1、高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析內(nèi)容提要結(jié)構(gòu)分析的概念結(jié)構(gòu)模型(計(jì)算模型)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的概念結(jié)構(gòu)計(jì)算方法建筑結(jié)構(gòu)分析的概念結(jié)構(gòu)模型 structural model: 用于結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)等的理想化的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)分析 structural analysis: 確定結(jié)構(gòu)上作用效應(yīng)的方法。結(jié)構(gòu)分析可采用計(jì)算、模型試驗(yàn)或原型試驗(yàn)等方法。非線性 nonlinearity: 在規(guī)定工作范圍內(nèi)，不符合疊加原理的工作屬性。彈塑性 elastic-plasticity: 是指物體在外力施加的同時立即產(chǎn)生全部變形，而在外力解除的同時，只有一部分變形立即消失，其余部分變形在外力解除后卻永遠(yuǎn)不會自行消失的性能。平面結(jié)構(gòu) pl

2、ane structure: 組成的結(jié)構(gòu)及其所受的外力，在計(jì)算中可視作為位于同一平面內(nèi)的計(jì)算結(jié)構(gòu)體系。空間結(jié)構(gòu) space structure: 組成的結(jié)構(gòu)可以承受不位于同一平面內(nèi)的外力，且在計(jì)算時進(jìn)行空間受力分析的計(jì)算結(jié)構(gòu)體系。桿系結(jié)構(gòu) structural system composed of bar: 以直線形或曲線形桿件作為基本計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)體系的總稱。如連續(xù)梁、桁架、框架、網(wǎng)架、拱、曲梁等。板系結(jié)構(gòu) structural system composed of plate: 以連續(xù)體平面板件作為基本計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)體系的總稱。如平板、折板等。結(jié)構(gòu)分析-結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面材料 建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型

3、(計(jì)算模型)豎向荷載下的內(nèi)力分析建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況，可采用一維、二維、三維的計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。一維的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型適用于結(jié)構(gòu)的某一維（長度）比其他兩維大得多的情況，如梁、柱、拱；二維的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型適用于結(jié)構(gòu)的某一維（厚度）比其他兩維小得多的情況，如雙向板、深梁、殼體；三維的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型適用于結(jié)構(gòu)中沒有一維顯著大于或小于其他兩維的情況。結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的受力狀況建筑結(jié)構(gòu)工作計(jì)算分析時，應(yīng)考慮下列變形： 梁的彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)變形，必要時考慮軸向變形； 柱的彎曲、剪切、軸向、扭轉(zhuǎn)變形； 墻的彎曲、剪切、軸向、扭轉(zhuǎn)變形。梁、柱、支撐等-桿件單元計(jì)算模型 空間結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)桿件單元梁、柱

4、、支撐等-桿件單元計(jì)算模型帶剛域桿件剪力墻-薄壁桿件計(jì)算模型 對于剪力墻，將其簡化為帶剛域桿件，則每個結(jié)點(diǎn)仍為6個自由度；如將其簡化為空間薄壁桿件，則每個結(jié)點(diǎn)除上述的6個自由度外，還要增加一個翹曲自由度，總共有7個自由度.剪力墻-墻板計(jì)算模型將剪力墻簡化為平面單元，單元平面內(nèi)有軸向、彎曲和剪切剛度，平面外剛度為零，稱為墻板。 （1）平面應(yīng)力單元。剪力墻-墻板計(jì)算模型（2）新型高精度剪力墻單元。剪力墻-墻元計(jì)算模型由于殼元既具有平面內(nèi)剛度，又具有平面外剛度，所以用殼元模擬剪力墻可以較好地反映其實(shí)際受力狀態(tài)。基于殼元理論的剪力墻分析模型，稱為墻元模型，如四結(jié)點(diǎn)等參薄殼單元。樓板模型剛性樓板模型-假

5、定樓板平面內(nèi)剛度無限大，平面外剛度為零。剛性樓板模型，只有平移，平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同計(jì)算模型剛性樓板模型，有平移和轉(zhuǎn)動，空間協(xié)同計(jì)算模型彈性樓板-殼單元模型-計(jì)算樓板的面內(nèi)剛度和面外剛度。彈性樓板-中厚板彎曲單元模型-計(jì)算樓板平面外剛度，而平面內(nèi)是無限剛。彈性樓板-平面應(yīng)力膜單元模型-計(jì)算樓板的平面內(nèi)剛度，同時又假定樓板的平面外剛度為零。高層建筑結(jié)構(gòu)分析模型高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 3-2010選取的分析模型應(yīng)能較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的實(shí)際受力狀況。 高層建筑結(jié)構(gòu)分析，可選擇平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同、空間桿系、空間桿-薄壁桿系、空間桿-墻板元及其他組合有限元等計(jì)算模型。 可假定樓板在其自身平面內(nèi)

6、為無限剛性，設(shè)計(jì)時應(yīng)采取相應(yīng)的措施保證樓板平面內(nèi)的整體剛度。 當(dāng)樓板可能產(chǎn)生較明顯的面內(nèi)變形時，計(jì)算時應(yīng)考慮樓板的面內(nèi)變形影響或?qū)Σ捎脴前迕鎯?nèi)無限剛性假定計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。建筑抗震結(jié)構(gòu)分析模型建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011- 2010)結(jié)構(gòu)抗震分析時，應(yīng)按照樓、屋蓋的平面形狀和平面內(nèi)變形情況確定為剛性、分塊剛性、半剛性、局部彈性和柔性等的橫隔板，再按抗側(cè)力系統(tǒng)的布置確定抗側(cè)力構(gòu)件間的共同工作并進(jìn)行各構(gòu)件間的地震內(nèi)力分析。質(zhì)量和側(cè)向剛度分布接近對稱且樓、屋蓋可視為剛性橫隔板的結(jié)構(gòu)，可采用平面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗震分析。其他情況，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗震分析。平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同計(jì)算模型

7、采用下列兩條假定：（1）樓板在自身平面內(nèi)為絕對剛性，在平面外的剛度為零。（2）各軸線上的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在自身平面內(nèi)的剛度遠(yuǎn)大于平面外剛度，即假定各抗側(cè)力平面結(jié)構(gòu)只在其平面內(nèi)具有剛度，不考慮其平面外剛度。因此，結(jié)構(gòu)體系有N個樓層，就有N個基本未知量，兩個方向的平面結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立，可分別計(jì)算。由于此法假定與荷載作用方向正交的構(gòu)件不受力，所以亦稱為平面協(xié)同計(jì)算。 對于平面和立面布置簡單規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)可采用平面或空間協(xié)同計(jì)算模型。平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和剛性樓板假定平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)假定剛性樓板假定平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同-框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖橫向框架計(jì)算單元縱向框架計(jì)算單元跨度跨度跨度取軸線間的距離相鄰樓板板底

8、間的距離基礎(chǔ)頂面至一層樓板底間的距離節(jié)點(diǎn)：視構(gòu)造情況可以是剛節(jié) 點(diǎn)也可以是鉸接點(diǎn)空間桿系、空間桿-薄壁桿系、空間桿-墻板元及其他組合有限元等計(jì)算模型空間桿系計(jì)算模型 將高層建筑結(jié)構(gòu)視為空間結(jié)構(gòu)體系，梁、柱、支撐等均采用空間桿件單元?？臻g桿薄壁桿系計(jì)算模型 將高層建筑結(jié)構(gòu)視為空間結(jié)構(gòu)體系，梁、柱、支撐等一般均采用空間桿件單元，剪力墻可以采用薄壁空間桿件單元。如在對筒中筒結(jié)構(gòu)和框架-核心筒結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時，框筒和框架部分可離散為一般的空間桿件單元，內(nèi)筒和核心筒則可離散為薄壁空間桿件單元。空間桿-墻板元梁和柱均采用空間桿單元，剪力墻采用可開門洞和進(jìn)行單元內(nèi)部細(xì)分的空間墻元，為了考慮樓板的變形，用空間板

9、殼單元來模擬樓板。計(jì)算模型-框架計(jì)算模型-框架-剪力墻結(jié)構(gòu)建筑平面圖標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置計(jì)算模型-框架-剪力墻結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置閣樓層結(jié)構(gòu)布置圖計(jì)算模型-框架-剪力墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置圖計(jì)算模型-框架-剪力墻結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的概念一階線彈性分析 first order linear-elastic analysis：基于線性應(yīng)力-應(yīng)變或彎矩-曲率關(guān)系，采用彈性理論分析方法對初始結(jié)構(gòu)幾何形體進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析。二階線彈性分析 second order linear-elastic analysis：基于線性應(yīng)力-應(yīng)變或彎矩-曲率關(guān)系，采用彈性理論分析方法對已變形結(jié)構(gòu)幾何形體進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析。有重分布

10、的一階或二階線彈性分析 first order (or second order)linear-elastic analysis with redistribution：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整的一階或二階線彈性分析，與給定的外部作用協(xié)調(diào)，不做明確的轉(zhuǎn)動能力計(jì)算的結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的概念一階非線性分析 first order non-linear analysis：基于材料非線性變形特性對初始結(jié)構(gòu)的幾何形體進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析。二階非線性分析 second order non-linear analysis：基于材料非線性變形特性對已變形結(jié)構(gòu)幾何形體進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析。彈塑性分析（一階或二階）ela

11、sto-plastic analysis(first or second order)：基于線彈性階段和隨后的無硬化階段構(gòu)成的彎矩-曲率關(guān)系的結(jié)構(gòu)分析。剛性-塑性分析 rigid plastic analysis：假定彎矩-曲率關(guān)系為無彈性變形和無硬化階段，采用極限分析理論對初始結(jié)構(gòu)的幾何形體進(jìn)行的直接確定其極限承載力的結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的概念有限元法 Finite Element Analysis：它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。矩陣位移法 matrix displacement met

12、hod：通過采用對結(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，進(jìn)而通過矩陣的形式對各基本參數(shù)進(jìn)行組織，編排，求出未知量的方法。單元剛度矩陣 element stiffness matrix：考慮到應(yīng)變與位移的關(guān)系以及廣義虎克定律，并代入虛功原理，可以得到有限元分析的基本方程：KD=R，其中K稱為剛度矩陣。本構(gòu)關(guān)系 constitutive relation：反映材料特定性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。內(nèi)力重分布 redistribution of internal force：超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性工作階段時，其內(nèi)力分布與按彈性分析的分布相比有明顯變化的現(xiàn)象。彎矩調(diào)幅系數(shù) moment modified factor考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的

13、內(nèi)力重分布，對按彈性方法分析所得彎矩進(jìn)行調(diào)整的系數(shù)。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB50153-2008）結(jié)構(gòu)分析應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、材料性能和受力特點(diǎn)等因素，采用線性、非線性或試驗(yàn)分析方法；當(dāng)結(jié)構(gòu)性能始終處于彈性狀態(tài)時，可采用彈性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，否則宜采用彈塑性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。當(dāng)結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限狀態(tài)前能夠產(chǎn)生足夠的塑性變形，且所承受的不是多次重復(fù)的作用時，可采用塑性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；當(dāng)結(jié)構(gòu)的承載力由脆性或穩(wěn)定控制時，不應(yīng)采用塑性理論進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ 3-2010 高層建筑結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力可按彈性方法計(jì)算?？蚣芰杭斑B梁等構(gòu)件可考慮塑性變形引起的

14、內(nèi)力重分布。抗震設(shè)計(jì)時，B級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用彈性時程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算； 宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補(bǔ)充計(jì)算。對受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，宜按應(yīng)力分析的結(jié)果校核配筋設(shè)計(jì)。對受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，宜按應(yīng)力分析的結(jié)果校核配筋設(shè)計(jì)。對結(jié)構(gòu)分析軟件的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)進(jìn)行分析判斷，確認(rèn)其合理、有效后方可作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程框架結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)等，其內(nèi)力和位移均可采用矩陣位移法計(jì)算。筒體結(jié)構(gòu)可按位移相等原則轉(zhuǎn)化為連續(xù)的豎向懸臂筒體，采有薄壁桿件理論、有限條法或其他有效方法進(jìn)行計(jì)算。在豎向荷載作用下，框

15、架內(nèi)力可以采用分層法進(jìn)行簡化計(jì)算。在水平荷載作用下，框架內(nèi)力和位移可采用值法進(jìn)行簡化計(jì)算。平面布置規(guī)則的框架-支撐結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下可簡化為平面抗側(cè)力體系分析。平面為矩形或其他規(guī)則形狀的框筒結(jié)構(gòu)，可采用等效角柱法、展開平面框架法或等效截面法，轉(zhuǎn)化為平面框架進(jìn)行近似計(jì)算。高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程征求意見稿取消了手算結(jié)構(gòu)計(jì)算方法混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50010-2010結(jié)構(gòu)分析應(yīng)符合下列要求：1 滿足力學(xué)平衡條件；2 在不同程度上符合變形協(xié)調(diào)條件，包括節(jié)點(diǎn)和邊界的約束條件；3 采用合理的材料本構(gòu)關(guān)系或構(gòu)件單元的受力-變形關(guān)系。結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、材料性能和受力特點(diǎn)

16、等選擇下列分析方法：1 彈性分析方法；2 塑性內(nèi)力重分布分析方法；3 彈塑性分析方法；4 塑性極限分析方法；5 試驗(yàn)分析方法。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法-彈性分析混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)彈性分析宜采用結(jié)構(gòu)力學(xué)或彈性力學(xué)等分析方法。體形規(guī)則的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)作用的種類和特性，采用適當(dāng)?shù)暮喕治龇椒ā；炷两Y(jié)構(gòu)的重力二階效應(yīng)可采用有限元分析方法計(jì)算，也可采用簡化方法。當(dāng)采用有限元分析方法時，宜考慮混凝土構(gòu)件開裂對構(gòu)件剛度的影響。混凝土連續(xù)梁和連續(xù)單向板，可采用塑性內(nèi)力重分布方法進(jìn)行分析。重力荷載作用下的框架、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)澆梁以及雙向板等，經(jīng)彈性分析求得內(nèi)力后，可對支座或節(jié)點(diǎn)

17、彎矩進(jìn)行適度調(diào)幅，并確定相應(yīng)的跨中彎矩。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法-彈塑性分析混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，可根據(jù)實(shí)際情況采用靜力或動力分析方法。結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件計(jì)算模型宜按下列原則確定：1 梁、柱等桿系構(gòu)件可簡化為一維單元，宜采用纖維束模型或塑性鉸模型；2 墻、板等構(gòu)件可簡化為二維單元，宜采用膜單元、板單元或殼單元；3 復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)、大體積結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)或局部區(qū)域需作精細(xì)分析時，宜采用三維塊體單元。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法-塑性極限分析混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50010-2010整體結(jié)構(gòu)的塑性極限分析計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定：1 對可預(yù)測結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的情況，結(jié)構(gòu)的極限承載力可根

18、據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)塑性屈服機(jī)制，采用塑性極限理論進(jìn)行分析；2 對難于預(yù)測結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的情況，結(jié)構(gòu)的極限承載力可采用靜力或動力彈塑性分析方法確定；3 對直接承受偶然作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或部位，應(yīng)根據(jù)偶然作用的動力特征考慮其動力效應(yīng)的影響。承受均布荷載的周邊支承的雙向矩形板，可采用塑性鉸線法或條帶法等塑性極限分析方法進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的分析與設(shè)計(jì)。當(dāng)邊界支承位移對板的內(nèi)力及破壞狀態(tài)有較大影響時，宜考慮邊界支承的豎向不均勻變形的影響。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范征求意見稿結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析可采用一階彈性或二階彈性分析。結(jié)構(gòu)考慮材料非線性分析或同時考慮幾何非線性和材料非線性效應(yīng)分析時，宜采用直接分析設(shè)計(jì)法；當(dāng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)倒塌分析、抗火分析或在其它極端荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)采用（靜力或動力）直接分析設(shè)計(jì)法。直接分析設(shè)計(jì)法應(yīng)同時考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性、材料非線性以及節(jié)點(diǎn)剛度和構(gòu)件殘余應(yīng)力等缺陷對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生的影響。應(yīng)建立帶缺陷的整體結(jié)構(gòu)模型并采用帶缺陷的構(gòu)件單元，進(jìn)行二階彈塑性分析法全過程分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算方法建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50011- 2010建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析，此時，可假定結(jié)構(gòu)與構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)，內(nèi)力和變形分析可采用線性靜力方法或線性