概念设计结构措施(3)

2020-02-22 12:49

面结构空间协同分析模型;另一类为三维空间有限元分析模型。 1) 平面结构空间协同分析模型。将结构划分若干片正交或斜交的平面抗侧力结构,但对任意方向的水平荷载和水平地震作用,所有正交或斜交的抗侧力结构均参与工作,并按空间位移协调条件进行水平力的分配。楼板假定在其自身平面内刚度无限大。这一分析模型目前已经很少采用。其主要适用于平面布置较为规则的框架结构、框-剪结构、剪力墙结构等。

2) 三维空间有限元分析模型。将建筑结构作为空间体系,梁、柱、支撑均采用空间杆单元,剪力墙单元模型目前国内有薄壁杆件模型、空间膜元模型、板壳单元模型以及墙组元模型。楼板可假定为弹性,也可假定在其自身平面内刚度无限大,还可假定楼板分块无限刚。该模型以节点位移为未知量,由矩阵位移法形成线性方程组求解。

3、常用结构计算软件

多、高层结构的基本受力构件有柱、梁、支撑、剪力墙和楼板。柱、梁及支撑均为一维构件,可用空间杆单元来模拟其受力状态。空间杆单元的每个端点有6个自由度,即3个平动自由度和3个转角自由度。对一维构件,各种有限元分析软件对这类构件的模型化假定差异不大。剪力墙和普通楼板均为二维构件,这两种构件的模型化假定是关键,它直接决定了多、高层结构分析

模型的科学性,同时也决定了软件分析结果的精度和可信度。目前国内外流行的几个结构计算软件对剪力墙和楼板的模型化假定差异较大。现进行分述。

3.1 TAT结构计算软件

TAT是由中国建筑科学研究院开发的建筑结构专用软件,采用菜单操作,图形化输入几何数据和荷载数据。程序对剪力墙采用开口薄壁杆件模型,并假定楼板在平面内刚度无限大,平面外刚度为零。这使得结构的自由度大为减少,计算分析得到一定程度的简化,从而大大提高了计算效率。薄壁杆件模型采用开口薄壁杆件理论,将整个平面联肢墙或整个空间剪力墙模拟为开口薄壁杆件,每个杆件有两个端点,每个端点有7个自由度,前6个自由度的含义与空间杆单元相同,第7个自由度是用来描述薄壁杆件截面翘曲的。开口薄壁杆件模型的基本假定为: 1) 在线弹性条件下,杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持不变,在平面外可以翘曲,同时忽略其剪切变形的影响。这一假定实际上增大了结构的刚度,薄壁杆件单元及其墙肢越多,则结构刚度增大的程度越高。

2) 将同一层彼此相连的剪力墙墙肢作为一个薄壁杆件单元,将上下层剪力墙洞口之间的部分作为连梁单元。这一假定将实际结构中连梁对墙肢的线约束简化为点约束,削弱了连梁对墙肢的约束,从而消弱了结构的刚度。连梁越多,连梁的高度越大,则结

构刚度消弱越大。

3) 引入楼板在其自身平面内刚度无限大,而平面外刚度为零的假定。

实际工程中许多布置复杂的剪力墙难以满足薄壁杆件模型的基本假定,从而使计算结果难以满足工程设计的精度要求。 1) 变截面的剪力墙:在平面布置复杂的建筑结构中,常存在薄壁杆件交叉连接、彼此相连的薄壁杆件截面不同,甚至差异较大的情况。由于这些薄壁杆件的扇形坐标不同,其翘曲角的含义也不同,因而由截面翘曲而引起的纵向位移不易协调,会导致一定的计算误差。

2) 长墙、矮墙:由于薄壁杆件模型不考虑剪切变形的影响,而长墙、矮墙是以剪切变形为主的构件,其几何尺寸也难以满足薄壁杆件的基本要求,采用薄壁杆件理论分析这些剪力墙时,存在着较大的模型化误差。

3) 多肢剪力墙:薄壁杆件模型的一个基本假定就是认为杆件截面外形轮廓线在自身平面内保持不变,在墙肢较多的情况下,该假定会导致较大误差。

4) 框支剪力墙:框支剪力墙和转换梁在其交接面上是线变形协调的,而采用薄壁杆件理论分析框支墙时,由于薄壁杆件是以点传力的,作为一个薄壁杆件的框支墙只有一点和转换梁的某点是变形协调的,这必然会带来较大的计算误差。

5) 框架梁与剪力墙的连接:在一般情况下和剪力墙垂直相连的

框架梁,其受剪力墙的约束并不强,梁这一端的弯矩一般并不大,但用薄壁杆件理论分析剪力墙时,梁要通过刚臂与薄壁杆件的剪心相连,其结果是强化了剪力墙对梁端的嵌固作用,使梁端弯矩的计算值偏大。

6) 柱、墙上下偏心:程序将自动在上(薄壁) 柱的下端加一水平刚域,刚域的存在对结构整体刚度有较大的影响。

7) 对悬挑剪力墙、无楼板约束的剪力墙等也不适合采用薄壁杆件单元计算。

TAT软件适合于框架、框架- 剪力墙、剪力墙及筒体结构,但应用时应根据结构的实际情况对剪力墙进行处理以减小计算误差。

1) 剪力墙的输入处理:对长度超过8m的剪力墙和多肢剪力墙应在适当的位置,按照使每个薄壁柱的刚度尽量均匀的原则人为设置计算洞口,这样可使薄壁柱的受力更符合实际。当洞口较小时,在实际施工时按无洞处理。

2) 剪力墙洞口的处理:因为TAT采用薄壁柱模型,每层薄壁柱上下各有一个节点与上下层的柱、薄壁柱或无柱节点相连,通过这样的连系将上下层力传递计算,当上下层洞口不对齐时,由于洞口会切割一个薄壁柱为2个或更多,造成上下层节点不一一对应,使上下层传力混乱,这时应采用简化的方法进行处理。剪力墙洞口一般分对齐、开通、忽略三种处理方法。

3) 框支剪力墙的处理:对于框支剪力墙,用薄壁柱模拟的剪力

墙就有个传力问题,上部薄壁柱只能传力给下面一个点,而下部往往是由多个点来支撑上部剪力墙的,这时应对框支梁上部的剪力墙进行离散化处理,将计算产生的误差控制在局部平面内,这样才能在结构的整体分析中得到一个比较满意的结果,然后再利用高精度平面有限元程序对关键部位进行细致的内力分析。 TBSA 也是由中国建筑科学研究院开发的多、高层建筑的结构专用程序,其计算模型和原理与TAT相似,这里不再赘述。

3.2 SATWE结构计算软件

SATWE 是专门为多、高层建筑结构分析与设计而研制的空间结构有限元分析软件,适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土框架、框剪、剪力墙、筒体结构等,也适用于混凝土- 钢混合结构和高层钢结构。

SATWE是用墙元来模拟剪力墙。SATWE中的墙元是在板壳单元的基础上构造出的一种通用墙元,它采用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去,将其刚度凝聚到边界节点上,从而保证了墙元的精度和有限的出口自由度,而且墙元的每个节点都具有空间全部6个自由度,可以方便地与任意空间梁、柱单元连接,而无需任何附加约束,同时也降低了剪力墙的几何描述和板壳单元划分的难度,提高了分析效率。板壳单元是目前模拟剪力墙的最理想单元,SATWE选用这一单元并对墙元的细分和墙上开洞作了自动化处理。


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