基于ANSYS的框架結(jié)構(gòu)地震荷載分析

1、基于基于ANSYSANSYS的框架結(jié)構(gòu)地震荷載分析的框架結(jié)構(gòu)地震荷載分析一、高層建筑發(fā)展概況1：工業(yè)革命后建筑技術(shù)成就 18世紀(jì)末至19世紀(jì)末，歐洲和美國(guó)的工業(yè)革命帶來(lái)了生產(chǎn)力的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的繁榮。這時(shí)期，城市化發(fā)展迅速，城市人口高速增長(zhǎng)。鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和電梯的出現(xiàn)則促成了多層建筑的大量建造。2：高層建筑發(fā)源地-芝加哥 1880年后的十余年間，芝加哥取得高層建筑發(fā)展史上的輝煌成就。與此同時(shí)，美國(guó)其它城市由于受1873年起持續(xù)多年經(jīng)濟(jì)蕭條的影響而無(wú)重大建設(shè)。大量的建筑設(shè)計(jì)任務(wù)吸引了一批有才華的建筑工程師（也是建筑師）聚集到芝加哥，如： 詹尼 (設(shè)計(jì)第一棟高層建筑-家庭生命保險(xiǎn)公司大樓） 布思海姆 (

2、設(shè)計(jì)信托大樓一第一個(gè)采用大面積玻璃外墻) 魯特 (設(shè)計(jì)蒙納諾克大樓-世界最高磚結(jié)構(gòu)建筑) 沙里文 （高層建筑之父） 二、高層建筑特點(diǎn)1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機(jī)電管道的設(shè)置、施工技術(shù)的要求、施工工期長(zhǎng)短和投資造價(jià)的高低等。 2.能夠提供更多的空閑地面，有利于美化環(huán)境，并帶來(lái)更充足的日照、采光和通風(fēng)效果。3.可以縮小城市的平面規(guī)模，縮短城市道路和各種公共管線的長(zhǎng)度，從而節(jié)省城市建設(shè)與管理的投資。4.提高造價(jià)及運(yùn)行成本，防火要求較高。5.對(duì)于側(cè)向荷載作用設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。一、鋼筋

3、混凝土有限元分析的意義 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代工程建設(shè)中，應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)之一。長(zhǎng)期以來(lái)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析主要依靠試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式，而且主要是針對(duì)桿件結(jié)構(gòu)。對(duì)于復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)主要采用模型試驗(yàn)，或彈性理論進(jìn)行分析，對(duì)某些結(jié)構(gòu)則用極限平衡理論球的其極限承載能力。二、主要用途用于重大結(jié)構(gòu)，如核電站的安全殼、海上采油平臺(tái)、大型水利工程結(jié)構(gòu)的靜力分析，尤其是動(dòng)力分析，具有極其重要的意義。既可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)，又可以優(yōu)化設(shè)計(jì);既具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，又具有研究?jī)r(jià)值。用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的全過(guò)程分析，對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的性能及其實(shí)際的極限荷載有更深入、正確的了解，能揭示出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，能對(duì)其可靠性做出正確的評(píng)價(jià)。輔助試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)

4、設(shè)計(jì)。鋼筋混凝土有限元分析的現(xiàn)狀鋼筋混凝土有限元分析的現(xiàn)狀 1結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和邊界條件，以及所用材料的強(qiáng)度等級(jí)和主要配筋量等應(yīng)預(yù)先設(shè)定；2材料的性能指標(biāo)宜取平均值；3材料的、截面的、構(gòu)件的或各種計(jì)算單元的非線性本構(gòu)關(guān)系宜通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定；也可采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型，其參數(shù)值應(yīng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定或有可靠的的依據(jù)。混凝土的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、多軸強(qiáng)度和破壞準(zhǔn)則也可按附錄C采用；4計(jì)入結(jié)構(gòu)的幾何非線性對(duì)作用效應(yīng)的不利影響；5承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)應(yīng)取作用效應(yīng)的基本組合，并應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點(diǎn)和破壞形態(tài)作相應(yīng)的修正；正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)可取作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)永久組合。一、高層建筑結(jié)構(gòu)的通用軟件1.SAP程

5、序系統(tǒng)2.ADINA程序3.FEM程序二、高層建筑結(jié)構(gòu)分析的專用軟件1.STABS軟件系列2.TBSA程序系統(tǒng)3.SATWE軟件三、本文應(yīng)用軟件ANSYS特點(diǎn)適用范圍廣泛 對(duì)于土木工程領(lǐng)域，幾乎所有的結(jié)構(gòu)和荷載工況都可以用來(lái)建模和分析并進(jìn)行大規(guī)模的計(jì)算。功能齊全建模方法簡(jiǎn)便 ANSYS軟件主要有三種建模方法：實(shí)體建模法、直接生成法和利用CAD系統(tǒng)創(chuàng)建模型。結(jié)構(gòu)開放 ANSYS通過(guò)模塊與CAD等系統(tǒng)直接相連，模塊使用均采用人機(jī)對(duì)話方式，使用方便。圖形功能強(qiáng)大算法先進(jìn) 針對(duì)不同有限元模型的大小和特點(diǎn)，ANSYS軟件提供不同的解方程方法，以供使用者選擇。 有限單元是隨電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及和數(shù)值分

6、析技術(shù)日益發(fā)展而迅速發(fā)展的一種新穎有效的數(shù)值方法。它在50年代起源于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，60年代開始被推廣用來(lái)分析彈性力學(xué)平面問(wèn)題。由于它所依據(jù)的理論的普遍性，因此，很快就廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)問(wèn)題。目前已在各個(gè)工程技術(shù)領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。 基本思路和解題步驟： （1）建立積分方程 （2）區(qū)域單元剖分 （3）確定單元基函數(shù) （4）單元分析 （5）總體合成 （6）邊界條件的處理 （7）解有限元方程 有限元法的發(fā)展概況有限元法的發(fā)展概況 20世紀(jì)50年代，飛機(jī)設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)無(wú)法用傳統(tǒng)的力學(xué)方法分析飛機(jī)的應(yīng)力、應(yīng)變等問(wèn)題。波音公司的一個(gè)技術(shù)小組，首先將連續(xù)體的機(jī)翼離散為三

7、角形板塊的集合來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析，經(jīng)過(guò)一番波折后獲得前述的兩個(gè)離散的成功。20世紀(jì)50年代，大型電子計(jì)算機(jī)投入了解算大型代數(shù)方程組的工作，這為實(shí)現(xiàn)有限元技術(shù)準(zhǔn)備好了物質(zhì)條件。1960年前后，美國(guó)的R.W.Clough教授及我國(guó)的馮康教授分別獨(dú)立地在論文中提出了“有限單元”，這樣的名詞。此后，這樣的叫法被大家接受，有限元技術(shù)從此正式誕生，并很快風(fēng)靡世界。有限元法基本原理有限元法基本原理 有限元方法是將連續(xù)體離散化的一種近似計(jì)算方法。首先它將連續(xù)體離散為一組有限個(gè)按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合體，假象各個(gè)單元之間僅以結(jié)點(diǎn)連接，以結(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，以單元結(jié)點(diǎn)位移為參數(shù)假定單元的位移函數(shù)，建立應(yīng)變

8、與單元位移、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，從而得到應(yīng)力與單元位移的關(guān)系;然后分析單元變形能與外力勢(shì)能，得到單元總勢(shì)能，利用最小勢(shì)能原理，得到單元?jiǎng)偠确匠?求所有單元變形能與外力勢(shì)能之和，得到連續(xù)體的總勢(shì)能，利用最小勢(shì)能原理，得到總剛度方程;求解此方程即得到連續(xù)體的結(jié)點(diǎn)位移;再通過(guò)每個(gè)單元上的結(jié)點(diǎn)位移值即可得到各種待求物理量，如應(yīng)力、應(yīng)變等。 手工計(jì)算手工計(jì)算 由于計(jì)算機(jī)發(fā)展的限制，50年代到70年代后期，高層結(jié)構(gòu)基本是由手工計(jì)算完成的。不同結(jié)構(gòu)體系采用不同的計(jì)算方法。 矩陣位移法矩陣位移法 協(xié)同工作分析 ，空間結(jié)構(gòu)分析 彈力方法解微分方程彈力方法解微分方程 這種方法總稱為半解析微分方程求解啟發(fā)，具體包括半

9、解析能量發(fā)和有限元法。 有限單元法多種單元的組合有限單元法多種單元的組合 以此方法為基礎(chǔ)開發(fā)的通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序有很多，其中有代表性的是美國(guó)的E.L.Wilson等人最初開發(fā)的SAP程序 Beam4Beam4單元特點(diǎn)：?jiǎn)卧攸c(diǎn)：1. 兩單元長(zhǎng)度和橫截面積均不能為零。如果沒(méi)有大的剪切變形，它的慣性矩可以為零。2. 在梁?jiǎn)卧?，?duì)于慣性矩的計(jì)算，橫截面可以是任意形狀。但是，應(yīng)力計(jì)算時(shí)取界面低端到中性軸的距離為相對(duì)應(yīng)的界面高度的一半。單元高度僅僅在彎曲計(jì)算和熱應(yīng)力分析時(shí)才會(huì)使用3. 溫度梯度在高度方向和長(zhǎng)度方向一般都認(rèn)為是線性的4. 如果剛度矩陣一致，注意比例，因?yàn)檫@是計(jì)算單元應(yīng)力的依據(jù)，如果人為地

10、放大或縮小了橫截面屬性，應(yīng)力計(jì)算和相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)化矩陣都將是錯(cuò)誤的。5. 在回轉(zhuǎn)儀模型分析中，改變初始位移值對(duì)計(jì)算影響很大,會(huì)導(dǎo)致真實(shí)或虛構(gòu)特征值存在潛在的錯(cuò)誤。6. 該單元不能采用阻尼材料特性。7. 只允許使用應(yīng)力強(qiáng)化和大變形這兩個(gè)非線性特性。 Shell63Shell63單元特點(diǎn)：?jiǎn)卧攸c(diǎn)：1.殼單元的面積不能為零。2.不允許單元厚度為零或者在角點(diǎn)減小為零的情況。3.在殼單元組合中，只要每個(gè)單元不超過(guò)15度，可很好的產(chǎn)生一個(gè)曲邊殼面。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析: :1.對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析即非抗震分析，包括恒載、風(fēng)荷載、驗(yàn)算變形等等；2.對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析即抗震分析，包括在每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別施加力

11、、抗震分析等。本模型是模擬建立的模型，建立于長(zhǎng)春市某處，由一幢12層高層建筑組成，總建筑面積4032平方米。建筑總高度39米，建筑層數(shù)為地上12層，室內(nèi)外高差為0.6米。其平面及立面如下圖所示。 本工程屬于丙類建筑，地面粗糙度類別為C類，場(chǎng)地土類型為IV類場(chǎng)地土，抗震設(shè)防烈度按7度近震考慮。建筑物抗震等級(jí)為框架二級(jí)。由以上建筑圖可以看出，分析對(duì)象是一個(gè)12層的框架結(jié)構(gòu)，主要承重部件是3排5列共計(jì)15根立柱。211層結(jié)構(gòu)形式相同，底層和頂層的層高不同于中間各層。一、單元類型選擇和計(jì)算參數(shù)設(shè)定整個(gè)模型采用兩種單元類型：BEAM4和SHELL63。梁柱框架中的梁和立柱均采用BEAM4單元，剪力墻和樓

12、板采用SHELL63單元。BEAM4單元菜單包括截面的高度、寬度、面積和截面慣性矩，截面形式選用矩形。立柱：底層立柱截面采用500mm500mm，其余各層采用450mm450mm.梁：梁截面采用同意形式200mm300mm。SHELL63單元菜蔬包括單元節(jié)點(diǎn)處的厚度，這里采用等厚度。樓板：樓板厚度取100mm。整個(gè)模型采用同一種混凝土材料，彈性模量EX=3.01010Pa，泊松比PRXY=0.2，密度DENS=2500kg/m3。二、模型建立 利用APDL語(yǔ)言分別建立幾何模型和劃分網(wǎng)格建立有限元模型。房屋與結(jié)構(gòu)物的自重，在一般情況下是不需要，但又是不可避免的荷載，建筑結(jié)構(gòu)物自重（指材料自身重量

13、產(chǎn)生的荷載）是恒載，屬于永久荷載；其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸和材料單位體積自重（即平均重度）計(jì)算確定，一般相當(dāng)于恒載實(shí)際概率分布的平均值。對(duì)于某些自重變異較大的材料和構(gòu)建（如現(xiàn)場(chǎng)制作的保溫材料、混凝土薄壁結(jié)構(gòu)構(gòu)建等）自重的標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)的不利狀態(tài)取重度的上限值或下限值。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，自身重量是最直接也是首先需要考慮的荷載形式。下面內(nèi)容就是主要計(jì)算結(jié)構(gòu)在自重作用下的位移分布和應(yīng)力分布。圖3-1 位移約束 圖3-2 模型的豎向位移分布圖3-3 模型的等效應(yīng)力分布在自重作用下，梁、板、柱和剪力墻均產(chǎn)生了不同程度的位移。隨著高度的變化位移也成規(guī)律性變化。由于底部支座的約束作用，可將最下部結(jié)構(gòu)視

14、為固定端，位移為零。如圖所示3-2所示，最大位移的數(shù)量級(jí)較小，可將其忽略，近似為零。因此可得出結(jié)論結(jié)構(gòu)頂層位移最大，高度的變化與位移近似成正比。板所產(chǎn)生的應(yīng)力明顯比梁要小的多，且跨度越小板應(yīng)力越小。柱與剪力墻的應(yīng)力與高度近似成反比；整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值發(fā)生在二層頂梁處。4.1.14.1.1高層結(jié)構(gòu)抗震理論高層結(jié)構(gòu)抗震理論 我國(guó)建筑抗震規(guī)范（GB50011-2001）對(duì)建筑的抗震設(shè)防提出“三水準(zhǔn)、兩階段”的要求，“三水準(zhǔn)”即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。當(dāng)遭遇第一設(shè)防烈度地震即低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段，建筑物處于正常使用狀態(tài)。建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼

15、續(xù)使用。因此，要求建筑結(jié)構(gòu)滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算，要求建筑的彈性變形不超過(guò)規(guī)定的彈性變形限值。當(dāng)遭遇第二設(shè)防烈度地震即相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本烈度地震時(shí)，結(jié)構(gòu)屈服進(jìn)入非彈性變形階段，建筑物可能出現(xiàn)一定程度的破壞。但經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此，要求結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)难有阅芰Γㄗ冃文芰Γ┎话l(fā)生不可修復(fù)的脆性破壞。當(dāng)遭遇第三設(shè)防烈度地震即高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)雖然破壞較重，但結(jié)構(gòu)的非彈性變形離結(jié)構(gòu)的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞，從而保障了人員的安全。因此，要求建筑具有足夠的變形能力，其彈塑性變形不超過(guò)規(guī)定的彈塑性變形限值。 4.

16、1.24.1.2高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法 我國(guó)的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）對(duì)各類建筑結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算應(yīng)采用的方法作了以下規(guī)定：1、高度不超過(guò) 40m，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法等簡(jiǎn)化方法。2、除1 款外的建筑結(jié)構(gòu)，宜采用振型分解反應(yīng)譜方法。3、特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和限制高度范圍的高層建筑，應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，可取多條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。 4.1.34.1.3結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算方法結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算方法(一)通過(guò)查閱規(guī)范

17、，得到長(zhǎng)春市抗震設(shè)防烈度為7度，加速度0.1g。 =0.08，=0.5，則 =0.02， =1，=0.9，=0.45，取類場(chǎng)地，T=1.99S，梁：b*h=200*300,柱：底層柱：500*500，其余各層柱：450*450(二)結(jié)構(gòu)等效總重力荷載代表值集中在各樓、屋蓋標(biāo)高處的重力荷載代表值 12m ax4.1.4 4.1.4 建立分析模型建立分析模型圖4-1 X方向位移圖4-2 Y方向位移圖4-3 X方向應(yīng)力圖4-4 Y方向應(yīng)力圖4-5第一主應(yīng)力圖4-6 X方向總變形圖4-7 Y方向彈性應(yīng)變圖4-8 mises高層建筑框架結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下，樓板在豎向剛度是很小的，一般不予考慮，認(rèn)為相對(duì)無(wú)限柔性，而梁的剛度也是有限的，不可能保證各豎向構(gòu)件在同一樓層豎向位移相同，因此不能簡(jiǎn)單地用各豎向構(gòu)件軸向剛度之和來(lái)代表結(jié)構(gòu)的總豎向剛度。在高層框架結(jié)構(gòu)中，不能按疊加的辦法來(lái)求層軸向剛度，而必須考慮樓層梁剛度的影響。因此，由于各豎向構(gòu)件在同一樓層處豎向位移不同，需要用串并聯(lián)多質(zhì)點(diǎn)系模型來(lái)分