高层建筑结构计算机分析方法和设计程序

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1、第11章高层建筑结构计算机分析方法和设计程序11.1概述目前，高层建筑结构日趋复杂，简化分析方法（包括手算）已不能很好地完成复杂结构的计算。另外，计算机技术迅速发展，结构计算和设计软件不断改进，为高层建筑结构计算和设计提供了强大的技术条件。因此，采用计算机方法进行高层建筑结构计算和设计已成为当前的主要手段。高层建筑结构的计算机分析方法，从原理上可分为三种：（1）将高层建筑结构离散为杆单元，再将杆单元集合成结构体系，采用矩阵位移法计算（或称为杆件有限元法）；（2）将高层建筑结构离散为杆单元、平面或空间

2、的墙、板单元，然后将这些单元集合成结构体系进行分析，称为组合结构法（或称为组合有限元法）；（3）将高层建筑结构离散为平面或空间的连续条元，并将这些条元集合成结构体系进行分析，称为有限条法。在上述三种方法中，杆件矩阵位移法应用得最为广泛，有限条法应用较少，组合有限元法近年来应用较多，此法被认为是对高层建筑结构进行较精确计算的通用方法。本章简要介绍前两种计算机方法的基本原理。11.2杆件有限元法11.2.1基本假定高层建筑是复杂的空间结构，对不同结构或要求不同的计算精度时，可采用不同的计算假定。（1）空

3、间结构或平面结构假定。将高层建筑结构视为空间结构时，其杆件是空间杆件，在平面内和平面外均具有刚度。对于一般梁、柱等空间杆件，每个杆端结点有6个自由度，即沿3个轴的位移u,v,w和绕3个轴的转角θ,θ,θ，见图11.2.1(a)。xyz对于剪力墙，如将其简化为带刚域杆件，则每个结点仍为6个自由度（类似于图11.2.1(a)）；如将其简化为空间薄壁杆件，则每个结点除上述的6个自由度外，还要增加一个翘曲自由度（即扭转角θω），总共有7个自由度：u,v,w,θx,θy,θz,θω，见图11.2.2(a)。截

4、面翘曲自由度对应着截面上的第七个内力——双力矩，如图11.2.2（b）所示，当剪力墙这样截面尺寸较大的薄壁杆件受扭时，截面总弯矩为零，总轴力也为零，但由于截面大，截面翘曲在翼缘上产生正应力——翘曲正应力，这些正应力总合力为零，总合力矩也为零，但在截面许多部位其应力都不为零。为考虑薄壁杆件受(2)扭时的这一特点，引入截面翘曲自由度及其对应的内力——双力矩Bω=MlkNm.，其中双力矩以力矩M乘以其距离l来表示。（a）（b）图11.2.1空间杆件和平面杆件1（a）（b）图11.2.2薄壁空间杆件及双力矩

5、示意图高层建筑结构按空间结构计算，比较符合实际情况，但结构的计算自由度和计算工作量均大幅度增加。对某些结构平面和立面布置比较规则的高层建筑结构，为减少计算工作量且计算精度降低不多时，可假定其为平面结构。即假定位于同一平面内的杆件组成的结构为平面结构，结构只在平面内具有刚度，平面外的刚度为零，结构是二维的，杆件的每个结点有3个独立的位移,w,uθ[图11.2.1(b)]。（2）弹性楼板或刚性楼板假定。在高层建筑的各层楼盖处，楼板把各个抗侧力构件联系在一起，共同受力。在水平荷载作用下，楼板相当于水平支撑

6、在各抗侧力构件上的水平梁，它在自身平面内具有一定刚度，因而会产生水平方向的变形，即楼板一般为弹性楼板。如按弹性楼板考虑，则同一楼板平面内的杆件两端有相对位移，结点的计算自由度都是独立的，整个结构体系的自由度数目和计算工作量均很大。如假定楼板在自身平面内为无限刚性，则在水平荷载作用下楼板不会产生平面内变形，此即刚性楼板假定。在刚性楼板假定下，同一楼板平面内的杆件两端没有相对位移，即平移自由度不独立，可大大减少计算自由度数目。当建筑物的楼盖面积较大，且楼板上无洞口或洞口（包括凹槽）面积较小时，楼板在自身

7、平面内的实际变形很小，刚性楼板假定是符合实际的。因而在实际工程计算中，大多数采用刚性楼板假定。（3）杆件具有轴向、弯曲、剪切和扭转刚度。对于高层建筑结构，构件轴向和弯曲变形一般应予以考虑；对剪力墙等截面高度较大的构件，其剪切变形的影响不宜忽略。因此，计算高层建筑结构的内力和位移时，一般应考虑杆件的轴向、弯曲、剪切和扭转变形。相应地，杆件应具有轴向、弯曲、剪切和扭转刚度。当采用平面结构的计算假定时，杆件仅具有轴向、弯曲和剪切刚度。11.2.2计算模型1．平面协同计算模型建筑结构都是由来自不同方向的杆件

8、组成的空间结构，能抵抗来自任意方向的荷载和作用。对于一般的框架、剪力墙和框架-剪力墙结构，为简化计算，其在水平荷载作用下的内力和位移计算可采用下列两条假定：（1）楼板在自身平面内为绝对刚性，在平面外的刚度为零。按此假定，在水平荷载作用下整个楼面在自身平面内作刚体移动和转动，各轴线上的抗侧力结构在同一楼层处具有相同的位移参数。（2）各轴线上的抗侧力结构在自身平面内的刚度远大于平面外刚度，即假定各抗侧力平面结构只在其平面内具有刚度，不考虑其平面外刚度。按此假定，整个结构体