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1、复杂空间结构分析软件复杂空间结构分析软件 PMSAP 黄吉锋黄吉锋 中国建筑科学研究院中国建筑科学研究院PKPM CADPKPM CAD工程部工程部 目 录0.概述1.前处理-结构建模2.力学分析 2.1) 结构形式适应性 2.2) 结构材料适应性 2.3) 有限单元库 2.4) 静力荷载分析 2.5) 固有振动分析 2.6) 地震反应谱分析 2.7) 时程分析 2.8) 非线性功能 2.9 计算模型处理 2.10 结构优化功能 2.11 整体屈曲分析 3.基于规范的计算、调整及荷载组合 3.1 基于规范的计算 3.2 基于规范的调整 3.3 基于规范的荷载组合4.结构设计 4.1 混凝土构件
2、设计 4.2 钢构件设计 4.3 组合构件设计5.后处理-分析设计结果的表达 5.1 图形方式输出 5.2 文本方式输出6.施工图 6.1 梁柱施工图接口 6.2 剪力墙施工图接口7.后续分析设计 7.1 基础JCCAD接口 7.2 钢结构STS接口 7.3 弹塑性时程分析EPDA接口 7.4 弹塑性静力分析EPSA接口8.典型工程举例 0 0、概述、概述 复杂空间结构设计软件PMSAP是PKPMCAD工程部继SATWE之后推出的又一个三维建筑结构设计工具。PMSAP与SATWE由不同的开发人员独立完成。PMSAP在程序总体构架上具备通用性，在墙单元、楼板单元的构造以及动力算法方面采用了先进的
3、研究成果，具备较完善的设计功能。作为同一公司的产品，PMSAP与SATWE的关系可类比于也是同一公司产品的SAP2000和ETABS，尽管它们的侧重有所不同（PMSAP更多地考虑各种复杂情况），但对于多数建筑结构的分析、设计而言，它们的功能是基本相当的。当复杂工程需要两个或两个以上软件做对比计算时，SATWE和PMSAP是合适的选择。PMSAP与SATWE都可以与建模软件PMCAD、STS-1接口，用于对比计算时可省去多次建模的繁琐工作，减少建模出错机会，给设计人员提供了便利。 一、前处理一、前处理-建模手段建模手段1、 PMCAD建模2、 STS-1建模3、 SPASCAD建模4、 PMCA
4、D+SPASCAD 联合建模 5、 STS-1+SPASCAD 联合建模6、PMSAP的补充建模6.1 特殊构件: 铰接杆件,框支柱,转换梁,连梁6.2 弹性楼板：弹性板6,弹性板3,弹性膜 6.2 多塔定义：平面定义,立面查看6.3 温度荷载：指定节点温度分布6.4 改节点高：考虑错层6.5 改构件抗震等级 : 梁/柱/撑/墙6.6 改构件材料属性 : 梁/柱/撑/墙 （钢/砼）6.7 定义吊车荷载 二、力学分析二、力学分析2.1 结构形式适应性2.2 结构材料适应性2.3 有限单元库2.4 静力荷载分析2.5 固有振动分析2.6 地震反应谱分析2.7 时程分析2.8 非线性功能2.9 计算
5、模型处理2.10 结构优化2.1 2.1 结构形式适应性结构形式适应性 计算核心是有限元通用程序。适用于任意空间结构。杆件可以在空间任意放置。结构可分层，楼层是广义概念，指构件的集合。比如把一栋楼房的首层和三层定义为一个PMSAP楼层也是可以的。可考虑多塔、错层、转换层等建筑上的复杂情形。 143265711981019181716151413122120楼层灵活编号，避免因打断造成的过矮楼层，楼层位移、楼层刚度等结果统计更符合规范错错层层结结构构楼楼层层编编号号14326579108161514131211（多塔+错层）情况的编号（多塔+错层+连体）情况的编号1432657910815141
6、31211222120191718162.2 2.2 结构材料适应性结构材料适应性1.混凝土结构2.钢结构3.钢-混凝土混合结构2.3 2.3 有限单元库有限单元库 1.梁、柱单元 A 等截面、变截面均可 B 可接受二十七种荷载(包括温度荷载、 预应力荷载)C 容许数十种规则截面和异型截面D 可考虑任意刚域、偏心E 具有杆端力放松功能F 可指定杆端方位角，从而可在空间 任意放置2.桁杆单元 A 等截面桁杆 B 变截面桁杆 C 用于计算网架、塔架、桁架等 二力杆结构 3. 细分模型墙元 A 是由四边形壳元构造的子结构式超单元 B 采用广义协调技术处理墙-墙协调。 内部网格自动剖分。解决了网格畸变
7、问题 C 允许最小30CM的细分网格， 可以对墙梁、墙柱做精细分析。 4. 简化模型墙元 简化壳元模型，用于方案阶段快速试算 5.四边形壳，三角形壳A可接受面内、面外六种形式的荷载。（面外均布，双线性，集中力，面内线性分布力等）B位移等值线，应力等值线C 有限元模型：广义协调薄板元杂交模式厚薄通用板元带旋转自由度膜元 D 用于计算空间壳体，薄壳中厚壳通用 E 将用于筒仓、烟囱、水池等结构计算 6. 多边形壳元 A 是由三角壳元构造的子结构式超单元 B 主要用于计算楼板、空间壳体 C 薄壳、中厚壳通用 D 适用于凹、凸单连通多边形 E 最多允许200条边 F 内部网格自动剖分，允许最小30CM的
8、 网格尺寸，可以精细分析楼板的位移、内力 G 给出楼板配筋图及文件 对厚板转换层、板柱体系以及普通 楼板的全楼整体式分析与设计: 在PMSAP中，可以将厚板转换层结构中的厚板、板柱体系结构中的楼板、或者一般结构中的楼板进行全楼整体式分析与配筋设计。楼板的计算结果同梁、柱、墙一样是从整体分析中一次得出,严格考虑了楼层之间、构件之间的耦合作用及地震作用的CQC组合，精度高，更能保障设计的安全性、合理性。该功能在同类软件中未见到。7. 地基单元A 温克尔模型一维线弹簧B 温克尔模型二维面弹簧C 分层总和模型地基单元D 目前主要用于基坑支护结构分析E拟用于地基、基础和上部结构整体分析8.罚单元 A 该
9、类单元可使结构自由度之间满足 指定的线性约束关系。它主要用于 强制实现单元之间的连续性。 PMSAP 提供三类罚单元：一般性罚单元，梁 式罚单元，三角形壳式罚单元。 B 用于结构协调性修复9.集中刚度、集中质量、集中荷载单元10. 三维块体单元11. 螺旋线空间杆 用于螺旋楼梯分析12. 平面圆弧梁13. 柱面曲壳2.4 2.4 静力荷载分析静力荷载分析1.恒荷载(DL)：一次性加载，施工模拟 2.活荷载(LL,LL2,LL3)：满布活荷，不利布置3.风荷载(WX,WY,WX1,WY1WX5,WY5) : 自动形成4.竖向地震(EZ) ：自动形成5.温度荷载(TEM)：梁、柱、撑、墙、 楼板均
10、可考虑 6.人防荷载(ADH,ADV) ：可给出墙面外设计7.水土压力(WSP) ：可给出墙面外设计8.吊车荷载：考虑多台吊车预组合，构件设计2.5 2.5 固有振动分析固有振动分析 1.侧刚分析方法 GUYAN缩减，适用于糖葫芦串结构 2.总刚分析方法 MULTI-RITZ向量法，适用于任意复杂结构 2.6 2.6 地震反应谱分析地震反应谱分析 1.常规地震反应谱分析 允许多方向作用（最多12个） (EX,EY,EX1,EY1,EX2,EY2,EX5,EY5) 2.双向地震扭转效应 新增两个地震工况(EXY,EYX) 3.偶然偏心地震计算 新增四个地震工况(EXP,EXM,EYP,EYM)
11、4.振型效应组合方式 ： CQC2.7 2.7 时程分析时程分析 1.比例阻尼算法 用于常规结构分析 2.非比例阻尼算法 用于减震结构分析 3.地震波来源：自带地震波库与 用户波相结合2.8 2.8 非线性功能非线性功能 1.P-DELT效应分析 2.单向受拉杆件分析：索、钩 3.单向受压杆件分析：缝 4.双模量杆件分析 5.单向受压线弹簧 ：支护结构分析2.9 2.9 计算模型处理计算模型处理1.剪力墙网格自动细分（LXmax,LYmax)2.楼板网格自动细分(LXmax)3.与楼板相邻的梁的自动细分(LXmax)4.与剪力墙相邻的柱的自动细分(LYmax)5.楼层间协调性自动修复，消除悬空
12、墙、悬空柱6.自动实现梁、楼板和剪力墙的相互协调细分细分墙、细分楼板、细分杆件以及细分墙、细分楼板、细分杆件以及考虑自动相互协调带来的具体的考虑自动相互协调带来的具体的 计算优势计算优势1.1.转换梁：梁、墙协调细分转换梁：梁、墙协调细分2.2.边框柱：柱、墙协调细分边框柱：柱、墙协调细分3.3.墙梁墙梁( (尤其是小跨高比梁尤其是小跨高比梁) )：墙元细网格墙元细网格4.4.厚板转换：板、虚梁、墙协调细分厚板转换：板、虚梁、墙协调细分5.5.板柱体系：板、虚梁、墙协调细分板柱体系：板、虚梁、墙协调细分7.整体刚性、分块刚性、完全弹性等 多种楼板变形假定方式 A 对规则结构可以对楼面采用整体刚
13、性 或分块刚性假定； B 对复杂结构、楼板开大洞的结构可以 指定部分或全体楼板为弹性； C 当不采用刚性楼板假定时，PMSAP将对 结构作完全的有限元分析。 D 刚性楼板假定自动搜索形成 E 可以根据多塔定义强制施加 全楼刚性楼板假定2.10 2.10 结构优化功能结构优化功能 1. 1.二力杆的满应力设计二力杆的满应力设计 A A 针对钢桁架、塔架、网架等二力杆结构。 B 可从型钢库自动选择最优截面。 C 考虑关联优化。 D 考虑强度、稳定验算 E 考虑长细比验算 2.11 2.11 结构整体屈曲分析结构整体屈曲分析 1. 1.灵活指定屈曲荷载工况灵活指定屈曲荷载工况 2. 2.给出屈曲模态
14、、失稳临界荷载给出屈曲模态、失稳临界荷载三、基于规范的计算、三、基于规范的计算、 调整及荷载组合调整及荷载组合1、基于规范的计算 2、基于规范的调整3、基于规范的荷载组合3.1 基于规范的计算1. 1. 各楼层质心、刚心和偏心率各楼层质心、刚心和偏心率2. 2. 各楼层刚度、刚度比各楼层刚度、刚度比3. 3. 高位转换结构楼层刚度比高位转换结构楼层刚度比4. 4. 各楼层地震剪重比各楼层地震剪重比5. 5. 各地震方向有效质量系数各地震方向有效质量系数6. 6. 地震（双向地震）位移、位移比地震（双向地震）位移、位移比7. 7. 风位移、位移比风位移、位移比8. 8. 整体稳定验算整体稳定验算
15、9. 9. 抗倾覆验算抗倾覆验算10. 10. 各层框架剪力百分比各层框架剪力百分比11. 11. 各层框架倾覆力矩百分比各层框架倾覆力矩百分比12. 12. 风荷载作用下结构顶层顺风向、风荷载作用下结构顶层顺风向、 横风向加速度。横风向加速度。3.2 基于规范的调整 1 梁端负弯矩调幅系数梁端负弯矩调幅系数2 2 梁刚度放大系数梁刚度放大系数3 3 梁扭矩折减系数梁扭矩折减系数4 4 连梁刚度折减系数连梁刚度折减系数5 5 梁设计弯矩放大系数梁设计弯矩放大系数6 6 框支梁地震内力调整框支梁地震内力调整7 7 柱地震力柱地震力0.20.2Q0Q0调整调整8 8 框支柱地震力框支柱地震力0.0
16、20.02Q0Q0调整调整9 9 框支柱地震轴力调整框支柱地震轴力调整10 10 薄弱层地震力薄弱层地震力1.151.15放大放大11 11 楼层最小地震剪力控制楼层最小地震剪力控制12 12 梁柱墙的强柱弱梁、强剪弱弯调整梁柱墙的强柱弱梁、强剪弱弯调整 （组合内力调整）（组合内力调整）13 13 高位转换高位转换(=3)(=3)框支柱、墙底部加强区框支柱、墙底部加强区 抗震等级提高抗震等级提高1 1级级14 14 短肢墙结构中的短肢墙抗震等级提高短肢墙结构中的短肢墙抗震等级提高1 1级级3.3 基于规范的内力组合考虑恒、活、风、地震、考虑恒、活、风、地震、温度、时程、人防、水土压力，温度、时
17、程、人防、水土压力，吊车等荷载吊车等荷载 四、结构设计四、结构设计4.1 混凝土构件设计4.2 钢构件设计4.3 组合构件设计4.1 混凝土构件设计1 混凝土梁配筋2 混凝土柱配筋3 混凝土斜撑配筋4 混凝土墙配筋5 剪力墙边缘构件配筋6 混凝土楼板配筋* 基于2002混凝土规范4.2 钢构件设计1 钢梁强度、稳定验算2 钢柱强度、稳定验算3 钢支撑强度、稳定验算钢结构规范、高钢规4.3 组合构件设计1 圆钢管柱(斜撑)验算2 方钢管柱(斜撑)验算 钢管混凝土规程3 型钢柱(斜撑)配筋4 型钢梁配筋 冶金部标准五、后处理五、后处理-结果表达结果表达 5.1 图形输出5.2 文本输出5.1 图形
18、输出1.结构变形各静力工况位移动画各静力工况位移动画 （+ +彩色云斑图）彩色云斑图）各地震工况位移动画各地震工况位移动画 （+ +彩色云斑图）彩色云斑图）各阶固有振型动画各阶固有振型动画 （+ +彩色云斑图）彩色云斑图）时程响应位移动画时程响应位移动画地震、风层间位移简图地震、风层间位移简图时程分析层间位移简图时程分析层间位移简图梁弹性挠度图梁弹性挠度图2.构件内力梁内力图梁内力图 （+ +彩色云斑图）彩色云斑图）柱内力图柱内力图 （+ +彩色云斑图）彩色云斑图）斜撑内力图斜撑内力图 （+ +彩色云斑图）彩色云斑图）剪力墙内力图剪力墙内力图 （+ +彩色云斑图）彩色云斑图）3. 设计结果梁、
19、柱、斜撑、剪力墙配筋简图梁、柱、斜撑、剪力墙配筋简图剪力墙边缘构件尺寸及配筋简图剪力墙边缘构件尺寸及配筋简图柱、墙轴压比简图柱、墙轴压比简图柱计算长度系数图柱计算长度系数图柱长细比图柱长细比图4. 结构几何、材料及荷载的图形检查结构几何、材料及荷载的图形检查 5.时程分析结果楼层位移图楼层位移图层间位移图层间位移图侧向荷载图侧向荷载图楼层剪力图楼层剪力图楼层弯矩图楼层弯矩图结构变形动画结构变形动画节点位移时程曲线节点位移时程曲线地震波图地震波图6.转换厚板、弹性楼板结果等应力线等应力线 ( (弯矩弯矩, ,平面应力平面应力) )等位移线等位移线 ( (挠度，转角挠度，转角) )有限元网格图有限
20、元网格图楼板配筋图（楼板配筋图（楼板配筋考楼板配筋考虑虑了正截面抗弯了正截面抗弯 及偏心受拉情况及偏心受拉情况 ）应力应力/ /位移彩色填充图位移彩色填充图5.2 文本输出A.A.简单摘要，详细摘要简单摘要，详细摘要结构总控制参数结构总控制参数结构材料组成结构材料组成结构质量结构质量( (重量重量) )分布分布各楼层质心、刚心和偏心率各楼层质心、刚心和偏心率各楼层刚度、刚度比各楼层刚度、刚度比各楼层风荷载分布各楼层风荷载分布各楼层地震剪重比各楼层地震剪重比结构周期、振型结构周期、振型各地震方向有效质量系数各地震方向有效质量系数地震位移、位移比地震位移、位移比风位移、位移比风位移、位移比整体稳定
21、验算整体稳定验算抗倾覆验算抗倾覆验算各层框架剪力百分比各层框架剪力百分比各层框架倾覆力矩百分比各层框架倾覆力矩百分比时程分析结果时程分析结果 B. B. 各层梁、柱、支撑、剪力墙配筋文件各层梁、柱、支撑、剪力墙配筋文件 PMSAP_PJ.1PMSAP_PJ.1 PMSAP_PJ.2 PMSAP_PJ.2 PMSAP_PJ.* PMSAP_PJ.*C. C. 超筋信息文件超筋信息文件 工程名工程名. .ORRORRD. D. 边缘构件配筋文件边缘构件配筋文件工程名工程名. .BMBBMBE. E. 楼板配筋文件楼板配筋文件 POLY_REI.1POLY_REI.1 POLY_REI.2 POLY
22、_REI.2 POLY_REI.* POLY_REI.*F. F. 桁杆满应力设计结果文件桁杆满应力设计结果文件 工程名工程名. .MUL: MUL: 输出各类截面的输出各类截面的 最终选定截面最终选定截面G. G. 梁、柱、墙单项内力文件梁、柱、墙单项内力文件BEAMF.*BEAMF.*COLUF.*COLUF.*SUBWF.*SUBWF.*H. H. 楼板单项内力文件楼板单项内力文件POLYF.*POLYF.*六、施工图接口六、施工图接口6.1 梁柱施工图接口6.2 剪力墙施工图接口七、后续分析设计接口七、后续分析设计接口7.1 基础JCCAD接口7.2 钢结构STS接口7.3 弹塑性时程
23、分析EPDA接口7.4 弹塑性静力分析EPSA接口 (PUSH-OVER ANALYSIS）八、计算过的典型工程举例八、计算过的典型工程举例8.1 奥运主体育场看台 大量斜柱、斜板、越层，大量斜柱、斜板、越层， 混凝土结构混凝土结构8.2 以色列大使馆 复杂剪力墙体系，复杂剪力墙体系， 全楼弹性板分析全楼弹性板分析8.3 上海环球金融中心120120个计算层，高度超过个计算层，高度超过500500米，钢、混凝土混合结米，钢、混凝土混合结构。异型截面巨型柱、跨层构。异型截面巨型柱、跨层斜撑、伸臂桁架、带状桁架，斜撑、伸臂桁架、带状桁架，复杂剪力墙筒复杂剪力墙筒8.4 北京中银大厦 复杂剪力墙体系，中间带有复杂剪力墙体系，中间带有空间壳体式剪力墙筒，建筑空间壳体式剪力墙筒，建筑 面面积积170000170000平方米平方米 8.5 奥运工程五棵松体育馆 大跨度、单拉预应力钢索大跨度、单拉预应力钢索 看台风位移看台恒载位移看台扭转振型鸟巢恒荷载位移彩色云斑图鸟巢升温50度位移彩色云斑图鸟巢竖向振型彩色云斑图用空间梁柱计算的巴林娱乐城投标方案用空间四边形壳元计算的储油罐振型用细分墙元计算的大剧院 大剧院某局部的墙元细分有限元网格 所有楼板参与结构整体分析的示例 某连接层的楼板有限元网格 某连接层的楼板应力等值线 某连接层的楼板配筋简图梁弯矩图的空间显示方式一榀框架的柱弯矩图
