结构工程设计概要

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1、高层建筑结构分析与设计 要点编写：赵新启1、选择合理的计算分析模型 2、识别计算模型的局限性和适应性3、计算结果的判断与处理4、通过周期比及位移比判断结构平面 规则性1、选择合理的计算分析模型分析模型由以下三部分组成： 1）、建立模型（模型不同于原型） 2）、施加载荷（载荷不可知） 3）、使用材料抵抗外力（材料属性是 离散的）1.1、结构的初始分析v当拿到一个建筑结构时，首先要分析结构特殊性 。v特殊性往往是指结构的薄弱部位，设计时需要特 别注意（或需要加强）的部位，特殊的结构形式 ，如：v大底盘多塔结构； v造成塔之间相互影响，且上下刚度突变。v错层结构； v造成大量的越层柱，楼板错位使得水

2、平荷载传递 中断，产生刚度突变以及薄弱部位。v转换层结构； v造成上下刚度突变，竖向荷载传递中断，产生薄弱层；v板柱结构； v形成框架的刚度很弱，不能抵抗较大的水平力，需要加 剪力墙才能抵抗较大的水平荷载；v楼板弱连接； v楼板整体性差，水平力作用将产生弱连接处的应力集中 。v特殊连接方式； v偏心梁托柱、墙；大截面柱产生的刚性梁、上部大梁的向 下的吊柱、悬臂梁抬柱、短肢墙的单元划分、洞口不对齐 ，等等。v结构的特殊性往往与结构的刚度特征、传力方式、荷载作 用、受力变形等有关。v结构的特殊性反应在结构的分析模型，通过建模来合理地 实现这种特殊性。v结构的特殊性大多也是结构的薄弱部位，所以需要合

3、理的 简化、设计时需要特别的加强。有吊柱的结构，在恒载计算 时不能采用“模拟施工”的方 法，只能用“一次性加载”。吊车厂房结构附属框架地震、风可能的 最不利作用方向1.2。计算模型的选择v对于常见的梁、柱、支撑构件； v一般选用杆系模型，即杆单元模型，或称一维单元模型。v对于剪力墙、楼板构件； v一般选用壳元模型，或称二维单元模型。 v对于板柱结构，在整体分析时； v楼板可模拟成宽扁梁（即柱上板带）模型；也可以按弹性 楼板分析（弹性板6，壳元），但是要注意楼板的单元划 分。 v对于顶部为平板网架的部分； v网架部分可以按一个超大房间定义，并采用刚性楼板的分 析模型，整体计算不得输入网架画蛇添足

4、。v对于有斜坡梁的结构； v分析时，不能按“强制刚性楼板假定”来分析。且平面部 分也最好考虑弹性楼板的分析模型。v对于有超多小塔的多塔结构； v由于程序允许的刚性板数有限，可以采用定义弹性楼板 的分析模型来避开这个限制。v对于复杂错层结构； v宜采用全楼弹性楼板的分析模型。v对于上连的多塔结构； v上部连体部分在整体分析时，宜采用弹性楼板的分析模 型。v复杂的连接部位：v对于超短梁，或在柱截面范围内的梁； v应按刚性梁模型分析。v对于框支转换大梁； v由于需要与上部剪力墙变形协调，所以单元划分应尽量 细。但即使如此，仍不能避免两种模型协调上的差异， 造成应力集中，此时可以采用平面有限元的计算模

5、型， 补充分析。v对于墙与转换梁偏心连接； v可以加刚性梁来考虑偏心传力对托梁产生的整体扭矩。v对于超短柱； v应尽量避免，容易产生应力集中。214356789101112 131415161718刚性板块或塔数太多定义弹性板，避开刚性板数的限制v屋架的模型简化 。刚性杆或采用 刚性楼板假定柱顶铰接屋盖计算 模型简化v平板网架的模型简化。定义超大房间按刚性 楼板假定分析网架荷载按均布 作用到四周v网壳的模型简化 。网壳荷载按集中 力作用到四周超大房间按板 厚为0考虑，忽 略水平刚度注意网壳传给四 周的水平推力v合理的计算模型，应根据实际工程的情况确定。（不一 定有统一的模式）v合理的计算模型，

6、主要要满足结构刚度、传力特点。并 能较好地反映结构的变形特征。即使有简化误差，也应 该限制在局部的范围。v计算模型的正确与否，是结构分析的前提。在建模时就 时时体现贯彻这点，建模不是几何模型（搭积木），而 是力学计算模型，力学模型讲求简单明了。如果计算模 型简化错误，则后面的分析均失效。v力学模型是由：点（连接点）、线（线刚度）、面（壳 刚度）所组成。连接、传力均以节点为准。1.3。连梁、刚性梁、转换大梁的分析模型v由剪力墙开洞产生的连梁v梁刚度模型采用壳元、刚度与单元划分有关、刚度只能折 减不能放大、不做负弯矩调幅和扭矩的折减。v这种采用二维单元模型的连梁，与两端的剪力墙协调性较 好，刚度的

7、准确性很依赖于单元的划分，所以，当其跨高 比较大时，应加细单元的划分。如果单元加密有限制，则 可以采用框架梁单元较为合理。v连梁的单元划分也会影响到两端墙体的单元划分。v用框架梁定义的连梁v梁刚度采用一维杆模型，连梁的属性可以修改。按连梁 则刚度只可以折减；按框架梁则刚度可以放大、可以做 负弯矩调幅以及扭矩的折减。v与两端剪力墙协调性较差，只有一个节点。当跨高比较 小时，刚度估计偏小。连梁的计算模型连梁作为一种重要的、敏感的结构刚度调节器，其分析模型 的合理性会影响到整个结构的分析结果。连梁按壳元进行划分单元方式的有限元分析模型，如果单元 划分可以很细，则连梁跨高比再大，计算结果也是正确的。当

8、单元划分受到限制，对跨高比较大的连梁，由于单元划分 不够细，将造成较大的分析误差。（与形函数有关）为此， 可以按以下方式处理：当跨高比大于5时，连梁按框架梁输入、分析。 当跨高比小于2.5时，连梁按壳元（洞口）输入、分析。 当跨高比介于5和2.5之间时，按壳元（洞口）分析，应细化 单元划分；按框架梁分析，结构刚度将偏柔。连梁的单元划分连梁与墙的协调节点框架梁与墙的协调节点v刚性梁广义称谓刚性杆，是一种不能自身变形，但 能刚体位移的构件。v刚性杆普遍用于结构分析中，但是在结构分析中，不能 有太多的刚性杆。因为刚性杆的刚度要远大于正常的结 构刚度，使得结构刚度在局部产生病态，容易造成局部 失真。v

9、程序控制超短构件，对小于0.2m的构件，取0.2m的长度 。v要区别刚性杆与杆件的刚域，两者的工作原理略有不同 。v刚性杆、带刚域的杆，不同的工作原理和区别：刚性梁和刚域的区别v刚性梁可以独立位移，但不变形。主要起到传递位移和力 的作用。与构件变形不协调。即不符合变形协调条件。v刚域则需要依附于构件，本身也不变形，但随构件变形而 移动。与构件变形协调。v刚性梁与刚域作用是一样的，但效果不一定相同，两者不 能互换。刚性梁使局部转角增加 ，弯矩增加垂直于构件的刚域也会使 局部转角增加，弯矩增加沿着构件的刚域不会使局 部转角增加，弯矩增加柱内多节点的连接v当柱范围内有多节点时，应加柱内小梁，以封闭房

10、间。该 小梁程序自动定义为刚性梁。应定义两根小梁，以封闭房间 程序自动确认为刚性梁柱定位点一根柱抬两根柱v此时，需要加刚性梁。加两根刚性梁加一根刚性梁牛腿一根梁抬两片墙 v此时，只能简化处理。转换大梁上建三根轴线，如下图所 示：中轴线定义 宽转换梁上下两根轴线定 义上部剪力墙建若干竖向轴线 定义刚性梁上部墙与下部刚性 梁交点刚性梁与转换梁 的交点对柱边的短梁，也可以采用定义 刚性梁的方法超过梁宽范围产生短梁，此时 才是真正的短梁，应尽量避免 ，因为应力过于集中。对柱边 短梁可以采用加宽、加掖等方 法。柱边短梁加宽柱边短梁加掖梁柱偏心的计算模型v当梁柱偏心时，程序自动加刚域，来考虑偏心产生的附加

11、 弯矩。 v也可以通过人工设置刚性梁来实现。梁的计算模型梁的刚域 梁端剪力转换为柱端 轴力和弯矩上下柱偏心的计算模型v当上下柱形心偏心连接时，程序自动加刚域，来考虑偏心 产生的附加弯矩。柱水平刚域上柱轴力转换为下柱的 轴力和弯矩梁抬墙的偏心问题v当转换梁抬偏心墙时，一般认为在竖向力作用下，墙对下 部转换梁作用一个大的扭矩。但事实上扭矩并不大，因为 扭矩是由梁两端转角不协调所产生，上部墙体虽然偏心， 但它给下部的梁柱作用的是一个同向的弯曲，所以，偏心 的效果都转化为两边柱的附加弯矩了。上部墙偏心将主要产生 下部柱的附加弯矩v转换大梁往往占据了一层的层高，并且还开有部分洞口。v转换大梁属于一种特殊

12、的转换方式，上部托剪力墙或密排 柱。v转换大梁上下有两层楼板与之连接，所以具有足够的面外 稳定性。v转换大梁的开洞，应该避开应力集中区。模型一模型二柱竖向刚域按墙定义按大梁定义v一般这种超大梁占有一层的高度，分析模型与构件的配筋 模型难以统一，所以采用两次分析用不同的计算模型来解 决问题。v模型一：梁所占有的一层仍按一层输入，大梁按剪力墙定 义，此时可以正确分析整体结构及构件内力，除大梁（用 剪力墙输入）的配筋不能用以外，其余构件的配筋均能参 考采用。v模型二：把大梁作为一层输入，即两层合并为一层，大梁 则按梁定义，层高为两层之和，这种计算模型仅用于考察 、计算大托梁受力、配筋，其余构件及结构

13、整体分析的结 果可以不用参考。层高的增加使柱的计算长度增加，此时 程序自动考虑柱上端的刚域，亦使结构分析准确。也可以 用FEQ进行二次分析。2.1。复杂洞口的处理v当剪力墙开洞复杂时，洞口附近的应力状态也复杂，整体 计算时，需要简化。对特别复杂的洞口关系，还需要采用 应力分析的方法。v连梁的受力也与洞口密切相关。v一方面：不管洞口多么复杂，只要剪力墙单元划分合理， 结构刚度分析的准确性还是有保证的；v另一方面：由于复杂洞口，造成结构构件特征（如梁、柱 属性）不明显，如：看似梁但又不受弯而以剪切变形为主 ，反之亦然。v所以，最后往往归集到设计问题。v对于特别复杂的开洞墙，可以采用FEQ补充分析。

14、并且通 过应力分析来掌握复杂洞口的应力分布。v剪力墙设计控制截面的位置，一般取墙柱在洞口上下方的 截面。但是应避开上下角点的应力集中区。v对于小开口墙，整体刚度分析时，可以不考虑其影响。在 施工图设计时，局部加强即可。v洞口产生的连梁，其刚度对结构整体影响很大，所以，合 理分析模型是正确分析的前提保证。对于复杂洞口来说， 局部的简化是有必要的，但是，简化模型不能使得结构整 体分析误差增大。v当洞口处应力复杂时，应考虑斜向配筋。以防洞口角部开 裂。2.2。楼板与墙体单元划分的协调v当考虑弹性楼板时，楼板单元划分是否需要与墙单元协调 ，这是需要讨论的问题。v对于二维单元来说，单元节点的位移协调模式

15、，是很关键 的问题。v剪力墙单元划分上下节点的协调： SATWE采用协调划分，自动化份难度较大。有时上下 洞口太复杂，造成单元自动化分局部不合理，而产生部 分不协调节点。如果不协调节点在墙中部，问题不大； 在端部，则会增大分析误差。 PMSAP采用两个端点协调，中部采用广义协调的方式 。没有不协调节点。广义协调函数是关键。SATWE上下墙节 点要求协调PMSAP上下墙可以采用附加位移 函数作为约束条件的广义协调广义协调位 移函数曲线墙-墙上下边界的节点协调v剪力墙单元划分左右节点的协调： SATWE采用协调划分，自动化份难度不大。一般不会 产生不协调节点。左右节点的协调，没有考虑与边框 柱中间

16、的协调。 PMSAP同样采用两个端点协调，中部采用广义协调的 方式。并且考虑了与边框柱的中部协调。墙-墙左右边界的节点协调PMSAP上下采用节 点协调，中部采用 广义协调位移函数 曲线SATWE采用 节点协调v楼板单元划分左右节点的协调： SATWE楼板单元划分很简单，一般只划分一个单元， 对异形房间会多划分成几个单元。由于没有中间结点 ，所以没有协调问题。单元化分粗。这种简单的楼板 划分只适用于整体结构的分析。 PMSAP采用三角形单元的精细划分，板与板之间的中 部节点采用广义协调的方式。并且可以考虑与梁的中 部协调。楼板边界的节点协调SATWE楼板单元划分不增加周边梁墙的划 分节点，楼板刚度只对控制节点有贡献。PMSAP楼板单元划分增加周边梁墙的划分 节点，楼板刚度可以控制是否与梁墙协调。v楼板单元划分与剪力墙单元划分节点的协调： SATWE楼板单元划分，只与剪力墙在房间楼板的节点 上协调。 PMSAP楼板单元划分，与剪力墙之间可以采用广义协 调的方式进行位移协调。楼板与墙边界的节点协调SATWE楼板单元划分不增加周边梁墙的划 分节点，楼