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1、年建筑 科 学 ! # % #& ( ) # & ) )+,高层建筑结构实用设计方法六.高层建筑结构分析的计算机方法赵 西 安 中国建筑科学研 究院结构所 .高层建筑结构的计算机计算方法一 般采用位移法。 位 移法概念清晰, 计算步骤简单, 适合计算机的工作特点/ 位移法通过刚度分析,以节点位移为基本未知量, 由节点平衡条件建立位移 法方程, 联系未知的节点位移和 已 知的节点荷载01 2 二 3 + .式中02 节点位移向量4 3 外加荷载向量 4 1 刚度矩阵。方程的系数1 反 映了结构的刚度。 求 解方程 + . 便可得到位移, 从而计算内力/一、 空间协同工作分析方法 一 . 墓本 原
2、理高层 建筑结构空间协同工作分析方法适用于较为规则的框架 、 框架一剪力墙和剪力墙结构。 它也是目前高层建筑设计中应用最广泛的方法 /本方法的基本假定是0/ 楼板在自身平 面内的刚度为无限大, 平面 外刚度不考虑/楼面上任一柱或墙的位移 ,都 可用楼面 的三个位移 两 向 平 移倪, ” 和 转动 口 . 来表示/5 / 抗侧力结构可 以划分为若干 片平 面 框架和平 面剪力 墙, 它 们只 在自身 平面 内 发挥作用。 剪力墙按壁式框架处理。6一专7份,了节图 + 楼层平面这样,在每层楼面上, 可 以建立三组方程 图 + . 0 . 几何方程, 它用坐标原点 8 的三个位移9,沙, 夕来表示
3、任一 片壁式 框架 的位移09: 9 一 ; , 5 .犷?口 5 . 刚度方程, 它建立各片壁式框架所受 的水平力 和水平位移之间的关系 03 : 殆, 9+73 , , 北, ”# . 平衡方程, 它建立 各片壁式框架所受 水平力与总的楼层荷载的关系0艺二 , :另, 6二0 .万 “ , , 一 万, ; : 将 方程 5 . 代人 . 再代 人 . ,峨层侧移平力/扭, ,方程 丈 一犷外荷载、犷, ,协同工作基本方程、3盆八 奋吞 二 1 #39 , , 夕.奋 方程 ”备 方程 犷0 /,犷, ?。片进行平面辗架分析,计算杆件内力图 5 协同工作分析 方法流程即可得到协同工作的基本
4、方程 图 5 . / 协同工作分析的基本方程1 刁: 3 是 位移法方程, 基本未知量为楼层的位节叭 ” 、 ,共 & 个 & 为层 数 . 4 已知项3 为楼层 外荷载叭、 、 , 也是& 个0 方程数也是 & 个,因此方程可 以求解/求出楼层位移后, 由方程 5 . 可 以计算每片壁 式框架的位移叭、 巧4再由方程 . 可 以求得每片壁 式框架的水平力 、。, 完成结构水平 力在各片抗侧力结构的分配/ 这种分配不是主观的或者简单地按荷载面积分配, 而是考虑了各抗侧力结构的刚度 和它们位移的协调条件 包括双向平移和扭转 . , 所以称为空间协 同 方法。由此也可 以 知道, 人为地按间距分配
5、水平力、 采用平 面框架程序来分析高层 建筑结构是不正确的, 在设计中不应采用/ 二 . 用户应准备的工作目前各单位配备的程序功能多少有些不同 , 因此用户要准备的数据也有些不一样, 但下面这些数据总是必不可少的/ 结构的总信息这是描述结构整体特征所必要 的数据 , 例如总层料 抗侧力结构片数、 类型数4 各层层高 4各层质量和质心坐 标4 结构影响系数4 周期折减系数,设防烈度4 场地 土类型4 刚度折减系数以及程序功能的控制信息/5 /各片抗侧力结构的信息首先按轴线将剪力墙或框架划分为各片平面结构革充/ 剪力墙大并口 时作为壁式框架处理 4 开口 小时作为整截面 独立悬臂单柱框架.处理 /
6、逐 片框架 包括壁式框架 . 画 出轴线和刚域, 标出轴线长度、 刚域长度、 梁柱截面尺寸 图 . 。壁 式框架柱的轴线取剪力墙墙肢截面 的形心 轴线4 梁的轴线一般取在层 高处,避免因梁截 面高度不同而使梁位置上、 下变动。 刚域长度 按壁式框架规定取用/梁 的荷载在各片框架图中载明, 非刚域 区段直接作用在梁上 4 刚域区段 连同剪力墙 自重作为集中力和 弯矩作用于墙肢轴线上 / /各片框架位置 的信息在空间协同工作分析时, 框架位置 是很重要的信息, 框架位置 由所在平面 中 两 点 坐 标 , , 、 ., 0 ,甘, .来决定/ /风荷载作用信息如果考虑风荷载作用, 应 给出各层风力
7、值和作用点坐 标。 /材料 性质指标混凝土的强度等级、 钢筋强度等级应加以说明。以上这些数据, 应 在正式 填数据表之 前由用户准备好 /二、 复杂结构三维空间杆件分析方法近 年来, 筒体结构和 各种 复杂体型 高层 建筑广泛应用, 许多 工程已 不哪艺划分为 若? 0 平面 结构基本单元, 因而要 求采用计 算 功能 更强 ,适应性更广的空 间分折程序 一 . 墓本原理三维空间杆件分析方法采用空间框架计算模型 , 这种三维空 间框架 包 含 两 类 不 同 的杆件0一般空间杆件一一 梁、 柱4履缈老梁必十万万口二亘 口五0涓日0诸, +砰= 匆一匕月5 。以斗计算简图协同工 作计算各片结构的
8、数据薄壁空间杆件剪力墙墙肢/梁、柱为空 间线形杆件 , 每端有 个自由度 0 钵、 ”、 、 口 、 、 口0 4 对应着 个 杆端力0& + 、 、0 、 、 、 0 图 . 。剪力墙作为薄壁空间杆件,除了上述每端, .由外,还了由度,即个自度个火截多第自面的翘曲角4应第力双力矩! 。 图 . /它对着个内& 0双力矩可由图说明,象剪力墙这样截面犷 0。 .尺 寸很大的薄壁杆件 单纯受扭时 ,即使外加轴力为零、弯矩为零,由于截面翘曲也会产生翘图 空间杆件图薄壁 杆科图 双力矩曲正应力。 , 这些翘曲正应力总和 为零, 但截面上各部分应 力值很大/ 例如工形截面 , 在两 个男赚上正应力。大
9、小相 等, 方向相反 , 总合 力为零, 总合力矩也为零 , 但翼缘上很大的正应力。 在设计中应予 考虑 。 这是薄壁 杆 件扭转产生的特点, 为此, 以力矩 和它们距离+ 之 积! 。 : # & 一 .即双力矩作 为 一 个标志来反映其影响的大小/由位移法可 以组成对于梁柱相交节点的位移法 方程,每个节点的未 知量为 个或 个/在实际程序编制时, 引人楼板刚度无限大的假定, 减少一 部分独立 自由度/ 二 . 程序的功能建研院结构所 编 制 的 程 序 ( ( ” 从8 年用于分析深圳国际贸易中心 筒中筒,8 层 . 、 绷京中央彩电大楼 简中筒, 5 层 0度设防 . 起, 至 今分析了
10、六十余座复杂体夔和空 间工作的结构, 在八年的使用过程中不断改进, 年移植到 #! 3 ) 2 、 微机上 , 并增加了许多功能 , 成 为 第 二 代 程 序 ! ( / 由于采用空 间杆件系统, 不 要 求形成平面 结构计算单元, 所 以对结构体系和 布置限制较少, 适应性广泛 / ! ( 程序的主 要功 能为 0可分析8 层 以内、 每层不超过58根柱、5 8 根梁的结构4平面 形状任意, 梁柱布置任意, 沿竖向可以变化4上下层柱、 墙布置可以变化, 可以取消或增加部分墙、 柱4可 以进行内力位移计算, 按现行规 范或即将公布的新规范进行内力组合与配 筋, 包括复杂形状剪力墙的截面配筋4
11、此 外, 还具有下面第三节所叙述的 “ 对计算程序的一般要求” 中的全部功能。三 . 用户应做的准备干作 ! ( 程序具有良好的前处理功 能, 所以输 人数据少,用户准备工 作方便/ 结构总信息大体如同空 间协同工作程 序, 但不必输人框架片数等信息 / 由于楼层质量值可 以由程 序自动计 算, 也 不必再输人。5 / 标准层几何信息由于空间分析, 不再 分片, 因此可按结构平面图直接输人几 何信意 图 . 。柱 0中心点坐标, 截面尺寸及主 轴夹角4墙0各墙段起止点坐 标, 厚度4梁0端点坐标 一般可与柱中心 、 墙段 起点相同 . 4 截面尺寸 /由于无须分成平面结构,因而也不必逐片画 其
12、立面图,不必计算杆件长度、 刚域长度和刚度 值,因而数据准备工作量大大减少。 / 荷载信息结构 自重 梁 、 柱 、 墙 . 由程序 自动 生成, 不必计算4面 分 布 荷 载 图 中 0 、 0 . 在 图 中+动鱿力,书+么色图 标 准层 几 何信息标 出4某些梁还 有特殊荷载, 须在图中标出/风荷载0 逐层 给出总风力和作用点4地震力0 层质量 由机器 自动生 成, 不必输人。三、 对计算程序的一般厂 要求目前, 高层建筑结构计算程 序很乡, 功能各异 , 用户在选择计算程序时, 必 须要求程 序正确 、 方便。 现 以建研院的协同工 作程序 ( 和空 间分析程序 ! ( 为例加 以说明
13、。 一 . 必须保证程 序是正确的程序的正确性, 包 括两方 面内容0/ 结构计 算模型和计算方法正确 ,程序编 制无误 45 / 现 行规范 、 规 程中有关条文的规定 、修正 、 调整 、 折减等等, 在程 序 中 己 加 以考虑 。只 满足 第 点的程序, 仅仅是结构 力学的分析程序 , 还不能在工程设计中应用。 实际 上程很复杂, 许多情 况下必须对计算结果加 以 昨正 , 以保证 合理和安 全。 只有同时满足上述两项要 求时 , 才是工程设计程序。 这些修正例 如有0 结构周期折减4框架柱承受剪力 、 弯矩的调整4烫在竖向荷载下的调幅4连梁的刚度折减4配 筋的构造要求4截面最小尺 寸
14、的要求/由于高层建筑结构非常复杂, 程序的计算结果无法用经 典解答来核对, 程序的正确性一般由下面两 方面来核对0/ 大量工程计算,结果 是合理 的/ 例 如 从 年至今计算了 8 个 以/ 上 的工程 4( ( 和 ! ( 从 8 年至 今计算一 ; 8 余 个 仁程 , 其结采是可信的/5 /模型 试验实测/ 例如中央彩电大楼 0峪层 . 、 解放军总通讯楼 层 . 、 某5 层大底盘塔形建筑等有机玻 璃模型 试验, 实测应 力与空 间分析计算结果相当一致, 从而证 明了杆件一 薄壁 杆件三维 空 间分析方法的正确性/ 二 . 程序使用应 当是方便的程 序使用方便对用户是至关重要 的, 也
15、是程序能否推广的重要 因素。 这包括0/ 输人数据量 少/目前, 0 幻 和 ! 都 采用了按标准 层输人 的方法, 减 少 了儿 何数据量。 ! ( 由于按平面 图输人 , 更为方 便 简捷 , 加之 采用了相同数据不再重复 的自拷 贝由能, 进一步减少 了数据量。荷载信息 占数据量 8 以 上, 减少荷 载数据是用尸 从关心 的问题 / 目前, 除自重 自功计算 以外 , ! 昌 程序还具有楼 面何叙 自动 生 成数据 的能力, 使以前 准价两三个星 期的工作,在半 天之 内便可全 部完成 , 例如呆 层建筑 , 全部 8 8 8 余条, 万余个数据 , 完 全 讥 器 生成 , 减少 一
16、了大部 分工作量。5 /有完 备的查错功能数据输入有错在所 难 免, 完善的查错功能可 以 避免人力、 机时的浪费。 ! ( 数据检查项 目达 5 项 , 通过数检后 , 基本 不会 出 现计算错误4 再加上有图形 检 查 功 能, 更 为完善了。 / 内力组合 、 配筋程 序考 虑全面, 构造要求在 配筋中满足 , 直 技给出绘施 工 图 的 配 筋数据。偿具有多种打印方式 , 按不同要求给出最必要的数据, 避免不必要的全部数据打印/ / 对计算结果能进行必 要的校核。四 、高层建筑结构动力分析 一 . 概述高层建筑结构 目前主要还是采用 静 力方法, 即对确定的、 不 变的荷载计算 其相
17、应 内力。 在地震计算中, 不管是振型组合法还是底部剪力法, 也还是用一个等效的水平荷载来代替地震作用, 按静力方法计算。历次展害表明0 许多按静力方法设计的建筑物, 已满足抗震规范要求, 但仍不免遭 到破坏 / 这表明静力计算方法不能完全代表建筑物在地震过程中的性能,当建筑物层数很多、 体型复杂时, 在地震中的反应 更为复杂, 用静力计算方法更难符合实际情况。 因此, 新的抗震设计规范规定, 下列建筑物宜采用动力分析方法0/ 高度大于 、 度 度 #、 类场地土 . 设防的建筑物45 / 高度大于 , 度、#类场 地土 . 和 度设防的建筑物4 / 体型 复杂、刚度和质量沿竖向急剧变化的建筑
18、物/地 展时,地面运动使建筑物受 到强 迫振动 , 产生加速度、 速 度和位移 , 从 而 产生 内力。 由于人 们已在各次地震中取得了地面运动加速度的记录, 因此可 以将高层 建筑作为一个振动体系, 按实际地展记录进行动力分析/ 二 . 动力分析方法高层建筑结构可采用分层振动模型, 楼层质量 , 集中于楼面 。 在地震作用下, 其 振动方程为 0 , = ) , = 1 ,.: 一 65。式中 、 ) 、 1 质度矩量阵、 阻尼和4 刚 劣 ,、 劣 ,、 劣,加速 度、 速度、位移向量,巾令/丁心,/为/材 尤咋八户0 赤艺 。 .图 高层建筑结构动 力分析模理 。,地 面运动加速度 向量
19、 。对 时间 求解方程 . , 可求得地震 过程 中各楼层的加速 度、速度和位移 , 从而计算层剪力、倾覆力矩/ 方程 . 是联立微 分方程组, 只能用数值积分方法用计算机进行。地 震记 录 5 / ,应 根据场地土类型和 结构特点选用。 例如# 类场地土 常用 唐 山 迁 安 记录、 松潘地震记 录4 类场地土可 用 +一 ) 已 一 ; 8 . 、 _ 5 . 记录和 人 工波 4# 、 # 类场地土可 用天津宁河地震记录 /三 . 用户应准备的数据建 研院结构所从 年开始已将动力分析方法用于实际工程计 算, 取 得 了 良好 的 效果 , 形成了% & 系列动力 分析 程 序/ % &
20、程序应用的工程中包 括0特别高的建筑物 , 如最近完成的广州国际大厦 层 , . 的动力分析4顶部带高塔的建筑物 塔一建筑物连成系统 . , 如沈阳的东北电力楼 总 高 8 , 塔高5 . “ 4 甘肃 电力调 度楼 总高 , 塔高 . 4平 面 或竖 向体型复杂的建筑物 ,如 形平面 的北京东方艺 术大厦 8 层 , . 、 竖向外挑内收的北海皇都饭店 /用 户在使用% & 程序前, 应准 备 的 数据有0/ 结构 总信息 0层数、 层高、 层质量、 周期 、 设 防烈度、 场地类型。5/刚度0 用户可 以按下列方法之一提供刚度信息0 + . 优先采用协同工作程 序 ( . 、空 间分析 程
21、 序 ! ( . 输 出的 侧 向刚 度矩阵4 5 . 用户给出每层 的层刚度 ?、 4 . 用户给出一组水平荷载3 。和对应的水 平位移共,由程序计算等效层 刚度/5 期。5 赵西安、钱庚 育,高层建筑结构分层 模 型 弹塑性动力分析, 固体力学学报 , 5 年第 期。 张 维撤、 吴秀、宦芬,层建筑筒体 构的水荣商结空间分析, 合肥工业大 学学报 , 年第 期。们赵西安、 王 万里、 邵弘 、 林立岩, 带塔 楼 高层建筑在地展 时的动力 反应, 建 筑结构 学 报 ,5 年第 期参 考 文 献 + 建研院结构所 、 上海工业 建筑 设计院, 高 层建筑结构协 同工 作分析的矩阵方法, 建
22、筑技术通讯一建筑结构,8 年第 期,力学 , 年第/ 侧卜 司卜 司户 月即卜 确 ,诵怕峭 价 月内卜 / 产 确认 白 川却声叫朋户 咭喃嫉 洲叫卜 确峨脚 州脚户 叫归 确帕阶朔即户 刁卜 训阶户翻即, 赵西安, 北海皇 都饭店结构直接动力 分析及其比较,建筑科学 ,年第 + 期。 李丹, 面向微机的高层建筑结构空间分析 程序,第十届 全国 高层建 筑结构学术交流 会论文集 /第 卷,一 。月 朋户 叫卜姗卜 月月护 确阶户州户 / 喇卜 州户 叫脚喇即户 训助户 叫钾 翻御卜 司即户月阳卜 叫护 刊脚 确甲护 翻司,叫卜“塑料窗组装线建设成套技术” 通过鉴定中国建研院装修部结合国情,
23、自 年开展了塑料窗组装线成套技术的研究工作,并通过北京密云 矿石材料厂 、 山东潍坊塑料门窗厂 及四川成都塑料 门窗厂三条生产线的建设 , 从可行性论证 、 设备工 艺选型 到产品检评、 投产的全过程 实践 , 补充完善了 “ 塑料窗组装线建设成套技术” 。 此项成果连同成都生产 线建设一起 北京及山东两条生产线已在年初分别通过省、 市级鉴 定 . 于 今年 月通 过了由部科技司与成都 市经委的联 合鉴定。鉴 定委 员们一致认为, 改性聚氯 乙烯塑料窗具有良好的热工、 密闭、 耐腐蚀 、 耐久等优点, 能够节约木材、 钢材、 能源, 改善室 内环境, 节约门窗维修费用, 可作为新 划门窗之一予 以推广/ 成都塑料门窗 厂组装生产线技术 比较先进 , 工艺成熟, 产 品质员 有保证, 可以 投产 /北京 、 山东 、 四 川三条生产线社会经济效益较好, 产品质量 符合有关标准, 说 明组装线建设成套技术工艺流程安排和设备选型合理, 运行稳定, 能够适应 各类 塑料 窗组装线建设的需要/可在全国有条件的地方建立小型、 分散的组装生产线逐 步推广 应用塑一料窗。 装修部供稿 .