高层结构空间有限元分析新模型_SATWE_6093c96d_7fd8_4066_

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

第 2卷第 9

3

期

土

木

工

程

导

1 99 6年 6

月

高层结构空间有限元分析新模型一 S A T W ECAD

工程部,

(中国建筑科学研究院 )

【要]提础上,

在高层结构分析中,

,

对剪力墙和楼板的模型化假定是其关键问题。

它直接决走了高

层结构分析模型的科学性

同时也决定了分析软件的精度和可信度构造了允许带有任意方洞口的通用墙元,、

本文在四节点等参壳元的基

应用静力凝聚方法,,

,

,

提出了以墙元为核心的高层E。

结构分析模型分析精度高

并据此模型研制了复杂体型高层结构空间有限元分析软件 S A T W前后处理功能强,

SA T

W

E

求解速度快

便于在工程中推广应用

。

一随着经济的高速发展,

、

前

言,

,

我国高层建筑发展迅速〔‘’,

设计思想也在不断更新,

。

结构体系日趋

多样化建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂的要求,

这就给高层结构分析和设计提出了更高已成为我国高层建筑

如何高效

、

准确地对这些复杂结构体系进行内力分析与设计。

研究领域急待解决的重要课题之一,, 0自8年代以来我国不少单位组织研制了高层建筑结构分析软件在一定程度上促进了我国高层建筑的发展。

目前在工程中应用较多的高层结构分析软件主要有三类2,

,

一类是基于,

「薄壁柱理论的三维杆系结构有限元分析软件

“’,

薄壁柱理论的优点是自由度少,

使复杂

的高层结构分析得到了极大的简化

。

但是

,

实际工程中的许多剪力墙难以满足薄壁柱理论的尤其对于越来越复杂的现代高层建把无洞口或有较小洞口的剪力墙模一。

基本假定筑,

,

用薄壁柱单元模拟工程中的剪力墙出入较大,

出入更大

精度难以保证,

。

第二类是基于薄板理论的结构有限元分析软件

〔4刁,

型化为一个板单元把有较大洞口的剪力墙模型化为板梁连接体系这类软件对剪力墙的,模型化不够理恕没有考虑剪力墙的平面外刚度及单元的几何尺寸影响对于带洞口的剪力,

墙

,

其模型化误差较大,

。

〔第三类是基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件

弓

’

G

〕,

由于壳元即具有平面内。

刚度

又具有平面外刚度

,

用壳元模拟剪力

墙和楼板可以较好地反映其实际受力状态,

基于

壳元理论的高层结构分析模型能较弱,

理论上比较科学,

,

分析精度高,

。

但美中不足的是现有的基于,

壳元理论的软件均为通用的有限元分析软件,

虽然功能全面

适用领域广。

但其前后处理功。

这在一定程度上限制了这类软件在高层结构分析中的应用,

应现代高层建筑发展的需要我们 C A D工程部组织力量探索研究了高层结构分析模型

研究工作的核心就是要解决剪力墙和楼板的模型化问题层结构的简化分析模型尽可能地科学、

尽可能地减小其模型化误差

,

使高。

合理

,

更好地反映出高层结构的真实受力抉态

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

二

、

高层结构空间有限元分析力学模型、

高层结构的基本受力构件有柱有限元模拟(一 )柱、‘

梁

、

支撑

、

剪力墙和楼板

。

下面分别讨论这几类构件的

。

梁及支撑,

柱

、

梁及支撑均为一维构件,、

可用两端带刚臂的空间杆单元来模拟其受力状态,

。

根据约。

束条件不同

空间杆单元可分为两端固接一端固接一端铰接和两端铰接三种情况 (图 1 )梁的截面尺寸较大。

由于高层结构中柱

,

剪切变形的影响不可忽视

,

SA T

W

E的空间杆单

元的单刚阵中考虑了剪切变形的影响琶凉奋犷

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一图

声

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1

空间杆单元示意图

(二 )剪力墙1.

墙元,

剪力墙为高层结构的主要抗侧力构件几何方面讲,

既承受水平荷载作用3

,

又承受竖向荷载作用)。。

。

从

剪力墙有开洞剪力墙和不开洞剪力墙两种类型 (,

图2,

开洞剪力墙由于洞口就有限元理论目前的发,、

尺寸

、

空间位置等因素的不同,,

又可分为如图。

所示的十五种情况,

展水平来看

用壳元来模拟剪力墙的受力状态是比较切合实际的又具有平面外刚度

因为壳元和剪力墙一样

既具有平面内刚度

在程序实现中,

考虑到工程中剪力墙的几何尺寸,

洞口大小及其空间位置等都有较大的任意性

为了降低剪力墙的几何描述和壳元划分的难在四节点等参。

度

,

提高分析效率,

,

我们根据工程经验

,

4并借鉴了S A P 8提出的墙元概念,。

壳元的基础上

采用静力凝聚原

理构造了一种超单元,

我们称之为通用墙元 (图4 ),

通用墙元是专用于模拟高层结构中剪力墙的

对于尺寸较大的剪力墙或带洞口的剪力形成若干小壳元。。

墙

,

按照子结构的基本思想,

由程序自动对其进行细分

然后计算每个小,

壳元的刚度矩阵并叠加

最后用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去,

将其刚度凝聚到边节点上

从而保证墙元的精度和有限的出口自由度

按照上述原则定义的

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一图

一一

十两种典型剪力墙示意图

高层结构空间有限元分析新模型_SATWE

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口口口/户口口厂一口口口口图4

3》‘百了

图

3

开洞剪力墙示意图

通用墙元及其细分示意图,

通用墙元对剪力墙的洞口 (仅考虑方洞 )的大小及其空间位置无限制

具有较好的适用性、。

。

这种墙元四边上出口节点的具体数量不定间位置率。

,

主要取决于其自身的几何尺寸

洞口大小及其空

,

并与相邻的剪力墙的几何尺寸