高层钢结构分析计算软件及实例分析.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,3.3.1,高层钢结构的计算软件,3,.,3.2,武汉证券大厦高层钢结构抗震分析,第三讲 高层钢结构分析,(3),3.3,高层钢结构的计算软件与实例分析,1,目前国内的设计软件按使用的角度来分可以分为通用软件和专用软件。,通用软件特点：,通用软件技术成熟，计算过程中的假设与简化要少，计算精度高，以研究为基本点,用软件特点：,专用软件前后处理优越，使用简单，适合工程的计算，精度基本满足要求。,3.3.1,高层钢结构的计算软件,2,这类软件用于科研，可探讨结构模型，本构关系，多种形式的地震作用等等，但是和结构设计系统的配合不够，较少用于实际设计工作。另一方面，由于简化少，计算的耗时较大，特别是大规模建筑的弹塑性时程计算，在微机上还很难实现设计工作。,主要介绍：,ANSYS,、,SAP,、,ADINA,、,ABAQUS,、,MIDAS,、,MSC,系列（,NASTRAN,、,MARC,等）,3.3.1.1,通用软件介绍,3,ANSYS,是由美国,ANSYS,公司世界著名的力学分析专家,Dr.Swanson,率领科技人员多年研究开发,大型通用有限元分析软件,融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体,近几年在我国,以每年,20%,的增长率进入高等院校和科研单位,适用面广,支持多科操作系统和众多的图形设备,中间计算分析快捷,3.3.1.1,通用软件介绍,ANSYS,4,ANSYS,在建筑行业用到的功能主要有以下几大块组成：,静力分析,模态分析,谐波分析,瞬态动力分析,谱分析,曲屈分析,其中静力分析用的比较多，相对比较成熟，相对而言用,ANSYS,计算工程的动力分析的案例还很少。,3.3.1.1,通用软件介绍,ANSYS,5,E,L,Wilson,等开发的,SAP,程序系列，,在我国流行的有,SAP5,、,SAP84,、,SAP90,、,SAP2000,，功能相当强大，在,SAP84,的时候，已经开发的功能有：,三维框架跨间的多种分布荷载,可受扭矩的周对称单元,变截面直杆单元,曲杆单元,中厚板单元,剪力墙单元,8,结点非协调三维单元,8,21,结点三维等参单元,3.3.1.1,通用软件介绍,SAP,6,管道单元,配筋计算,地震反应谱,Ritz,向量法和分块,Ritz,向量法求固有振动,Lanczos,法固有振动,振型叠加法求动力响应,逐步积分法求动力响应,绘制彩色结构图、彩色振型图,高层建筑结构的地震作用和动力分析,3.3.1.1,通用软件介绍,SAP,7,ADINA,和,ADINAT,是两个可相互配合使用的结构分析和热分析程序系统。它是在美国麻省理工学院,K.J.Bathe,教授指导下，总结,SAP,和,NONSAP,程序编制经验，并结合有限元和计算方法的发展而研制成功的大型结构分析程序系统。,线性静力、动力问题,非线性静力、动力问题,稳态、瞬态温度问题,3.3.1.1,通用软件介绍,ADINA,8,ABAQUS,是一套功能强大的工程有限元软件，其解决问题的范围覆盖了从相对简单的线性分析到非常复杂的非线性问题。,ABAQUS,拥有丰富可模拟任意形状的单元库和与之对应的各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩高弹性的泡沫材料以及类似于土和岩石等地质材料。目前的最新版本是,6.4-2,。,3.3.1.1,通用软件介绍,ABAQUS,9,MIDAS Family Program,是以将结构设计各项工作的全过程自动化为目的而开发的软件包，包含：,MIDAS/Civil,土木结构专用结构分析以及优化设,MIDAS/Gen,土木、建筑部门通用结构分析以及优化设计,MIDAS/FEmodeler,迅速建模以及自动生成有限元网格的软件,MIDAS/BDS,建筑物专用结构分析以及优化设计,MIDAS/SDS,楼板、筏式基础的结构分析以及优化设计,MIDAS/SET,单体结构设计软件,MIDAS/ADS,剪力墙结构住宅楼的分析以及优化设计系统,3.3.1.1,通用软件介绍,MIDAS,10,MSC,公司自,1963,年开始从事计算机辅助工程领域,CAE,产品的开发和研究。,1969,年推出了其第一个,NASTRAN,版本,即我们所知的,NASTRAN Level 12,。,静力分析,屈曲分析,动力学分析,非线性分析,热传导分析,空气动力弹性及颤振分析,流,-,固耦合分析 等,3.3.1.1,通用软件介绍,NASTRAN,11,同样由,MSC,公司开发研究推出。,M,SC.MARC,是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。,线性,/,非线性静力分析,模态分析,简谐响应分析,频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静,/,动力接触、屈曲,/,失稳、失效和破坏分析等,为满足工业界和学术界的各种需求，提供了层次丰富、适应性强、能够在多种硬件平台上运行的系列产品。,3.3.1.1,通用软件介绍,MARC,12,这类软件基本上是凝聚在层模型的基础上进行简化的设计计算的，其优点是与设计程序配合密切，动力分析上简单实用，但是因为其中有较大简化，对于立面复杂的结构计算时存在出入。程序由于版权问题，核心技术上,“,黑箱,”,，不适合科研，很难把握其中个别构件的性能。,主要介绍：,TBSA&TAT,、,ETABS,、,SATWE&EPDA,3D3S,3.3.1.2,专用软件介绍,13,TSBA,是分析多层和高层钢筋混凝土结构的专用程序。采用空间杆薄壁杆系模型模拟高层建筑结构的各种构件，楼板采用面内无限刚性的假定，震动分析采用空间多质点串模型。,TAT,不但可以计算钢筋混凝土，而且针对高层钢结构特点，对水平支撑、垂直支撑、斜柱以及节点域的剪切变形等均作了考虑。可以直接进行动力时程分析和几何非线性分析。,3.3.1.2,专业软件介绍,TBSA&TAT,14,ETABS,程序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做弹性计算的程序。但是有明显的缺陷，比如没有考虑,P,效应，也不能将计算结构的总反应量的输出，但是这些缺陷在,ETABS,的微机版,Super,ETABS,上得以改进。,3.3.1.2,专业软件介绍,ETABS,15,中国建筑科学研究院,CAD,工程部推出了“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件,SATWE”,，它们均为含有新型高精度剪力墙单元的任意空间结构设计程序。,在,SATWE,的基础上，又开发了一套简单实用的建筑结构弹塑性动力、静力分析软件,EPDA,。,EPDA,软件是我国第一套商品化的弹塑性分析软件，可以按任意给定方向计算结构的弹塑性时程响应，适用于各种材料的高层及超高层建筑结构，包括钢筋混凝土结构、钢结构和钢与混凝土混合结构，同时，程序中还考虑了多塔、转换层等结构特性。为提高效率，,EPDA,软件中采用了改进的,PCG,法，提高计算效率十倍左右，这样，使,EPDA,的空间模型方法具有了更好的实用性，其动力时程分析采用的是,Wilson-,法。,3.3.1.2,专业软件介绍,SATWE&EPDA,16,3D3S,钢结构,CAD,软件是同济大学独立开发的一套建筑钢结构,CAD,软件，同济大学拥有完全知识产权。该软件在建筑钢结构设计领域具有独创性，填补了国内建筑钢结构设计工具软件的一个空白。截止,2004,年,12,月,31,日，,3D3S,的注册用户总数为,1480,家，基本覆盖了从事钢结构设计的专业设计院和国内知名钢结构企业。,主要面向工业、民用建筑设计院、钢结构设计制作企业、膜结构设计企业、幕墙制作企业、建筑科学研究单位、高等院校等单位。,3.3.1.2,专业软件介绍,3D3S,17,3.3.1.3,国内工程软件应用分析实例,工程名,工程概况,设计单位,程序,兰州国贸中心,地下,3,层地上,40,层的主塔楼和地下一层半，地上九层半的群房组成。上部结构是三十二层的钢筋混凝土核心筒外框架结构体系，总高度,109.8m,兰州铁道学院土木建筑学院,NLDYA,陕西信息大厦,52,层，地下,1,层，总高度,189.4m,，大厦总面积为,96800,米,2,。,8,度抗震，近震，,III,类场地。钢筋混凝土组合筒体结构。核心筒、角筒为钢混结构，外筒为型钢混凝土结构。,中国建筑西北建筑研究院,CANNY99,大连新世纪大厦,地上,39,层，总建筑面积,5.96,万,m,2,，框筒组合结构。,清华大学土木工程系,TAT,中国国家大剧院,建筑面积为,149520m,2,，主体结构为钢筋混凝土剪力墙为主，局部辅以钢管混凝土柱和预应力梁组成的框架结构,北京市建筑设计院,ANSYS,18,大连远洋大厦,51,层，地下,4,层，总高,200.80m,，大厦,A,座建筑面积,74048m,2,，,6,层以下为钢骨混凝土柱与钢筋混凝土梁组成的外框架，内筒为钢砼剪力墙。第,7,5l,层为钢结构外框、钢砼剪力墙核心筒。第,7,层为过渡层。,大连建筑设计研究院冶金部建筑研究总院设计,NBFA,武汉国际贸易中心,50,层，地下,2,层，高,192.6m,，主体为钢筋混凝土筒中筒结构。,武汉市建筑设计院；清华结构工程研究所,NTAMS,中国金融大厦,42,层，地下,2,层。主体结构高,138m,，钢筋混凝土框筒结构。第,20,、,35,、,36,层为刚性层。,7,度抗震，,IV,类场地。,上海第九设计院,ADINA,厦门武夷花园大厦,29,层，地下,1,层，高度,94,米，裙房,3,层，总建筑面积,26000m,2,。采用钢筋混凝土框剪结构型式，中心为落地核心筒，四周有落地剪力墙。,7,度抗震，,I,类场地。,福建省建筑设计院设计,TBSA,吉林市建业大厦,28,层，地下,1,层，高度,100.2m,，,(,包括旋转厅,),，建筑面积,15862m,2,，框架剪力墙结构体系，,7,度近震区，,II,类场地土。,吉林市建筑设计院,EPDA,广州天王中心大厦,46,层，地下,4,层，结构总高,179.25m,。主结构为钢筋混凝土巨型框架，次结构为框架结构。巨梁设于地下,2,层、地上,8,层、,21,层、,34,层。,广东省建筑设计院,NTAMS,兰州基隆大厦,写字楼,24,层，出屋面小塔楼,2,层，主体高,82.6m,；商住楼地上,21,层，出屋面小塔楼,2,层，主体高,69.0m,。总建筑面积,44436m,2,。写字楼和商住楼下部由,5,层商场将两高层连成一体,甘肃省建筑设计研究院,TBDYNA,19,3,.,3.2,武汉证券大厦高层钢结构抗震分析,工程概况：,武汉国际证券大厦是武汉香利房地产开发公司投资开发的超高层钢结构综合建筑,为武汉第一高楼,是华中地区首家钢结构大楼,也是武汉的标志性建筑。,结构主体高度为,281.3 m,建筑顶部设置,50 m,高的通讯天线,建筑最大高度为,331.3 m,。结构地下,3,层,地上,68,层,高宽比为,5.9,。建筑面积,12,万平方米,。,20,3,.,3.2,武汉证券大厦高层钢结构抗震分析,建筑平面图,建筑剖面图,21,3,.,3.2,武汉证券大厦高层钢结构抗震分析,工程特点：,本工程原设计为,48,层的钢筋混凝土筒中筒结构,混凝土结构施工至第,7,层时,按业主要求,调整为,68,层的框架,-,支撑钢结构,为满足高层钢结构设计原则,对已经施工的混凝土结构进行过渡处理,8,层到,12,层为过渡区域。,12,层以上为钢结构部分,采用外框钢管混凝土柱,内筒钢柱,-,中心支撑和偏心支撑体系,楼板为压型钢板组合楼盖。,建筑的,1,40,层为办公楼,(,首层层高为,10.8 m,标准层高,3.6 m),41,67,层为酒店,(,标准层高,3.2 m),68,层为观光层。在,25,、,43,、,65,层设有水平加强层。,22,截面尺寸,23,设计条件,抗震设防烈度,:7,度。建筑抗震设防类别,:,丙类。结构安全等级一级。,类场地,;,场地土类型,:,中软场地土。,计算假定,如下,:,(1),材料模型取理想弹塑性模型,;,(2),考虑到地下室为箱型结构,刚度大,地基的嵌固作用也较强,所以视基础底面和三层地下室的周边为完全嵌固,;,(3),钢管混凝土和钢骨混凝土按照刚度等效原则进行折算,;,(4),加强层上下楼面按弹性楼板、薄壳单元来考虑,其他简化为平面内无限刚性。,24,单元选择与模型规模,单元选择,ANSYS,有限元建模采用,beam4,单元,(,梁柱,),、,shell43(,楼板,),和,mass21(,质量块,),模型规模,71294,个单元,48741,个节点。,25,周期计算（前,30,阶）,26,振型图,27,地震响应分析,计算方法,：,(1),振型分解反应谱法,中国地震局地震研究所对武汉国际证券大厦建筑场地提供设计反应谱,阻尼比=0.02,(2),时程分析方法,7 度抗震,，,根据场地条件,分,别就El-Centro波,Taft 波和两条人,工波拟合地震波(中国地震动研究,所提供)进行单向输入计算。采用ANSYS 软件的瞬态结构分析技术,根据计算速度和对计算机硬件的需求,取迭代求解方式为,PCG 方式,。,28,振型分解反应谱法计算结果,结构底部剪力计算结果：,SATWE,的计算结果,X,与,Y,方向均以规范要求的最小剪重比,1.2%,为控制要求,结构的基底剪力为,20640.60 kN,与,ANSYS,比较,计算结果吻合良好。,29,振型分解反应谱法计算结果,振型分解反应谱法得出的结构在单向地震作用下的层间位移,30,振型分解反应谱法结论,(1),结构的,X,方向底部剪力和,Y,方向底部剪力数值相差小,表明结构在两个水平主轴方向的刚度大致相同,其相应的地震作用计算结果也大致接近。,(2),结构的基底剪力系数值在结构的正常范围内,结构设计合理。,(3),一维和二维地震作用下的计算结果相差,42%,而二维和三维地震的结果相差,9%,可见竖向地震对结构的作用较小。,(4),结构在,7,度地震作用下,最大层间位移为,1/611,侧向刚度满足抗震规范的要求,;,(5),在水平加强层的位置,结构刚度大,水平位移明显减小,;,(6),结构的下部,7,层为钢筋混凝土筒中筒结构,除首层层高大,侧向位移较大外,结构呈现弯曲变形特性,随着高度增大,剪切变形成分加大,;,(7)38 39,层区域,是办公楼向酒店的过渡区域,为结构的薄弱区,该位置层间位移角达到最大值。,31,时程分析法计算结果,计算El-Centor 波得到的基底剪力为9804.5 kN,是反应谱方法得到的数值的一半,结构安全,由其他地震波可以计算得到相同的结论,。,弹性时程分析时,在不同的地震波作用下,楼层水平位移的包络图响应曲线,如下页图。,32,时程分析法计算结果,33,时程分析法计算结果,楼层水平加速度放大系数曲线,34,时程分析法计算结果,X,向地震波作用下时程分析结果,35,时程分析法计算结果,Y,向地震波作用下时程分析结果,36,时程分析法结论,(1),结构的时程分析可以得到结构随着时间变化的楼层位移曲线。结构在单向地震波作用下的表现反映出地震波的随机性,统计规律表明,X,方向的侧向位移要大于,Y,方向的侧向位移。,(2),时程计算在整体特征方面,与振型分解反应谱法接近,且揭示了振型分解反应谱法无法反映的局部地震反应特征,如局部反应力的异常,结构顶层的反应增大,鞭梢作用明显。,(3),在,8 15,层的位置,结构的加速度达到峰值,这个位置是混凝土结构和钢结构的过渡区域,是结构的薄弱环节,该位置需要采取构造措施进行特别处理。,(4),使所采用的加速度时程曲线,其加速度峰值相同,但每条地震波均有其特性的频谱,按不同波形计算出的结构地震反应存在较大的差别,应取多条地震波计算结构的平均值。,37,比较及结论,(1),有限元软件,ANSYS,可以用于超高层钢结构建筑的抗震性能分析,相对于专业软件而言,假设少,适于科研,为大型复杂结构的全面分析提供了高效、可靠的计算平台。,(2),从结构的动力特性可以得到,扭转效应对结构的影响不明显,抗扭刚度满足要求,;,竖向振型表现不明显。,(3),振型分解反应谱法计算超高层建筑时,需要考虑高阶振型的影响,选择合适数量的振型。多维地震作用对结构的基底剪力及水平位移都有较大的影响,对于超高层钢结构,为全面把握结构的抗震性,能,考虑地震的多维作用效应是非常必要的。,(,4,)时程分析方法可以观测结构地震响应的全过程曲线,是反应谱方法的有效补充。结构在不同地震波下响应差异较大,对地震波的选取以及选取的数量都必须予以重视。,38,