计算分析建筑结构论文

2022-04-17

[摘要]当高层建筑的高宽比足够大时,结构的刚重比一般接近规范规定的下限值,甚至低于下限值,计算的刚重比的准确性就显得非常重要。着重分析了弯剪型结构整体稳定性验算时存在的问题,比较结构顶点位移在考虑重力P-Δ效应前后的变化,以及其与刚重比及结构屈曲临界荷载系数的关系,提出了补充验算结构整体稳定性的建议。下面是小编精心推荐的《计算分析建筑结构论文(精选3篇)》,仅供参考,大家一起来看看吧。

计算分析建筑结构论文 篇1:

浅析复杂建筑结构计算分析

摘 要:随着建筑高度的不断增加、建筑功能的更加多元化、以及建筑造型美观的不断拓展,建筑体型越来越新颖别致,使得现代建筑结构也越来越复杂。这些复杂建筑的大量涌现,其结构一般都是不规则的,有些是特别不规则的,从而使结构设计遇到了更多难点,因此对结构工程师也提出了更多的要求。计算分析是现代建筑结构设计中至关重要的一部分,随着高性能的计算机的出现和高效率数值方法的发展,也为各种复杂结构的准确分析和设计提供了可能。

关键词:复杂结构:静力分析;反应谱分析;时程分析:弹塑性分析;施工模拟

1前言

自20世纪80年代开始,特别是90年代及21世纪初,一批现代建筑以全新的面貌呈现在人们面前,随着建筑高度的不断增加、建筑功能的更加多元化、以及建筑造型美观的不断拓展,建筑体型越来越新颖别致,建筑师们设计出了许多体型复杂、内部空间多变的建筑,使得现代建筑结构也越来越复杂。这些复杂建筑的大量涌现,其结构一般都是不规则的,有些是特别不规则的,从而使结构设计遇到了更多难点,因此对结构工程师也提出了更多的要求。结构工程师们也发挥了自己的创造才能,为实现这些复杂建筑,从而陆续产生了许多能适应建筑师创新意识的多种复杂结构形式。

计算分析是现代建筑结构设计中至关重要的一部分,对于复杂建筑,计算分析更是结构设计中的重中之重。通过现已建成的大量复杂建筑,我们虽然具有了一定的理论基础和试验研究作为依据,但经受过强烈地震作用检验的结构并不多,因此,我们需要依靠计算分析对结构的抗震性能进行尽可能准确的模拟,确保结构安全,也避免因盲目造成的浪费。

随着高性能的计算机的出现和高效率数值方法的发展,也为各种复杂结构的准确分析和设计提供了可能。

2复杂建筑的结构体系

复杂建筑结构主要包括复杂高层建筑结构、大跨度空间结构和其它复杂建筑结构。这些结构可以采用钢筋混凝土结构、钢结构或者钢-混凝土混合结构。

复杂高层建筑结构可以分为带转换层高层建筑结构、带加强层高层建筑结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构、竖向收进和悬挑结构、平面不规则结构和其他两种或多种复杂性相结合的复杂结构。各种不同的复杂结构形式除了共同具有地震反应复杂之外,各自都还有着不同的受力特点。

带转换层的复杂高层建筑,由于竖向构件上下不连续,通过转换构件实现上下竖向构件的过渡,有些建筑通过转换构件实现建筑造型的收进和外挑,带转换层结构属于竖向刚度突变及竖向构件不连续的不规则体系。带转换层结构体系中转换构件以及和转换层关联的竖向构件受力复杂。

带加强层高层建筑结构,往往是框架一核心筒结构或巨型外框-内筒结构,根据需要在不同高度设置若干个加强层,以提高整体结构的侧向刚度。带加强层结构体系往往在加强层及附近楼层,由于结构刚度和内力均发生突变,内力相对复杂。

试验研究表明,平面规则的错层剪力墙结构使剪力墙形成错洞墙,结构竖向刚度不规则,对抗震不利,但对抗震性能的影响不是十分严重:平面布置不规则、扭转效应显著的错层剪力墙结构对抗震性能影响严重。错层框架或框架一剪力墙结构的抗震性能比错层剪力墙结构更差。竖向构件包括框架、剪力墙受力复杂。

连体结构由两栋或几栋建筑之间设置架空连接体而形成。连接体的跨度因建筑需要不等。连接体与主体结构的连接一般采用刚性连接,也有少数做成柔性连接的。连体结构竖向刚度突变,结构扭转效应大,且竖向与水平地震组合作用对连接体及其附近主体结构有不利影响,受力复杂。

多塔结构就是在一个大底盘上部有多个塔楼的建筑。多塔楼结构振型复杂,且高阶振型对结构内力的影响大,当各塔楼质量和刚度分布不均匀时,结构扭转振动反应大,高阶对内里的影响更为突出。当在大底盘设置转换层时,地震反应和受力更为复杂。

因建筑造型和功能的需要,建筑沿竖向收进的情况是经常的;悬挑结构则较为少见,世界上悬挑结构并不多,该结构体系竖向刚度突变,高振型影响较大,竖向地震作用反应明显,且对主体部分会附加较大的倾覆弯矩。主受力的竖向构件、水平构件和悬吊构件受力复杂。

平面不规则结构分三种情况:平面形状不规则、抗侧力构件布置不规则和楼盖连接薄弱。平面不规则结构在地震作用下扭转效应大,部分楼盖整体性和承载力较差,某些部位应力集中,非线性变形较大,薄弱部位较多,受力复杂。

其它复杂结构主要是不同复杂结构的组合,这些复杂结构的复杂性不言而喻。

大跨度结构因为公共建筑、体育场馆、机场等对建筑内部大空间的需求而产生。主要有大跨度桁架(张弦梁)结构、网架结构、壳体结构、索膜结构以及各种可以形成大空间的创新结构体系。这些结构一般对地震、温度、风荷载反应强烈,且可能由于局部构件或者局部受力较大的部位破坏而引起整体的快速倒塌。另外,节点刚度对整体刚度影响大,屈曲在该类建筑中也是必须引起重视的问题。

4复杂建筑的计算分析实例

下面以我院进行的几个复杂结构的计算分析为例,简单介绍一下复杂结构的计算的主要内容。

4.1广东省博物馆新馆

分析软件:MIDAS、ETABS、ANSYS、ABAQUS、PMSAP

工程简介:广东省博物馆新馆采用国内外应用的不多的新颖结构形式-大跨度悬挂结构体系。结构采用预应力钢桁架、内置钢管混凝土剪力墙作为主受力构件,下伸吊杆悬挂下面三层结构。

计算分析:由于结构体系的特殊性,我们采用了几个程序进行整体计算:MIDAS/GEN、ETABS、PMSAP(仅用于最初试算)。另外计算模式除了要结合使用时的模式进行模拟计算外,我们还对施工可能出现的各种工况进行了计算,比如悬挂结构的施工过程肯定与普通结构的施工过程是不一样的,那么模拟施工加载的非线性分析就与普通结构就有所不同。所以在计算软件的选取上除了要能进行准确的有限元分析外,还要能进行非线性计算,包括施工加载(主要是几何非线性)、温度效应、预应力、阻尼器等多方面的计算功能。与一般形式的结构体系不同,核心筒承担了整座大楼的地震作用,是结构抗震的唯一一道抗震防线,另外该结构形式整体重心偏高,导致水平地震作用的合力位置偏高,倾覆力矩过大。而且该结构对竖向振动很敏感,核心筒会受到顶部桁架的动力影响。这是该复杂结构较其他结构抗震性能差的几个方面。为了认识该剪力墙在小、中、大震作用下的破坏情况,对于受力特点如此复杂和特别的结构,仅仅进行第一阶段设计的小震弹性分析是远远不够的。为此我们在初步设计阶段采用MIDAS/GEN进行了弹塑性分析,施工图阶段采用ABAQUS进行了弹塑性分析,对该结构进行准确的抗震性能分析,为结构的安全提供坚实的理论依据。除了进行整体分析外,还针对上部的空间钢桁架进行了ANSYS分析,以及节点有限元分析。

4.2南京“金陵福光-中华第一楼”(筹建中)

分析软件:ETABS、MIDAS、ABAQUS、ANSYS。

工程简介:“金陵福光”主楼26万m2,檐口高度518m,筒中筒钢-混凝土组合结构,具体为带斜网撑的竖柱外框筒+钢筋混凝土剪力墙核心筒组成的简中简体系,体形收窄处,通过增设层间内斜撑、加强上下层框架梁刚度,形成双向巨型内桁架结构。

计算分析:利用ETABS、MIDAS对结构进行整体分析及静力弹塑性分析,利用AN-SYS对其关键节点进行实体非线性分析,采用ABAQUS进行动力弹塑性时程分析(动力弹塑性分析工作尚在进行中)。

5结语

计算机计算能力的不断提高和数值分析方法的不断改进,使得对各种复杂结构的准确分析和设计成为可能。但我们在进行复杂结构的计算分析之前,应充分弄清楚该结构的复杂特点,针对性的选取适合的计算软件,结合规范,尽可能采用不同模型的计算程序进行计算分析,取得尽可能接近真实的结构反应,为结构设计提供足够的计算依据。

参考文献:

[1]建筑抗震设计规范.GBS0011-2001.北京:中国建筑工业出版社,2001.

作者:田晓龙

计算分析建筑结构论文 篇2:

建筑结构稳定性计算分析研究

[摘要]当高层建筑的高宽比足够大时,结构的刚重比一般接近规范规定的下限值,甚至低于下限值,计算的刚重比的准确性就显得非常重要。着重分析了弯剪型结构整体稳定性验算时存在的问题,比较结构顶点位移在考虑重力 P-Δ 效应前后的变化,以及其与刚重比及结构屈曲临界荷载系数的关系,提出了补充验算结构整体稳定性的建议。

[关键词] 高层建筑; 整体稳定性; 刚重比; 结构顶点位移; 屈曲分析

引言

结构的整体稳定是高层建筑结构设计的基本要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3—2010)[1]( 以下简称《高规》) 以强制性条文的形式给出了高层建筑结构满足整体稳定性要求时的下限。结构的侧向刚度和重力荷载之比( 以下简称刚重比) 必须满足规定的数值,否则结构将在风荷载或水平地震作用下,由于重力荷载产生的二阶效应过大从而引起结构的失稳甚至倒塌。

《高规》规定,当结构的刚重比数值满足最低限值要求时,结构的整体稳定具有适宜的安全储备,但应考虑结构的重力二阶效应的不利影响。当结构的刚重比数值足够大时,结构的重力二阶效应已经很小,可以不计其不利影响。从以往的工程实践可以看出,绝大多数多层建筑及一般的高层建筑按《高规》第 5. 4. 4 条给出的计算公式来判断,其整体稳定性一般都满足刚重比限值的最低要求,甚至可以不计重力二阶效应的影响。但当高层建筑或超高层建筑的高宽比足够大时,计算的刚重比数值一般接近《高规》规定的下限,甚至低于下限数值。

1 剪切型结构的稳定性验算

剪切型结构失稳往往是整体楼层的失稳,纯框架的梁、柱因双曲率弯曲产生层间侧向位移,显现出整个楼层的屈曲。近似计算中,不考虑柱子轴向变形的影响,其临界荷重为

( 1)式中: 为层 i 的临界荷重,等于层 i 及其以上各楼层的重力荷载的总和; Di为层 i 的抗侧刚度,取该楼层剪力与层间位移的比值; hi为层 i 的层高。考虑重力二阶效应后,结构的侧移可近似用下式表示[2]:

( 2)式中: δ*i为考虑 P-Δ 效应的结构层 i 的层间位移; δi为未考虑 P-Δ 效应的结构层 i 的层间位移; 为层 i 及其以上各楼层的重力荷载的总和。在未考虑结构弹性刚度折减的情况下,重力P-Δ效应的楼层位移控制在 10% 以内时,结构的稳定具有适宜的安全储备。若刚重比进一步减小,则重力 P-Δ 效应将会呈非线性关系急剧增大,直至引起结构的整体失稳[1]。因此,结构整体稳定应满足下式: ( 3)将式( 3) 代入式( 2) 得: ( 4)将式( 4) 代入式( 1) 得: ( 5)剪切型结构每一层均要求满足式( 5) 。在结构的布置和重力荷载确定的前提下,可以计算得到各楼层的刚重比数值; 当结构布置发生变化或楼层重力荷载沿竖向分布发生变化时,各楼层的刚重比也同时相应改变。满足式( 5) 的要求,即表示结构的重力 P-Δ 效应控制在 10% 以内,结构的整体稳定性具有适宜的安全储备。采用式( 5) 判断剪切型结构稳定性可以较好地反映工程结构的实际情况。

2 弯剪型结构的稳定性验算

弯剪型结构包括剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构。

弯曲型悬臂杆的临界荷重可由欧拉公式求得: ( 6)式中: P cr为作用在悬臂杆顶部的竖向临界荷重; EJ为悬臂杆的弯曲刚度; H 为悬臂杆的高度。为简化计算,将作用在顶部的临界荷重 P cr以沿楼层均匀分布的重力荷载之和 取代[2] ( 7)将式( 7) 代入式( 6) 得: ( 8)近似计算中,弯剪型悬臂杆可用等效抗侧刚度EJd代替 EJ。作为临界荷重的近似公式,可对弯曲型和弯剪型悬臂杆统一表示为:

( 9)考虑重力 P-Δ 效应后,结构的侧移可近似用下式表示[2]:

( 10)式中 Δ*,Δ 分别为考虑重力 P-Δ 效应和不考虑重力P-Δ 效应的结构侧移。

同剪切型结构一样,重力 P-Δ 效应的楼层位移控制在 10% 以内,则:

( 11)将式( 11) ,( 9) 代入式( 10) 得:

( 12)计算结构的弹性等效侧向刚度 EJd时,近似按倒三角形分布荷载作用下的结构顶点位移相等的原则进行换算:

( 13)式中: q 为倒三角形分布荷载的最大值; μ 为结构顶点质心的弹性水平位移。

弯剪型结构验算整体稳定性时,按式( 12) 和式( 13) 进行验算。根据公式的推导过程,弯剪型结构在基本符合假定前提时,整体稳定性验算的结果才是可靠合理的。两个基本假定是: 1) 结构布置竖向均匀相同; 2) 楼层重力荷载竖向均匀分布。

但实际的高层建筑,一般是下部平面尺寸较大,且下部竖向构件截面尺寸较大,往上逐渐变小,楼层重力荷重也是下部大、上部小; 楼层层高也是沿竖向变化不均。将高层建筑假定为竖向均匀的悬臂构件,实际上存在较大的误差。如果这种误差足够大,将严重影响结构整体稳定性验算的结果。

在结构的几何布置和楼层荷载分布已确定的情况下,结构的刚重比应该是一个惟一确定的数值,若结构的几何布置或楼层荷载分布发生变化,其值也应发生变化。但是根据式( 12) 和式( 13) 计算刚重比时,只要结构的总重力荷载不变,无论楼层荷载沿竖向如何分布,刚重比数值均不变,这显然不符合实际情况; 在计算等效侧向刚度时,倒三角形分布荷载最大值按基底地震剪力和基底风荷载剪力两种方式换算时,也会得出不同的结果。

3 结构 P-Δ 效应的常用分析方法

在采用有限元位移法进行结构的线弹性分析时,如不考虑 P-Δ 效应影响,结构的平衡方程为: ( 14)式中: [K]为结构的初始线弹性刚度矩阵; { F} 为水平荷载向量; { μ} 为在{ F} 作用下的结构位移向量。在仅考虑 P-Δ 效应( 忽略 P-δ 效应) 的结构分析中,则结构的平衡方程可改写为: ( 15)式中: 为结构侧移变形导致构件几何参数变化引起的刚度矩阵变化量; 为考虑 P-Δ 效应影响的结构位移向量。

上述考虑 P-Δ 效应的计算方法称为基于几何刚度的有限元方法[3],目前的 SATWE 和 ETABS 软件即采用这种方法。

在 SATWE 软件中,计算结构的刚重比时,是将基底的地震剪力按倒三角形分布换算得到结构顶部水平荷载最大值 q,然后得到结构等效侧向刚度。

4 结语

对于以弯剪型变形为主的高层建筑结构,当计算的刚重比数值接近规范的下限时,仅仅采用《高规》的方法验算结构整体稳定性已不能得出准确的判断。按地震力换算得到的结构等效侧向刚度往往与按风荷载换算的不同,应采用两种水平力作用方式计算结构刚重比,并取其不利的结果来判断结构的整体稳定性。

参考文献

[1] JGJ 3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2011.

[2] 徐培福,肖从真.高层建筑混凝土结构的稳定设计[J]. 建筑结构,2001,31( 8) : 69-72.

[3] 李云贵,黄吉锋. 混凝土结构重力二阶效应分析[C]/ /第二十届全国高层建筑结构学术交流会论文集,2008.

作者:王乐

计算分析建筑结构论文 篇3:

Excel在建筑结构计算中的应用及实例分析

摘要:本文对Excel软件作了简单的介绍,并通过对单筋截面梁配筋计算的实例分析介绍了Excel软件在建筑结构计算中的应用。

关键词:结构计算电子表格Excel

在建筑结构设计中,结构计算是必不可少的一个重要环节,结构计算书也是结构设计的重要文件,例如在施工图审查时结构专业必须提供相应的结构计算书。虽然结构整体受力分析目前都已采用专业软件来完成,但是局部构件的受力计算、构件截面设计、其他相关的复核及计算采用手工计算还是必不可少的。

结构专业的设计规范很多,计算公式也很多,并且有些公式相当繁琐,采用纯粹的手工计算可能是相当费时的,并且也很容易出错。Excel软件是数据处理与计算的工具,其在数值分析及图表上的强大功能越来越多地应用到土木工程及相关工程领域中。运用Excel进行参数化的计算,能有效提高设计者的工作效率。

1 EXCEL简介

Excel是微软公司的办公软件Microsoft Office的组件之一,直观的界面、出色的计算功能和图表工具,使Excel成为最流行的微机数据处理软件。

下面介绍一下Excel软件中的常用概念。

Excel中的函数是预先编写的公式,可以对一个或多个值执行运算,并返回一个或多个值。函数可以简化和缩短工作表中的公式,尤其在用公式执行很长或复杂的计算时。Excel中常用的函数有:if,and,or,vlookup以及常用的数学和三角函数等。

运算符是一个标记或符号,指定表达式内执行的计算的类型。有数学、比较、逻辑和引用运算符等。

常量是不进行计算的值,因此也不会发生变化。例如,数字 210 以及文本“每季度收入”都是常量。表达式以及表达式产生的值都不是常量。

公式是Excel工作表中进行数值计算的等式。公式输入是以“=”开始的。简单的公式有加、减、乘、除等计算。例如:=2*6-4;=A9+B15;=C4/B6。

复杂一些的公式可能包含函数、引用、运算符和常量。

下面以一个简单的计算来说明公式的结构:

“=AVERAGE(A4: D19)*E8+56”

这个公式计算的是“A4: D19”单元格区域的平均值乘以“E8”单元格代表的数值再加上56的结果。

函数:“AVERAGE()”为计算平均值的函数;

引用:“A4: D19”、“E8”为单元格引用;

运算符:“*”、“+”为运算符;

常量:此例中“56”为常量。

2 实例分析

下面通过单筋截面梁配筋计算的实例来分析Excel的具体应用方法。本实例的计算公式为混凝土结构设计规范中的公式。Excel的表格设计如表1:

表中灰色单元格为用户直接输入的数据,其他数据单元格为Excel通过用户输入的公式自动计算的结果,用户通过修改灰色单元格的数据,程序会自动更新相应的其他数据。表中部分数据单元格的公式如下:

单元格C8 的公式为“=IF(E4="C40",19.1,IF(E4="C35",16.7,IF(E4="C30",14.3)))”;

单元格C12的公式为“=C11*10^6/(C9*C8*C4*E9^2)”;

单元格C13的公式为“=(1+SQRT(1-2*C12))/2”;

单元格C14的公式为“=C11*10^6/(C13*E5*E9)”;

单元格C17的公式为“=PI()*(C15/2)^2*C16”;

单元格E16的公式为“=IF(E11>E15,"不满足","满足")”;

单元格E20的公式为“=IF(E19<0.01,0.01,E19)”;

单元格E23的公式为“=C6*E21*C20*(1.9*MIN(MAX(20,E22),65)+0.08*C22/E20)/E7”。

本例题的Excel表格再经完善,可作为单筋截面梁配筋计算的结构设计计算书。有了像这样的电子表格,结构设计者就不用每次重复手写同样格式的计算书了,并且也能保证计算的数据准确无误。

3 结语

通过对Excel软件的介绍及以上实例的分析,我们发现Excel软件是简单实用的工程计算工具。它不需要结构设计者具有专业的软件编程知识,只要对Excel的基本原理有所了解,能把具体的结构计算公式转化为Excel中的公式,能把传统手写结构计算书的格式转化为电子表格的格式,就能设计出各类的Excel电子表格结构计算书。如果读者能在实际工作中能经常使用Excel作为自己的计算工具,那么它必将有效地提高你的工作效率。

参考文献

[1] 王诚君,中文Excel 2003应用教程,清华大学出版社,2005.

[2] 混凝土结构设计规范,GB50010-2002.

作者:郑金根