ANSYS高层建筑主体结构地震响应分析及优化.docx

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ANSYS高层建筑主体结构地震响应分析及优化

ANSYS高层建筑主体结构地震响应分析及优化

摘要现代高层结构的规模越来越大，高度越来越高，其抗震设计也越来越重要。

国内外不少学者都正致力于研究高层结构在地震响应、弹塑性时程分析等方面的新理论和新方法。

本文结合南京某36层高层住宅楼的工程背景，运用SATWE软件分析结构基本周期和多遇地震下的弹性反应，运用EPDA软件分析结构罕遇地震下的弹塑性反应。

结果表明：

（1）减小墙厚和减少墙体布置可以调整原结构方案偏小的基本周期，保证结构整体刚度的合理性。

（2）本结构在多遇地震下的层间位移角满足规范要求，且ANSYS与PKPM在周期和弹性时程分析方面的计算结果符合的很好。

（3）本结构在罕遇地震下的层间位移角满足规范要求，且通过对有害位移角等曲线的判断第6、7层为薄弱层，通过塑性铰出现顺序判断东北和西南两户的客厅短梁为薄弱构件，为结构设计提供了有益的参考。

关键词高层结构地震响应时程分析薄弱层塑性铰10196

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleArchitecturalandStructureDesignofOneHigh-riseResidential

Building（36-storey）inNanjing-AnalysisandOptimization

oftheMainStructureEarthquakeResponse

Abstract

Themodernhigh-risestructuresarebecominglarger,higherandtheseismicdesignisalsobecomingmoreimportant.Domesticandforeignscholarsareworkingonthenewtheoriesandmethodsinseismicresponse,nonlineartimehistoryanalysisofhigh-risestructures.Inthispaper,accordingtotheengineeringbackgroundofa36-storeyhigh-riseresidentialbuildinginNanjing,theauthorusesSATWEandEPDAtoanalysistheperiodandresponseundermultiearthquakeandrareearthquake.Theresultsshowedthat:

（1）toreducethethicknessofthewallandthewalllayoutcouldadjustthelowfundamentalperiodoftheoriginalstructuresoastoensuretherationalityofoverallstiffnessofthestructure.

（2）theangleoffloordisplacementinthemultiearthquakemeetregulatoryrequirements,andtheelastictimehistoryanalysisresultsofANSYSandPKPMagreewell.（3）theangleoffloordisplacementintherareearthquakemeetregulatoryrequirements,andhazardousdisplacementanglecurveanalysisshowedthatthe6,7layerareweaklayers,thetwoshortbeamofthenortheastandsouthwestparlorareweakcomponentsaccordingtotheappearanceorderofplastichinges,alloftheseareusefulreferencesforthestructuraldesign.

近十多年来，国内外高层建筑发展的很快，层数日益增多，高度日益增高，体型越来越复杂，体系越来越新颖，新材料的应用也日益增多。

可以说在如今的土木工程领域中，高层建筑是世界各国在城市建设中的主要形式。

在现代化大都市中，过度的人口和建筑密度，城市用地的日趋紧张，使得人们不得不向空间发展。

而高层建筑具有占地面积少、建筑面积大、集中化程度高等特点，不仅可以大量的节省土地的投资，而且具有良好的日照、采光和通风效果。

同时，高层建筑结构向高空延伸，可以缩小城市的平面规模，缩短城市交通和各种公共管线的长度，从而节省城市建设与管理的投资。

1.1.1高层建筑概况

我国原JGJ3-91《钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程》曾规定8层及8层以上的民用建筑为高层建筑。

但是此后的近十年中，我国高层建筑得到迅速发展，建造数量变大，发展速度变快，建筑高度变高。

为此，我国在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）中，就将高层建筑结构的判别标准修改为10层及10层以上，或房屋高度大于28m。

而在国际社会中则普遍认可于1972年召开的国际高层建筑会议对高层建筑制定了划分标准，详见表1.1。

我国的这一修改也是为了与国际标准相接轨。

表1.1国际高层建筑划分标准

划分类别层数限制高度限制

第一类9~16层≤50m

第二类17~25层≤75m

第三类25~40层≤100m

超高层建筑＞40层＞100m

（1）结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定。

（2）应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。

（3）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

（4）应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

（5）对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。

（6）宜有多道抗震防线。

（7）宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。

（8）结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。

其中，很多的要求是针对抗震设计展开的，因为在建筑设计中，是否考虑抗震要求，从总体上起着直接的主导作用。

结构设计很难对建筑设计有较大的修改，建筑设计定了，结构设计原则上只能服从于建筑设计的要求。

如果建筑师能在建筑方案初步设计阶段中较好地考虑抗震的要求，则结构工程师就可以对结构构件系统进行合理的布置，建筑结构的质量和刚度分布以及相应产生的地震作用和结构受力与变形就比较均匀协调，使建筑结构的抗震性能和抗震承载力得到较大的改善和提高；如果建筑师提供的建筑设计没有很好地考虑抗震要求，那就会给结构的抗震设计带来较多困难，使结构的抗震布置和设计受到建筑布置的限制，甚至造成设计的不合理。

有时为了提高结构构件的抗震承载力，不得不增大构件的截面或配筋用量，造成不必要的投资浪费。

由此可见，建筑设计是否考虑抗震要求，对整个建筑起着很重要的作用

然而，随着计算机技术迅速发展，结构计算分析与设计软件不断地改进，采用设计软件通过计算机进行高层建筑结构计算和设计已逐渐成为当前高层建筑结构计算分析与设计的主要方法。

结构设计软件已成为确保设计质量和提高设计效率的一种必备工具[18]。

2．1建筑结构软件的计算方法

计算机计算建筑结构的方法大体上可以分为以下四种[19]。

2.1.1平面协同计算

平面协同计算采用平面结构假定、楼板平面内无限刚度假定，且楼板只能平移。

构件为平面杆件，每个节点有3个自由度，两端为6个自由度，其单元刚度方程为6×6矩阵。

这种方法与近似的手算方法类似，与荷载作用方向相垂直的杆件不受力。

虽然它比手算方法略为精确一些，但是它不考虑扭转，不能计算平面复杂的结构，因此，这种简化较大的计算方法在工程设计中已基本不采用。

2.1.2空间协同计算

空间协同计算采用平面结构假定、楼板平面内无限刚性假定，楼板有扭转角，每个楼层有3个自由度。

与平面协同计算相同，空间协同计算将结构分为若干个平面子结构，杆件单元刚度矩阵同平面协同计算的单元刚度矩阵。

空间协同计算可以计算不对称结构，也可以计算结构扭转，因此比平面协同计算方法的适用面更广。

但是，由于空间协同计算采用了平面结构假定，必须把结构分解成许多榀平面结构，相互垂直的各个平面结构即使相交也相互独立，与水平荷载垂直的平面结构只参与抗扭，因此只在结构允许划分成平面结构时才可以应用该计算方法。

实际上，在许多情况下，结构无法分成明确的一个个平面，如果一定要分成平面结构，各平面结构相交处的竖向位移不相同，造成结构不连续，与实际不符合，计算结果误差较大。

因此，在计算机能力急速发展的今天，这类结构完全可以采用更为精确的方法进行计算。

随着技术的进步，计算机的更新换代，计算技术、方法和程序也在日渐发展变化。

早在20世纪80年代，高层建筑结构计算程序以空间协同计算为主，考虑楼板变形的计算程序根本不可能实现；进入20世纪90年代后，空间结构计算程序普遍代替了空间协同计算，除了一些简单规则的单层及多层建筑仍然采用平面或空间协同计算外，高层建筑结构的计算以假定楼板平面内无限刚性的空间结构计算方法为主，在需要时，复杂结构可以采用考虑楼板变形的完全空间结构计算程序进行分析。

可见软件计算方法的发展和进步使计算精度大大提高，为诸如弹塑性动力时程分析等复杂软件的实现提供了计算精度上的保证。

2．2弹塑性动力时程分析软件EPDA

EPDA软件是由中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的简单实用的弹塑性动力时程分析软件。

由于我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[20]都明确规定“对不规则的、具有明显薄弱部位的、较高的高层建筑结构，应进行罕遇地震作用下的弹塑性变形”。

而在“大震”作用下，高层建筑一般都处于弹塑性工作状态，对这类结构进行较准确的分析，一定要考虑材料的弹塑性性质[21]。

故使用EPDA软件对有抗震设防要求的建筑结构，尤其是高层、超高层建筑结构，进行弹塑性动力反应分析是十分必要的。

2.2.1EPDA软件应用范围

EPDA软件可以按任意给定方向计算结构的弹塑性时程响应，适用于“中震”和“大震”作用下各种材料的多、高层及超高层建筑结构，包括钢筋混凝土结构、钢结构和钢与混凝土混合结构。

同时，程序中还考虑了多塔、转换层等结构特点。

程序所采用的材料本构关系力求做到准确并符合中国规范。

钢材的本构关系采用双折线，设计者可以自由控制塑性阶段的杨氏模量折减。

混凝土的本构关系给出了双折线和三折线两种形式，可以考虑受拉开裂、裂缝闭合和压碎退出工作等混凝土材料所特有的复杂特性；其中三折线滞回本构关系是按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[22]采用等能量法得到的，具有较高的拟合精度。

以下为EPDA软件的功能简介。

（2）EPDA程序提供了计算三向地震的功能，并且免费为用户提供了对应不同特征周期的三向地震波库。

（3）EPDA程序采用了目前阶段可以使用的较为先进的梁单元模型。

梁、柱、支撑等一维构件采用纤维束模型模拟，纤维束模型的适用性好，不受截面形式和材料限制，被认为是一种较为精确地杆系有限单元模型。

EPDA程序中通过综合提高计算效率，较好的避免了该模型计算工作量大的问题；同时，程序中给出了直观的杆系单元端部塑性铰判断方法。

（4）EPDA软件提供了与“纤维束模型”相对应了另外一种梁、柱、支撑的模拟单元类型“塑性铰模型”，用户可以根据需要在二者之间选择使用。

（5）剪力墙弹塑性性质模拟是混凝土结构弹塑性分析的难题。

EPDA程序将SATWE、PMSAP程序中使用的弹性墙单元进行了推广，考虑其弹塑性性质，使用弹塑性墙单元来模拟剪力墙的弹塑性性质。

这种单元计算效率高，精度好，可以较真实地分析和显示剪力墙的弹塑性状态，相对于一些简化的墙单元弹塑性性质考虑方法有着明显的优势。

（6）为了提高程序的计算效率，EPDA程序的线性方程解法在给出了通常的LDLT解法的同时，还给出了波前法和较为高效的有预处理功能的共轭斜量法，即PCG法，用于结构动力弹塑性分析，使程序的求解效率明显提高。

2．3与其他有限元分析软件的比较

国内外高层建筑结构计算程序很多，结构计算计算机辅助设计系统也有各种版本。

大致可以分为结构分析通用程序和高层建筑结构专用程序。

结构分析通用程序是指可用于机械、航天、船舶、交通、水利和建筑等各部门的结构分析程序。

其特点是单元种类多、适应能力强、功能齐全。

然而结构分析通用程序虽然可以用来对高层建筑结构进行静力和动力分析，但由于其通用性强，反而不如专用程序针对性强、便于应用。

因此，人们也往往乐于采用EPDA软件等高层建筑结构的专用程序来分析计算。

下面介绍几种不同的弹塑性动力分析计算软件，并与EPDA软件进行比较。

2.3.2ABAQUS

ABAQUS软件是由DavidHibbitt等人于1978年成立了HKS公司后，开始开发的通用有限元程序。

ABAQUS软件提供了混凝土三维实体单元，壳单元和梁单元。

作为通用软件能直接完成钢结构非线性分析，但不能直接进行钢筋混凝土结构的动力响应分析。

要想进行这类分析，必须进行二次开发，目前国内已经有研究人员开展了这方面的工作。

ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。

如针对某一双塔连体高层结构工程，采用ABAQUS软件建立三维弹塑性仿真模型，并进行了中震地震作用下结构的弹塑性分析。

通过对计算结果的分析整理，可初步掌握了该双塔连体结构在地震作用下的动力特性，为深化设计和加强薄弱部位提供了依据[24]。

但是在已用PMCAD建模完成后，如果采用ABAQUS建模进行弹塑性分析，与EPDA的读取SATWE等生成计算模型相比，需要重新建模，实用性相对较弱。

2.3.3ANSYS

ANSYS程序是一个大型通用的有限元计算机程序，其代码长度超过10万行，是到目前为止在世界范围内唯一通过ISO9001质量认证的计算机辅助工程设计分析类程序。

它融结构、热力学、流体、电磁和声学等于一体，可广泛应用于核工业、铁路与交通公路、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车、电子与家电、国防军工、造船、生物医学、轻工业、地矿、水利水电以及土木建筑工程等方面的科学技术研究。

ANSYS程序中分析采用的有限元法是用计算机进行数值模拟计算的一种方法，包括连续体的离散化、加边界条件、求解方程组以及输出分析结果，主要用于非线性分析。

如运用ANSYS对某复杂高层建筑结构进行模态分析及地震荷载作用下的时程分析，通过计算可得出结构的频率、振型、位移及内力，为结构设计提供了可靠的参考依据[25]。

然而ANSYS没有自带的地震波库，如果要进行弹塑性时程分析，需要用户自定义地震波。

这一点明显不如EPDA免费为用户提供了对应不同特征周期的三向地震波库使用方便。

3．1设计资料

本结构地上34层、地下2层。

结构体系为剪力墙结构，材料选用钢筋混凝土。

主要功能为居住，一层具有物管、收发等设施和功能，地下1层为自行车库，地下2层为车库，并满足人防要求。

现已有全套的建筑、结构施工图和地质勘查报告。

其建筑平面图与立面图详见图3.1和图3.2。

图3.1标准层平面图

图3.2西立面图

用PKPM系列结构设计软件做工程设计，首先要根据工程实际情况合理地选定运行模块，应以满足设计深度、保证工程设计质量为标准。

在操作中重点把握两点：

一是网格的建立要准确，做到PMCAD的数检无误；二是设计参数的定义要合理，做到在SATWE数检报告文件中没有出错的信息提示。

为此在建模之前，首先要将建筑、结构上需要用到的资料整理归类，以便建模中构件、参数的定义和查询，详见表3.1。

表3.1建筑结构基本信息表

基本信息类别信息数据范围

主体结构

选用材料混凝土强度等级C40整个结构

钢筋级别HRB335纵筋、主筋

级别HPB235箍筋、分布筋

基本构件墙承重墙厚度/mm200整个结构剪力墙

非承重墙厚度/mm150（空心砌块）非通风井等处

200（耐火砖）通风井等处

膨胀珍珠岩7楼顶屋面

混凝土空心砌块11.8填充墙

耐火砖20通风井等隔墙

木门面荷载/kN•m-20.2阳台门

大理石铺面1.36阳台栏杆

将上述所有信息汇总后，模型建立的基本数据就整理完成了。

然后需要从模型建立的角度出发，对模型分析过程进行问题重述。

在重述过程中，对于满足规范要求的部分，可以采取适当的简化处理。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）都要求，当高层建筑地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应符合下列规定：

（1）地下室顶板应避免开设大洞口；地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构；其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。

（2）结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。

（3）地下一层抗震墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积，不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积。

根据建筑、结构方面的资料，本结构混凝土强度等级为C40，地下室顶板厚度为200mm，地下室顶板经计算最小配筋率为0.26%，满足作为上部嵌固部位的要求。

此外，地下一层与相邻上层的侧向刚度比、地下室与上部对应剪力墙墙肢端部边缘构件的纵筋截面积等均满足规范中将地下室等般作为上部嵌固部位的要求。

故选取地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。

本结构只需针对地上结构进行建模。

1600,450,550,1850,1800,450,1600,1350

左进深：

2100,1100,1300,2100,2400,1350,1350,2000,750,1350,1050,1550,

2400,2100,1300,1100,2100

其中，存在有两处轴线的合并。

由于建筑图中13轴线和14轴线间距为50mm、K轴线和L轴线间距为100mm，而PKPM程序为了防止后续结构分析计算中出现数检报错、计算混乱等现象，规定了最小节点距离为50mm[26]，即节点距离不大于50mm会归并为一个节点；而如果梁中包括有两个距离小于200mm的节点，虽不会出现错误，但程序有数检警告提示。

故本次建模将这两对轴线进行归并，具体操作为14轴线并入13轴线、K轴线并入L轴线，以防止后续计算中出现迭代计算不收敛等错误。

进行轴线命名、平行直线并删除多余节点等修改操作后，形成的轴网详见图3.3。

图3.3PMCAD平面轴网

3.2.2墙体洞口布置及墙间荷载

本结构中的剪力墙均为200mm厚。

故<墙布置>中仅需要定义一种墙截面尺寸。

34层外围墙体和突出屋面电梯间外围墙体由于其上有女儿墙，故分布有墙间荷载。

具体信息详见表3.2。

表3.2墙间荷载

层数女儿墙高/m女儿墙厚/m墙重/kN•m-1墙重计算式

341.50.155.6325×0.15×1.5

350.60.152.2525×0.15×0.6

本结构中的洞口包括在墙体上开有的门洞和窗洞，具体信息汇总详见表3.3。

表3.3洞口布置

门窗编号洞口尺寸/洞宽×洞高mm2标准层洞口数量洞口分布

/根梁上墙重

kN/m墙重计算式

150×300（26根）通风井隔梁67.5020×0.15×（2.8-0.3）

储藏间隔梁24.4311.8×0.15×（2.8-0.3）

主卫书房3短梁124.4311.8×0.15×（2.8-0.3）

客卫X向短梁44.4311.8×0.15×（2.8-0.3）

楼梯平台梁2无

150×400（2根）储藏间Y向长梁24.2511.8×0.15×（2.8-0.4）

150×450（16根）储藏间X向长梁44.1611.8×0.15×（2.8-0.45）

主卫书房3长梁124.1611.8×0.15×（2.8-0.45）

200×400（6根）客厅短梁4无

候梯厅出口短梁2无

200×450（15根）客厅长梁4无

阳台栏杆处梁45.08护栏：

25×0.15×1.10=4.125

大理石铺面：

1.36×0.15=0.204

粉刷：

17×0.02×1.10×2=0.748

4.125+0.204+0.748=5.08

阳台门处梁41.740.2×3.70×（2.8-0.45）

雨篷外、挑梁3无

二b2535二b

三a3040三a

三b4050三b

注：

1混凝土强度等级不大于C25时，表3.5中保护层厚度数值应增加5mm；

2钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层，基础中钢筋的混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起，且不应小于40mm。

标准层信息中的最后一项本层层高是由建筑专业提供的，此处的层高在结构计算中不起作用，结构计算以楼层组装中的层高为准。

（a）34层墙间荷载（b）35层墙间荷载

图3.5墙间荷载布置

3.2.5荷载输入

荷载输入主要包括梁间荷载、柱间荷载、墙间荷载和节点荷载。

本结构只有梁间荷载和墙间荷载。

底层和标准层没有墙间荷载，故不再列出。

具体布置详见图3.5和图3.6。

（a）底层梁间荷载（b）标准层梁间荷载

（c）34层梁间荷载（d）35层梁间荷载

图3.6梁间荷载布置

3.2.6楼面恒活

楼面恒活是为每个标准层制定楼面恒活的统一值。

本结构建模过程中，现浇板自重计入恒载当中，故不用选择自动计算现浇板自重。

具体设定界面详见图3.7。

图3.7楼面恒活

下面进行恒载和活载的参数计算。

考虑建筑上楼地面、屋顶面的作法，恒载计算详见表3.6。

活载查阅《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）[27]，参考各房间的功能要求，选取活载详见表3.7。

表3.7楼面活载

活载位置取值/kN•m-2

楼面阳台2.5

楼顶电梯间7.0

其他2.0

屋面上人屋面2.0

其实，在这里选取的楼面恒活只是大致选取楼面为恒载4.2kN/m2、活载2.0kN/m2，屋面为恒载4.35kN/m2、活载2.0kN/m2。

具体到同一楼层不同板和不同的荷载时，可在之后的<楼面荷载传导计算>中继续进行具体修改。

3.2.7设计参数

设计参数对话框中，共有5个选项卡内容供用户设置，其内容是结构分析所需的建筑物总体信息、材料