基于有限元分析的建筑结构设计

0 引言
随着我国经济的高速发展，各种超大型建筑的数量越来越多，结构越来越复杂，对设计的可靠性和准确性提出了更高的要求。

为了提高建筑结构设计的合理性和经济性，梁弢[1]提出了通过技术优化的方式来提高建筑结构设计水平。

对于结构专业而言，依靠计算机来辅助提高设计水平则是一个不错的选择，其可以通过庞大的计算能力节省大量的时间，还能帮助设计师全面地分析问题。

有限元分析方法就是利用计算机进行结构分析的理论基础。

所谓有限元方法就是把一个比较复杂的结构构件离散化为多个简单的细小单元再求解的方法。

结构被离散为多个单元后，各个单元的物理量（位移、应力、应变等）就可以通过单元的几何关系和物理关系等建立起相应的方程，然后通过各个离散单元节点之间的相互关系可以将各个单元联系起来，依此将离散的多个单元整合起来就可以得到整个结构的位移、应力及应变分布，最后根据结构的边界条件，就可以对结构进行求解。

这个计算过程比较复杂，但是计算机庞大的计算能力可以帮助研究人员实现。

童亿力[2]等通过有限元分析探讨了配筋率、混凝土强度、纵筋屈服强度、是否设置柱帽和抗冲切钢筋等因素对板柱节点抗冲切承载力和破坏模式的影响，并总结了影响规律。

李浩[3]等通过有限元软件建立了全框支厚板转换多塔结构模型，并以此进行了七度罕遇地震弹塑性分析，并引入小波包信号能量损伤评估的方法对该结构体系在大震作用下的损伤发展进行了评估。

刘海杨[4]等使用ABAQUS 软件对变电站钢结构进行耐火
性能模拟，对比分析了不同火灾场景下的结构温度分布、位移响应和耐火极限时间，最后研究了不同防火保护层厚度、不同工况下变电站钢结构的温度分布和耐火性能。

从以上可以看出，有限元分析方法已经在建筑结构设计与研究中有了广泛的应用，本文将在他们的基础上以有限元分析板柱结构受力特征以及验证车辆段盖板转换层可靠性两个案例具体介绍有限元的使用过程、优势及应用场景。

1 基于有限元分析板柱结构的受力特征
图1所示为某地铁车辆段检修平台，可以看到该结构设计
时通过中间拉梁，两边悬挑来实现结构功能。

但是柱中间拉梁使得该结构造型不够美观，且减小了使用净空，对使用造成了不便。

为了解决以上不足，结合无梁楼盖的结构形式，可以考虑将检修平台做成类似于无梁楼盖的结构形式，将盖板简化成四边悬挑，中间单柱支撑的板柱结构。

然而这种结构目前还没有较为明确的设计方法，其受力特征也不太清楚，板跨度比、板的厚度等因素都可能对结构受力产生影响。

为了弄清楚该结构的受力特征，指导设计师进行结构设计，设计师就可以考虑采用有限元的方法进行大量的数值分析。

图1 某地铁车辆段检修平台
1.1 结构建模
该结构进行建模分析时可以简化成四边悬挑，中间单柱支撑的结构，底端进行固结处理，板与柱均采用实体单元模拟，在板面上施加均布荷载，建立的模型如图2所示。

图2 有限元模型
作者简介：赵开祖（1996-），男，硕士研究生，助理设计师，研究方向：结构工程。

基于有限元分析的建筑结构设计
赵开祖
（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510000）
摘 要：为了使人们充分认识到有限元在建筑结构设计中的优势，使有限元分析方法在建筑结构设计中得到更广泛的应用，本文将通过介绍基于有限元分析板柱结构受力特征和验证车辆段盖板转换层设计可靠性两个案例，完整介绍有限元分析的理论实现和分析全过程，分析了有限元分析方法在建筑结构设计中的具体作用和优势，提出了有限元在建筑结构设计中运用场景。

研究结果表明，在我国经济高速发展，超大型建筑越来越多，结构设计越来越复杂的今天，有限元设计的方法凭借其快捷、经济、可靠性高的优势必然能大展身手。

关键词：有限元；ABAQUS；板柱结构；车辆段上盖中图分类号：TU318 文献标识码：A DOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.11.042
129第11期中国建筑金属结构
同时为了分析板跨度比、板厚等因素对结构受力的影响，分别建立如表1所示板跨比、板厚不同的11个模型对结构受力进行分析。

表1 有限元模型
模型尺寸（mm×mm×mm）板跨比l y/l x板厚（mm）
1 3 000×
2 400×2500.8250
2 3 000×2 700×2500.9250
3 3 000×2 800×2500.9333250
4 3 000×3 000×2501250
5 3 000×3 150×250 1.05250
6 3 000×3 600×250 1.2250
7 3 000×4 400×250 1.466250
8 3 000×3 150×100 1.05100
9 3 000×3 150×150 1.05150
10 3 000×3 150×200 1.05200
11 3 000×3 150×300 1.05300
1.2 结果与分析
以模型5为例，其有限元计算结果如图3所示。

可以发现，该结构的应力主要集中在中间部分，如果能够确定该应力集中
的范围，在该区域加密纵筋，就可以更准确地对结构进行设计。

图3 y方向应力分布
为了确定该应力集中区域的分布特征，在本次研究中取中间区域与整个截面的弯矩占比（M d/M y）表示该区域的内力集中程度，并研究了该参数与集中区域长度与板长比值（l d/l y）、板跨度比（l y/l x）以及板厚（h）的关系如图4～6所示。

（l/l)以及板厚（h）的关系如图4~6
所示。

图4
弯矩占比与集中区域长度与板长度的比的关系
图5
弯矩占比与板跨度比的关系
图6 弯矩占比与板厚度的关系
由图4可得，随着应力集中区域长度与板长比值（l d/l y）增大，应力集中区域部分的弯矩占比（M d/M y）越大；由图5可得，随着板跨度比（l y/l x）增大，应力集中区域部分的弯矩（M d/ M y）占比越小；由图6可得，随着板厚（h）的增大，应力集中区域部分的弯矩占比（M d/M y）越小，但其影响较小，在设计过程中板厚对于弯矩占比的影响可忽略不计。

根据以上有限元的初步分析，就可以对该四边悬挑的板柱结构的受力特征有一个初步的了解。

该结构的应力主要集中在中间区域，且其内力集中程度与该区域与板长比值（l d/l y）及板跨比（l y/l x）有关。

如果更进一步研究得到该区域弯矩占比（M d/M y）与板长比值（l d/l y）及板跨比（l y/l x）的数学关系，在对该结构进行设计时就可以在应力集中区域进行钢筋加密，而在其他区域减少钢筋，更准确地进行结构设计。

通过上述案例可以发现当需要深入研究一个陌生结构的受力特征时，有限元可以充分发挥其方便、快捷、经济的优势，建立大量的模型对影响结构受力的各个因素进行参数分析，达到提高设计准确性的目的。

2 基于有限元验证车辆段盖板转换层设计可靠性
对于很多比较复杂而又非常重要的结构，为了保证结构设
计的可靠性，可以采用有限元软件模拟验证其设计的可靠性。

图7 某车辆段盖板上盖结构yjk模型
如图7所示是某车辆段盖板上盖结构的yjk模型，高层住宅总高95.9m，无地下室，首层11.1m（含基础面-2.1m），二层裙房6m均为裙楼盖板层，第三层为塔楼架空层5.5m，3层以上26层标准层高2.9m，一共29层，总建筑面积为18457m2，采用全框支剪力墙厚板转换结构，转换层结构布置如图8所示。

130中国建筑金属结构
2023
年
图8 转换层结构布置
对于该地铁上盖结构盖板转换层十分重要，现在设计时常常采用yjk 软件来辅助设计，该设计软件模拟时采用系杆单元模拟梁柱、壳单元模拟板，虽然大大节省了计算时间，但还是与实际构件的受力情况存在着较大差距，为了较为准确地模拟该厚板转换层的实际受力情况，确保设计的可靠性，就可以采用ABAQUS 有限元软件的实体单元对结构进行模拟。

2.1 结构建模
对于该结构关注点在于转换层厚板，框支柱和底层剪力墙，所以建模时将模型简化成如图9所示，采用实体单元模拟梁板柱，并赋予其相应的混凝土、钢筋的材料本构关系，将框支柱底端固定，并在剪力墙顶部施加不同荷载工况的荷载，通过静
力加载研究结构的可靠性。

图9 有限元模型
2.2 结果与分析
图10为不同荷载工况下，框支柱、厚板及剪力墙的应力分布，由计算结果可以看到，在各种荷载工况下，结构并没有发生破坏，该厚板转换层结构是可靠的，通过有限元方法很好
地验证了该结构的可靠性。

（a）1.0恒载+0.5活载+1.0X
地震
（b）1.0恒载+0.5活载+1.0Y 地震
图10 整体mises 应力
通过上述分析可以发现，对于一些比较重要的结构，有限元实体单元模拟可以较为真实地模拟结构受力情况，可以全面提高结构设计的可靠性。

3 结论
本文通过详细介绍基于有限元分析板柱结构受力特征以及验证车辆段盖板转换层可靠性两个案例，介绍了有限元在建筑结构设计中的主要优势和应用场景。

（1）有限元可以方便、快捷、经济地建立多个模型，通过大量的参数分析，系统地研究各个因素对该结构构件受力的影响，全面深入地研究结构构件的受力特征。

（2）有限元可以较为真实地模拟结构的实际受力情况，较为准确地验核结构设计的可靠性。

相对于其他方法，有限元分析方法有其特有的优势，在对结构设计要求越来要高的今天，其必定能大显身手。

参考文献
[1]
梁弢.建筑结构设计中的技术优化[J].中国建筑金属结构,2022, 21(05):90-92.
[2]
童亿力. 钢筋混凝土板柱节点冲切试验与有限元分析研究[D].浙江理工大学,2022.[3] 李浩. 全框支厚板转换结构振动台试验及有限元分析[D].广州大学,2023.
[4]
刘海杨. 钢结构变电站耐火性能的数值模拟分析[D].兰州大学,2023.。