135%,；,所有地震波底部剪力平均值不应小于反应谱,80%,，不大于,120%,）,结构设计中若干计算问题的处理方法,结构设计中若干计算问题的处理方法,二、楼梯参与结构抗震计算,汶川大地震被损坏建筑的一个特点是楼梯构件的破坏，影响了逃生通道,安全年，造成人员伤亡。以往结构设计中计算分析模型一般是不输入楼梯构,件的，将其等效为荷载加到周边构件。原因有两个：一是工程师普通认为楼,梯构件对结构受力影响不大，通过构造措施就可以保证安全；二是结构设计,软件没有提供楼梯参与整体分析的功能，若用通用有限元程序计算，比较麻,烦。,根据,2010,抗规的规定，结构计算中应考虑楼梯构件的影响。本条规定主,要是考虑到楼梯的梯板具有斜撑的受力状态，对框架结构整体刚度有较明显,的影响。,楼梯参与整体计算的常用设计软件如,ETABS,、,GSSAP,、,SATWE,等的实现,方法不尽相同，其中,GSSAP,、,SATWE,提供参数化建模，在整体计算中考虑楼,梯的影响较方便，,ETABS,为非参数化建模，要通过图形输入对楼梯进行建模。,结构设计中若干计算问题的处理方法,小结,1,、常用结构设计软件对于楼梯的建模，,GSSAP,和,SATWE,比较好用，可以参数,化建模，,ETABS,、,SAP2000,、,PERFORM-3D,等软件只能手工建模。,2,、楼梯参与框架结构整体空间分析直接影响到结构的抗侧刚度，对结构计算,结果会产生较大的影响，大量分析表面应考虑楼梯对框架结构的影响。,3,、随着楼梯位置从楼层对称轴位置向端部改变，地震作用下顶点位移、层间,位移角、层间位移比等逐渐增大。说明楼梯刚度对框架结构的扭转变形影响,很大。,4,、楼梯布置在端部会导致楼层刚心与质心偏离加大，对边柱和角柱不利。,5,、在大震下楼梯有效增加了结构的抗侧刚度，框架结构的梯梁、梯柱、梯,间角柱和梯板限于其他构件屈服并破坏，是结构较为薄弱的部位，设计时应,根据计算结果适当增强。,6,、对框架剪力墙结构，当楼梯支撑在同一片墙时，楼梯对结构的整体影响,较小；当支撑在两片短肢墙时，影响比较大，应该考虑。,结构设计中若干计算问题的处理方法,三、楼板假定问题,楼板是结构中量大面广的水平构件，它一方面承受着竖向荷载的作用，,将其上荷载及自重传递给柱、墙等构件，另一方面承受水平荷载（风、地震,等）作用，且也将水平作用传递给竖向构件。所以楼板既是重要的受力构件,也是重要的传力构件。由于楼板同时存在着面内和面外刚度，在结构分析中，,它的刚度假定对结构的整体刚度、对其他构件的内力都会产生较大的影响。,楼板的计算假定一般分为,4,种模型：刚性板、板单元、膜单元、壳单元。,其中刚性板是假定平面内刚度无限大，平面外刚度为零。即假定结构板每层有,3,个公共自由度（两个平移自由度和一个绕,Z,轴扭转自由度），大大减少了结构整体自由度数，使结构分析工作得到很大程度的简化。,板单元具有面外刚度，面内无限刚；膜单元仅有面内刚度，无面外刚度；壳单元是板单元和膜单元的叠加，同时有面内和面外刚度。,结构设计中若干计算问题的处理方法,刚性板,板单元,膜单元,壳单元,面外刚度,0,板刚度,0,板刚度,面内刚度,膜刚度,膜刚度,适用范围,楼面整体性较好，面内变形小,厚板转换；筏板基础等,与刚性板接近，考虑为弹性,转换层板；斜板，曲面壳等,对普通工程楼板采用上述单元计算时，对结构整体结果影响不大，但是,对构件内力的影响较大，特别是对梁内力。刚性板与膜单元接近，壳单元与,板单元接近。所以结构设计中必须根据楼板的形式，正确选用相应的楼板单,元计算。,