30第25章复杂高层钢结构分析林海文档格式.docx

1、结构承受的竖向荷载通常就是结构的静荷载和活荷载，荷载取值的规定见结构荷载规范，特殊情况需要酌情采用。对于普通的高层结构来说，通常静荷载比活荷载大较多，因而活荷载的考虑相对简单，而对于复杂的高层建筑则还需要对以下两个方面做细致分析。1）活荷载的不利布置：大部分的通用结构分析程序通常无法考虑活荷载的不利布置，所以选择在计算时静荷载和活荷载均为满跨布置，计算分析表明，对于跨度较大的框架结构以及带有较大悬挑部分的结构，活荷载的布置情况会对结构的内力产生很大的影响。所以需要考虑活荷载的不利布置。采用SAP2000程序分析复杂高层结构的时候通常的做法是：当活荷载所占比重较小时，采用适当加大框架梁在均布活荷

2、载作用下的内力值的办法来简化考虑；当活荷载所占比重较大时，则需要分别对多种活荷载情况进行计算分析。2）阶段施工分析：在进行高层建筑结构计算的时候，如果将所有的竖向荷载一次性施加到计算模型上，由于各种竖向构件轴压变形量的不同，将在水平构件中引起弯矩和剪力。层数越高，这种效应就越大，在建筑的顶层，梁端弯矩有可能改变符号，甚至出现中柱受拉的情况。可见这样的内力计算结果显然是不真实的，其原因是在计算时未考虑到结构施工的实际情况。在实际工程中，竖向构件的变形总是在施工过程中逐渐完成的。例如当施工到某一层的时，其下结构竖向构件已经完成了大部分的竖向变形，只有当层数继续增加、进行围护结构以及装修施工时才可能

3、引起该层竖向构件压缩变形量的不同，并在该层总产生附加内力。即使出现了竖向变形的压缩量差异，在施工的过程中可以采取措施矫正。因而对于复杂高层建筑结构来说考虑分阶段施工分析是必要的。SAP2000中阶段施工过程基于非线性静力分析，可以考虑考虑结构添加和拆除、荷载的施加和去除、以及材料随时间变化的收缩徐变效应，是一种真正体现阶段施工的非线性加卸载及结构组成部分变化的非线性分析过程。在施工过程各阶段分析过程中总刚度矩阵及荷载向量均随过程变化，与简单的通过分部施加荷载及修正某些构件刚度的近似方法相比较能更准确的模拟施工过程。阶段施工包括荷载及结构变化两种非线性过程，这里静力叠加原理不适用，因为分析结果与

4、施工步骤相关，不能采用基于线性分析的阶段施工模拟。关于阶段施工加载的介绍见本书高级分析功能部分。25.2.3 风荷载对于高层建筑来说，侧向荷载是非常在重要的，我们通常认为建筑物在风荷载的作用下，其迎风面将承受风压力，背风面则承受风吸力。随着建筑层数的增加，风荷载的影响不断加大，而对于超高层钢结构来说，风荷载对于构件截面和结构的水平位移往往起到了控制作用。在风荷载的作用下，高层建筑会产生顺风向和横风向的振动，对于复杂结构来说，有时候垂直于风荷载作用方向的振动甚至是最剧烈的。风荷载作用的具体取值可以依据荷载规范、混凝土高规、高钢规中的具体规定采用。虽然风荷载在建筑表面的分布不均匀，但是在结构整体分

5、析计算的时候，为了简单，对普通的高层建筑，迎风面和背风面可以统一的取一个平均的体型系数；而对于复杂的高层建筑则需要做风洞试验来确定建筑物的实际体型系数。SAP2000提供两种计算风荷载的方法。可以给不同的风荷载作用面指定不同的体型风压系数，按规范的相关公式进行计算；也可以通过刚性隔板范围和给定的体型系数来计算。具体的操作方法见本书建模功能部分。25.2.4 地震作用历次的地震表明，地震对建筑物造成的破坏是巨大的。当地震发生的时候，地面产生剧烈的运动，在建筑物中引起惯性力，地震烈度越高，这种惯性力就越大。地震作用的大小还与建筑物的重量和刚度有关，在相同的场地条件下，建筑的总重量越大，地震作用也越

6、大；结构的侧向刚度越大、自振周期越短，地震作用也越大。所以合理的抗震设计成为我们结构工程师需要把握的主要矛盾。我国的抗震设计规范中采用了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防指导思想和两阶段的抗震设计方法。两阶段具体指第一阶段为多遇地震作用下的弹性分析，验算构件的承载力、稳定性及结构的层间位移；第二阶段为罕遇地震作用下的弹塑性分析，验算结构的层间位移与结构延性。对于复杂的高层结构来说第一阶段常用的抗震设计方法有：振型分解反应谱法，弹性时程分析法来设计具体的构件；第二阶段结构已经进入弹塑性阶段，因此常用的是弹塑性时程分析与静力弹塑性分析方法，以找出结构的薄弱环节，采用合适的抗震构造措施，防

7、止由于局部形成破坏机构引起结构的倒塌。SAP2000提供了功能全面的地震分析方法。既可以采用常用的底部剪力法和振型分解反应谱法，也可以实现弹性时程分析、弹塑性时程分析以及静力弹塑性Pushover分析。相关内容在本书的分析功能和高级分析功能部分均有介绍。25.2.5 温度应力对于现代的高层钢结构建筑来说，建筑的内部空间温度变化较小。而建筑的外部则有较大的温差变化，特别是对于某些暴露于室外的结构构件，比如边柱，随着季节和昼夜气温的变化，边柱将产生轴向的伸长和缩短，于是建筑物的外面和室内的竖向构件之间将会出现竖向的位移差，层数越高，结构形式越复杂，这种变形量就越不可忽略。由于通常的框架梁、柱之间都

8、采用刚接形式，因而温差引起的变形就会产生内力。可以采用弹性分析的方法来计算由于温度变化而引起结构内力变化的效应。在SAP2000中，可以对框架、壳面、实体施加温度荷载，分析温度变化对结构的影响。25.2.6 侧向位移限值高层建筑在风荷载和地震荷载作用下产生的侧向位移，如果出现较大的摆动和扭转，将对人体的感觉产生很大的影响，常常使人感觉不舒适，有时候甚至是无法忍受。为了保证高层建筑在风力作用下有一个良好的工作和居住环境，需要对平行于风荷载作用方向和垂直于风荷载作用方向的振动最大加速度加以限制，具体限值可以参考混凝土高规4.6.6的规定。高层建筑结构在风荷载和地震作用时必须有足够的侧向刚度，这就要

9、求结构设计时对其侧向位移值加以限制。侧向位移限值通常有整体相对位移和层间相对角位移两种，其中层间角位移主要是针对高层建筑侧向刚度在竖向的规则性进行限制。SAP2000可以输出详细的位移结果，其中可以借助广义位移来查看相对位移的大小，具体操作见本书“结果与输出”一章。25.2.7 结构稳定对于高层混凝土建筑，结构构件的稳定性通常比较好；对于高层钢结构建筑，需要通过控制受压构件的长细比及板材的宽厚比、高厚比等来保证结构构件的整体稳定和局部稳定。而从宏观角度上来说，整个结构的稳定性也是不可忽略的一个重要方面。随着建筑层数的增加、高宽比的增加和结构布置复杂程度的提高，当结构在风荷载作用下产生水平位移的

10、时候，P-效应造成的附加弯矩和附加位移所占的比重也逐渐加大，此时如果忽略整体结构二阶效应的影响，很可能造成一些构件的实际负担内力超过其设计承载力，从而造成结构的破坏。混凝土高规5.4对结构的重力二阶效应做了专门的规定。在SAP2000中，P-效应属于几何非线性问题。只要在分析工况中进行了相应的指定，程序可通过修正结构的几何刚度来考虑P-效应的影响。详细说明见本书分析功能部分。25.3 复杂高层钢结构有限元分析的关键问题本节主要结合SAP2000和我国设计规范讨论复杂高层有限元分析过程中的一些关键问题，涉及有限元模型的合理建立、特殊单元选取和简化的原则、结构分析的计算方法及其分析参数的正确设置等

11、。25.3.1 建立合理的计算模型1. 楼板在高层钢结构中，大部分的楼板做法都是用圆头焊钉将压型钢板固定于钢梁的上翼缘，将压型钢板作为施工模板，现浇混凝土后形成钢筋混凝土组合楼板体系。与高层钢筋混凝土结构类似，高层钢结构的组合楼板通常在其自身平面内的刚度很大，因而在进行结构整体计算的时候也引入了“楼板在平面内刚度无穷大，在平面外刚度为零”的假定。在SAP2000中可采用隔板限制（Diaphragm Constraint）的方式来实现这个假定。但是对于复杂的高层钢结构来说，因为大支撑的跨层，楼板大开洞，建筑平面不规则，结构错层等情况，使得采用刚性楼板假定将导致内力计算产生较大的误差。所以建立力学

12、模型的时候，要考虑楼板的实际刚度。在SAP2000中通常采用壳元来模拟楼板，壳元是由只具有平面刚度的膜单元和只具有弯曲刚度的板单元组成。因此需要根据实际情况考虑组合楼板的各向异性、折算厚度以及混凝土开裂等因素，对实际楼板厚度应做适当的折减。2. 楼板与梁的共同工作当进行结构弹性分析时，宜考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作，且在设计中应使楼板与钢梁间有可靠连接。当进行结构弹塑性分析时，可不考虑楼板与梁的共同工作。由于楼板与钢梁通过抗剪栓钉紧密的连接在一起，形成钢筋混凝土-钢组合梁，所以在进行结构整体计算时应该考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作对结构刚度的影响。梁的惯性矩对两侧有楼板的梁宜

13、取1.5Ib，对仅一侧有楼板的梁宜取1.2Ib，Ib为钢梁惯性矩。所以使用SAP2000程序进行有限元分析的时候，应该保证板单元的边界与梁单元在受力和位移上的协调。通常是采用四边形壳单元来模拟楼板，根据结构分析的要求，在每个梁单元围成的封闭区域内布置，遇到剪力墙围成的区域也是同理，可以采用边束缚（Edge Constraint） 的方法实现边界位移的协调。3. 梁、柱、墙单元在SAP2000程序中，对梁和柱单元统一采用框架（frame）单元，frame单元可以考虑杆件的弯曲变形，剪切变形，以及轴向变形，因此满足正常条件下梁、柱的受力和变形情况，对于复杂的结构来说根据情况，梁、柱的偏心布置也不可

14、忽略。某些需要特殊考虑的梁，如连梁、转换梁等，根据具体情况建议采用壳单元来模拟更合适。剪力墙则通常采用薄壳单元，与弹性楼板采用的单元类型一致，可以同时考虑面内和面外刚度。在使用薄壳墙单元的时候，由于有限元分析的要求，要保证墙和楼板在交界处变形和受力的协调，所以同样需要引入边束缚 （Edge Constraint）的概念，这样可以大大减小单元划分的难度。注：SAP2000中梁、柱、墙单元的属性（刚度和容重等）可以根据规范的要求进行相应的调整，如连梁、框架梁刚度等。4. 梁柱节点域的考虑对于高层钢结构建筑，框架梁柱节点域剪切变形对结构侧移的影响有时甚至可以超过10%-20%。节点域剪切变形对结构水

15、平位移的影响主要取决于梁的抗弯刚度、节点域剪切刚度，梁腹板高度以及梁柱的刚度比。SAP2000程序中采用刚域系数的概念来考虑节点域对结构整体侧移分析的影响。梁柱节点域剪切变形对结构内力的影响则比较小，一般在10%以内通常不需要再对内力进行修正。分析结果还表明，对于带支撑的框架结构，梁柱节点域剪切变形将随着支撑体系侧向刚度的增加而迅速减小。5. 柱间支撑与耗能梁段 在高层钢结构设计中，柱间支撑斜杆的两端应为刚性连接，但在结构整体计算时可按两端铰接计算，其端部连接的刚度可以通过支撑杆件的计算长度加以考虑。偏心支撑的耗能段在大震时将首先屈服，由于它的受力性能不同，在建模时应将耗能梁段作为独立的单元考

16、虑。在SAP2000中可以用非线性连接单元来模拟。6. 非结构构件在高层建筑中存在着诸如围护结构、内隔墙等大量非结构构件。由于在整体计算模型中通常只考虑非结构构件的荷载效应而不计入其对结构刚度的影响，所以计算所得的周期往往比实际结构的周期长。为了比较准确地计算实际结构在地震作用下的效应，应对主体结构计算所得的周期乘以考虑非结构构件影响的修正系数。高钢规建议修正系数采用0.9，设计人员可以根据主体结构的形式与采用非结构构件的具体情况加以调整。在SAP2000的地震分析工况中，填入相应的周期折减系数即可。25.3.2 结构分析工况中需注意的问题1. 模态分析 在SAP2000程序中，进行结构模态分

17、析的时候，要将结构的等效质量集中到各个节点上，如果结构质量来源的设定不正确，将造成模态分析结果的误差，和反应谱计算的不准确。关于质量来源三种方式的详细叙述详见第12章，这里推荐的做法是采用第二种即“来自荷载”的方式，具体做法只需要在材料属性里正确定义材料的容重，恒载工况中指定自重乘数为1，即程序自动计算结构自重，然后定义其它荷载，需要注意的是对于采用了面单元的楼板，输入楼面荷载时无需再考虑楼板自重；若习惯于输入楼面荷载时计入楼板自重，可以将面单元属性中的容重设置为零，避免楼板自重的二次计算。关于各荷载系数的取值可以参考抗震规范第5.1.3条的规定。 SAP2000中模态分析的类型包括特征值和R

18、itz向量法两种，其中特征值法最为常用，但是Ritz向量法可以考虑激励荷载的空间分布状况，因而通常可以在较少的振型数下即可得到很大的振型质量参与系数，设计师可以根据实际工程的情况合理选用。2. 地震作用高钢规第4.3.1条规定，高层钢结构建筑抗震设计时，第一阶段设计应按多遇地震计算地震作用，第二阶段设计应按罕遇地震计算地震作用。 对于第一阶段的抗震设计主要采用底部剪力法、振型分解反应谱法和弹性时程分析法，对于复杂的高层钢结构来说，底部剪力法主要应用于考虑竖向地震作用的情况，程序中即定义类型为QUAKE荷载工况（Z方向）；振型分解反应谱法的相关参数设置，可以按照规范的要求，在定义反应谱函数和反应

19、谱分析工况时设定具体的数值；弹性时程分析分为振型分解的时程分析与直接积分的时程分析两种，第一种是基于模态分析结果的，计算比较快；第二种则是常规的时程分析，应用比较广泛，具体介绍详见第13章。弹性时程分析关键的问题在于地震波的选用和结构阻尼的定义，如工程上常用的瑞利阻尼。 第二阶段抗震设计主要是弹塑性时程分析和静力弹塑性分析，主要的作用是找出结构在罕遇地震作用时的薄弱环节，进而采取适当的构造措施或者重新设计结构保证结构的大震不倒。其中静力弹塑性分析方法对于复杂高层钢结构建筑的适用性还有待进一步研究，目前常用的是弹塑性时程分析方法。在分析过程上它与弹性时程分析最大的区别就在于构件非线性属性的定义和

20、滞回模型的确定，在SAP2000中可以应用于弹塑性时程分析的材料非线性属性包括：框架的单拉/压，索单元的单拉，框架单元的塑性铰和各种非线性连接单元。3. 阶段施工分析 本章第25.2.2节提到了阶段施工分析对于复杂高层结构分析的重要性，SAP2000程序可以对分阶段施工做线性和非线性分析。这里主要涉及SAP2000中非线性阶段施工分析工况的合理设置。 根据结构分析的需要，通常的阶段施工分析不需要考虑结构整体弹塑性，而主要考虑的是特殊连接构件，混凝土收缩徐变、钢筋松弛等与时间相关的属性，以及结构的几何非线性。其中关键的部分是混凝土收缩徐变参数的合理定义，SAP2000中的这部分是基于欧洲CEB-

21、FIP 90规范的规定来定义的，涉及到的参数主要是CEB-FIP系数、相对湿度、名义尺寸、收缩系数、收缩开始时间等。CEB-FIP系数主要是根据水泥种类来定义的，普通和快硬水泥可以取0.25，而快硬高强水泥则取0.20；相对湿度根据环境类别取40%-100%；名义尺寸是一个与环境类别、混凝土截面面积和混凝土与空气接触面积比值有关系的量；收缩系数也取决于水泥的种类，普通和快硬水泥取5，快硬高强水泥取8；收缩开始时间根据实际情况来定。 非线性阶段施工分析工况的参数主要包括定义阶段数、阶段施工操作（添加结构，施工荷载，拆除结构）、非线性参数等。定义阶段数通常是根据施工作业段的实际情况划分的，在模型中

22、注意先将每一阶段的结构部分，以及每个阶段的不同构件部分归入不同的“组”，SAP2000通过“组”的方式来实现施工阶段数据的定义。阶段施工操作中添加结构之后也要相应地添加该操作所增加的荷载和施工中的荷载，而拆除结构则同时自动将自重卸载了。非线性参数主要包括要考虑的材料非线性和几何非线性的内容，以及非线性分析参数的设定。根据需要还可以选择不同的计算结果保存方式。25.4 工程实例本节以类似中央电视台主楼的复杂高层钢结构分析为例，采用SAP2000建立三维结构分析计算模型，以说明复杂高层钢结构分析在SAP2000中的实现方式。此模型包含外框筒及有代表性的内部结构。楼板采用薄壳单元来模拟不考虑刚性隔板

23、限制，支撑则在节点处与柱及梁连接。模型中的楼板会在结构中明显开洞的地方开洞。25.4.1 结构模型概况模型为类似的简化中央电视台主楼，其中最高点为234 米，建筑面积约40 万平方米，包括地下室及裙楼。主楼包括两座斜塔、连接两座斜塔顶部的14层高悬臂结构，以及9 层裙楼（底部结构）与布满整个大楼底部的三层地下室。结构模型总体情况如图25-1所示。图25-1 SAP2000结构计算模型计算模型的详细情况包括以下几个方面。地下室部分：三层的地下室贯穿整个塔楼、裙楼和基座。地下室的结构体系是钢筋混凝土梁柱以及双向板，某些柱内会加型钢。地下室的四周的挡土墙上升至不同高度，最高到二层。周围的地下室停车场

24、结构大大超出上部建筑。外筒体：为了提供结构整体的侧向稳定性，斜塔、悬臂与裙楼四周均分布了多个利用三角形状结合形成的钢结构外筒体。其中部份钢结构外筒体表面延续至筒体内部，以加强大楼角部及保持钢结构外筒体作用的连续性。周边筒体由水平边梁、柱及斜支撑组成，形成一个由三角形组成的表面。三角表面里的柱构件在两个平面都倾斜6 度。柱子是钢柱和型钢混凝土柱。支撑和斜支撑构件尺寸及分布都不统一。支撑排列的密度随着支撑内力和整体建筑美学在三角框筒外表面变化。支撑为钢构件而组合楼面由钢梁支承。外筒体由两层高的三角形模块构成，即每隔两层柱、边梁和支撑交于一起。连接节点每隔一层出现在“刚性层”楼板上。包括塔楼在内，所

25、有核心筒及内柱都是竖直的，他们与外筒体主柱一起作用，为“刚性层”之间的楼板提供稳定性。塔楼核心筒：塔楼核心筒为钢框架体系，核心筒体横向布置有一定数量的支撑，而纵向就主要依靠弯曲框架的作用。核心筒这些两个楼层平面之间的侧向约束可以保证两“刚性层”楼板之间楼层的侧向稳定，并将有关荷载传递下去。其它核心筒：裙楼有许多服务筒体。连接两塔楼的悬臂段有14 层，里面也有一个服务筒体。这些筒体除了一个是钢筋混凝土结构以外，其它都是钢结构，有着与上述塔楼核心筒体类似的稳定体系。但是在一层以下钢筒体均转换成混凝土结构，与这些楼层的混凝土体系相一致。楼板：地下室及首层的楼面，除塔楼处楼面， 都是混凝土梁板体系。二

26、层的板，即基座部分的屋顶，也是钢筋混凝土结构。塔楼楼面，裙楼二层及以上的楼面，以及两塔楼之间的悬臂部分均为钢梁与组合楼板。内柱：塔楼和悬臂部分塔楼和悬臂部分的所有内柱都是钢柱。由于塔楼的倾斜，当外部结构向内倾斜而导致垂直内筒与倾斜外表面之间的跨距缩短时，部分内柱必须在某楼层停止。而与此同时在另一面，外部结构向外倾斜使得垂直内筒与倾斜外表面之间的跨距加大时，又需要增加新的柱来保持楼面体系的规则性。因此，这些柱并不直接下到底部而是由转换桁架支承。基于同样的理由塔楼和基座内也有一些吊柱。裙楼的柱有钢筋混凝土柱、钢柱和型钢混凝土柱，首层以上主要是钢柱。而基座的竖向结构系统主要是钢筋混凝土柱和墙。转换桁

27、架：塔楼内设置了一系列的转换桁架以支承由于垂直内筒与倾斜外表面之间的跨距加大而增加的柱。这些转换桁架将柱的荷载传递到核心筒和外部筒体上，通常布置于机电层。两塔楼之间悬臂部分的最低两层也设有转换桁架，悬臂部分的柱荷载通过这些桁架传递至周边筒体。在裙楼处，为了形成演播厅和中央控制区的的开敞空间，设有转换桁架支承上部楼面的柱。屋顶：裙楼顶为平屋面，覆盖了裙楼的第9 层并与塔楼第10 层的楼面相连。这个屋面与建筑顶部的斜屋顶都是周边框筒体系的一部分，为整个建筑提供侧向稳定性。须指出的是倾斜的屋顶在平面上也呈交叉格状，与建筑的立面相似。因此在斜屋面下的一层须设置斜的内柱支撑屋顶的交叉网格。模型细部情况如

28、图25-2所示。图25-2 SAP2000结构计算模型25.4.2 荷载工况的设置及说明根据结构分析的需要，本例主要分析结构在恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载作用下结构的反应以及阶段施工过程分析，未考虑温度荷载的影响。恒荷载、活荷载、风荷载可以参考建筑结构荷载规范及建筑要求。地震作用和调整系数参考抗震设计规范和高层规范的具体规定。根据工程的具体情况（包括：二类场地，设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为一组，结构阻尼比0.02来设置反应谱参数和弹性时程分析参数,本例地震分析主要做X、Y、Z单向分析，双向地震分析体现在荷载组合里。阶段施工荷载根据实际施工技术和条件来确定。荷载工况设置和具体

29、地震分析参数见图25-3、4、5、6。图25-3 荷载工况的设置图25-4 竖向地震作用工况设置图25-5 反应谱函数设置图25-6 地震波的读取25.4.3 分析工况的设置及说明恒荷载，活荷载，风荷载和竖向地震作用采用静力弹性分析，以下重点介绍地震分析工况和阶段施工分析工况的设置和说明，总体分析工况的设置见图25-7。模态分析分析采用RITZ向量法，它的优点是较少的振型就可以达到分析所需要的结构振型质量参与系数（水平向大于90%），本例取18个振型进行分析。复杂高层结构水平地震分析通常采用反应谱法和时程分析方法。在SAP2000中反应谱分析工况设置十分简便，本文X向的反应谱分析见图25-8。弹性时程分析又可以选择采用振型叠加和直接积分两种方法，其中振型叠加的时程分析方法更为方便，快速，涉及到的参数也较少，关键是振型阻尼的设置要正确，通常可以选择所有振型采用常数阻