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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,当拿到一个建筑结构时，首先要分析结构特殊性。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：大底盘多塔结构； 造成塔之间相互影响，且上下刚度突变。错层结构； 造成大量的越层柱，楼板错位使得水平荷载传递
2、中断，产生刚度突变以及薄弱部位。,转换层结构； 造成上下刚度突变，竖向荷载传递中断，产生薄弱层；板柱结构； 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；楼板弱连接； 楼板整体性差，水平力作用将产生弱连接处的应力集中。,特殊连接方式； 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。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。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。结构的特殊性大多也是结构的薄弱部位，所以需要合理的简化、设计时需要特别的加强。,有吊柱的
3、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,对于常见的梁、柱、支撑构件； 一般选用杆系模型，即杆单元模型，或称一维单元模型。对于剪力墙、楼板构件； 一般选用壳元模型，或称二维单元模型。 对于板柱结构，在整体分析时； 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。 对于顶部为平板网架的部分； 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。,对于有斜坡梁的结构； 分析时，不能按“强制刚性楼板假定”来
4、分析。且平面部分也最好考虑弹性楼板的分析模型。对于有超多小塔的多塔结构； 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。对于复杂错层结构； 宜采用全楼弹性楼板的分析模型。对于上连的多塔结构； 上部连体部分在整体分析时，宜采用弹性楼板的分析模型。,复杂的连接部位：对于超短梁，或在柱截面范围内的梁； 应按刚性梁模型分析。对于框支转换大梁； 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型，补充分析。对于墙与转换梁偏心连接； 可以加刚性梁来考虑偏心传力对托梁产生的整体扭矩。对于超
5、短柱； 应尽量避免，容易产生应力集中。,2,1,4,3,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,刚性板块或塔数太多,定义弹性板，避开刚性板数的限制,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,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,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,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）合理的计算模型，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
6、，也应该限制在局部的范围。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。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,由剪力墙开洞产生的连梁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。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
7、用框架梁单元较为合理。连梁的单元划分也会影响到两端墙体的单元划分。,用框架梁定义的连梁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。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
8、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,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。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。程序控制超短构件，对小于0.2m的构件，取0.2m的长度。要区别刚性杆与杆件的刚域，两者的工作原理略有不同。刚性杆、带刚域的
9、杆，不同的工作原理和区别：,刚性梁和刚域的区别,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。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。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,当柱范围内有多节点时，应加柱内小梁，以封闭房间。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,此时，需要加刚性梁。,加两根刚
10、性梁,加一根刚性梁,牛腿,一根梁抬两片墙,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,当梁柱偏心时，程序自动加刚域，来考虑偏心产生的附加弯矩。 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,当上下柱形心
11、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,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,转换大梁往往占据了一层的层高，并且还开有部分洞口。转换大梁属于一种特殊的转换方式，上部托剪力墙或密排柱。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。转换大梁的开洞，应该避开应力集中区。,模型一
12、,模型二,柱竖向刚域,按墙定义,按大梁定义,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。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。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
13、的处理,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。连梁的受力也与洞口密切相关。,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；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。所以，最后往往归集到设计问题。对于特别复杂的开洞墙，可以采用FEQ补充分析。并且通过应力分析来掌握复杂洞口的应力分布。,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。对于小开口墙，整体刚度分析时，可以不考虑其
14、影响。在施工图设计时，局部加强即可。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。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,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。对于二维单元来说，单元节点的位移协调模式，是很关键的问题。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,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。,
