复杂结构分析指南1

转换梁
1.960 1.706 1.640 1/6401 1/5135 1/1792 1/1367 3.74% 3.49%
误差
13.56 % 3.58 % 3.08 % 3.78 % 29.78 % 2.06 % 28.16 % -2.35% -2.79%
箱形转换结构分析设计: 两种模型比较
恒载弯矩 墙 梁 左截面 -2260 -4024 78% 包络弯矩 墙 梁 -4318 -6121 42% 恒载剪力 墙 梁 2632 1784 -32% 包络剪力 墙 梁 4802 3079 -36% 中截面 1433 2411 68% 2413 4613 91% 215 36 -83% 911 899 -1% 右截面 -2314 -3555 53% -4977 -6611 33% -3480 -3006 -14% 8755 6862 -22%
箱形转换结构分析设计：结论
1 相对于杆系模型，转换墙模型可以更准确地分 析箱形转换结构，理论上更为先进。 2 梁模型算得的层间位移偏大 [30%]，结构偏柔。 3 梁模型计算得到的转换梁剪力普遍偏小[-36%]， 转换梁弯矩则普遍偏大[78%]，因而会出现主筋 过于保守而箍筋不足的现象，不排除抗剪问题隐患。 4 具体设计时： 整体控制（位移、周期等）宜采用转换墙结果； 转换构件主筋设计可以取梁模型的结果； 转换构件箍筋设计则应取转换墙模型的结果；
实际上，斜板的面内刚度具有很大的抗侧 力作用和对周边构件的协同作用，设计中必须 予以考虑， 如果忽略，结构的整体振动特性及斜板周 边构件的受力情况都可能失真。这是斜板与平 板很大的不同之处。
用PMSAP对同一斜屋面结构采用 两种模型作计算对比
不考虑斜板的计算模型
考虑斜板的计算模型
考虑斜板时，PMSAP会 自动生成斜板的有限元网格：
只考虑板的面外抗弯特性，难以准确考虑板面内的平 面应力及其对板承载力的影响。
楼板的三种分析设计方式
• 整体有限元分析并配筋 (PMSAP) 将楼板定义成弹性板，直接组装到整体结构中去。 板的所有应力和变形结果，均如同梁、柱、墙一样， 从整体分析中得到，并以此为基础作配筋。 它不但可以考虑同层房间之间的相互影响，也可以 考虑不同楼层之间的相互影响；基于整体结构计算的 弹性支座刚度，在有限元意义下是准确的。 可以准确考虑地震作用和风荷载等水平力的影响。 既能考虑板的面外抗弯特性，又可以准确考虑板 面内的平面应力及其对板承载力的影响，对板可进行 偏心受拉设计。
复杂结构分析指南
例说PMSAP
（第一部分） 编写：黄吉锋
中国建筑科学研究院软Hale Waihona Puke Baidu所
目录
1.斜板对主体结构分析的影响 2.普通楼板、斜板的整体式分析及设计 3.箱型转换结构分析和设计(转换墙) 4.人防顶板和外墙的整体分析设计
1.斜板对主体结构分析的影响
斜板结构分析
• 斜板在斜屋面结构、含斜板看台的体育场馆等多 种结构形式中都会遇到 • 它是常见、但在设计中又往往被忽视的重要构件， 忽视的原因是缺乏合适的分析、设计工具
转换结构按墙输入时，PMSAP自动生 成的转换墙和墙顶楼板的有限元网格
转换结构按墙输入时，转换墙和墙顶、墙底楼板的有限元网格
箱形转换结构分析设计
箱形转换 按墙输入 时，在这 里查看配 筋结果和 控制内力
转换墙 配筋简图
底部主筋B 顶部主筋T 和箍筋G （cm2）
点开 这个 文本 文件 查看 转换 墙的 详细 控制 内力 和设
•如何应用PMSAP进行人防外墙和顶板的整体有限元分析
做墙的面 外计算时 （包括人 防、水土 压力）， 应选细分 模型；墙 侧节点按 照出口处 理；细分 尺寸不宜 太大，建 议取为1M
•如何应用PMSAP进行人防外墙和顶板的整体有限元分析
人防外墙和顶板的设计
• 用PMSAP进行人防外墙和顶板的整体 有限元分析和配筋设计总结：
国家体育馆由北京院和城建设计院联合设计； PMSAP作为主要设计程序，韩国的MIDAS作为校核程序； PMSAP提供了结构中梁、柱、剪力墙及所有楼板和看台 斜板的配筋结果；
国家体育馆全貌：SPASCAD建模，PMSAP分析、设计
国家体育馆：PMSAP计算的扭转振型
国家体育馆：PMSAP给出的梁、柱、剪力墙配筋简图
人防外墙和顶板的设计
• 简化算法 (SATWE)
按模型1得到的 面外弯矩 按模型2得到的 面外弯矩
验算时采用的面 外弯矩
H
4H
面内墙长取4倍的墙高
人防外墙和顶板的设计
•三维有限元算法（PMSAP）
PMSAP采用”同时考虑顶板和外墙的整体计算模型”
人防外墙和顶板的设计
•三维有限元算法 (PMSAP)
3.箱形转换结构分析设计(转换墙)
箱形转换结构分析设计方法
• 转换结构按照大梁输入 (SATWE,PMSAP） 按照杆系输入并计算； 转换大梁与上下层柱、墙之间的连接关 系模拟地较粗略,计算误差大； 不能考虑盒子效应（上下表面的楼板看 作转换梁的上下翼缘而形成的工形截面）； 可直接按照转换梁进行内力调节、并给 出配筋设计；
何时需要对楼板采用有限元整体 算法进行分析和配筋设计
总原则：如果结构的某些楼板（包括平板和 斜板）中存在显著的面内应力和变形，那么 这些楼板就应该采用整体有限元分析得到的 内力结果进行配筋设计。 通常，下列情况的楼板应定义成弹性板 做整体分析和设计：
应做整体分析设计的楼板
• 多塔楼之间连体部分的楼板以及与连体 直接连接的两侧主体结构的楼板
•接着在PMSAP第三项菜单“参数补充及修 改”中，指定板分析、设计的控制参数
对板做 整体分 析设计 时，板 细分尺 寸建议 取为1 米
•自动计算完毕查看板的分析设计结果
有关板的 整体分析 和设计结 果，都在 这个菜单 里查看
工程实例：国家体育馆
国家体育馆：SPASCAD建模，PMSAP分析、设计
箱形转换结构分析设计
箱形 转换 按墙 输入
箱 形 转 换 按 梁 输 入
箱形 转换 按墙 输入
箱形转换结构分析设计
箱 形 转 换 按 梁 输 入
两种输入模型几何形态上无区别，但墙是二维单元， 梁是一维单元，连接和传力都有较大区别
箱形转换结构分析设计
转换结构按墙输入并考虑弹性楼板后形成的“盒子”顶面和底面
国家体育馆：PMSAP自动生成的楼板、斜看台板的有限元网格
国家体育馆：PMSAP输出的楼板、斜看台板的挠度云斑图
国家体育馆：PMSAP输出的楼板、斜看台板的弯矩云斑图
国家体育馆：PMSAP给出的楼板、斜看台板的配筋简图
配筋面积（cm2 /m）
配筋走向(度)
楼板配筋图局部（形心，边界，cm2/m）
只考虑竖向恒、活荷载，不能考虑水平力的作用；
只考虑面外抗弯特性，不能考虑面内的平面应力 及其对承载力的影响。
楼板的三种分析设计方式
• 逐层计算并配筋 (SLABCAD) 把结构中的每个楼层单独取出，把整个楼层的板作 为计算模型，本层及上层的柱、墙作为板的弹性支座。 它可以考虑同层房间之间的相互影响；以相邻楼层 柱、墙作为弹性支座，相对于理想的三种边界条件(固支、 简支和自由)，精度有所改善。 不易准确考虑地震作用和风荷载等水平力的影响。
斜板结构分析
• 水平楼板在结构上的作用 1） 对竖向抗侧力构件起到水平的约束和协同 作用，将柱和墙拧成一股绳，形成整体 的、从而也是有效的抗侧力体系。尤其对 于抵抗整体扭转，具有重要意义。 2） 楼面荷载在本层的分配和传递作用
斜板结构分析
• 剪力墙在结构上的作用 1）最重要的抗侧力构件 2） 在立面上传递和分配竖向荷载
4.人防外墙和顶板的 有限元整体分析和配筋设计
人防外墙和顶板的设计
• 简化算法（SATWE）
中间墙段计算模型1
顶部墙段计算模型2
程序取4倍墙高作为计算宽度，左右下三面嵌固，顶部 取嵌固与简支两种边条件，按照双向板计算，取两种 模型计算弯矩的平均值作为设计弯矩，设计轴力取为 重力荷载代表值产生的轴力。
应做整体分析设计的楼板
• 悬挑结构的楼板以及与悬挑结构交接的 主体结构相应部位的楼板。
应做整体分析设计的楼板
• 平面开大洞楼层的楼板
应做整体分析设计的楼板
• 平面有明显的突出或者凹入的楼层的楼板
应做整体分析设计的楼板
•所有的斜板
应做整体分析设计的楼板
大底盘多 塔结构的 底盘顶层 及相邻楼 层的楼板
2.普通楼板和斜板的 整体式有限元分析及配筋设计
楼板的三种分析设计方式
• 逐房间计算并配筋（PMCAD） 将结构中的每一个房间的楼板取出，看作一块多 边形板，板的各条边的边界条件，都取为固支、简支 和自由三种理想状态之一，然后计算板弯矩并配筋。 不能考虑同层房间之间的相互影响，理想的边界 条件与实际的弹性支座有明显不同；
考虑斜板时某榀框架的梁端、柱端弯矩（正确）
不考虑斜板时的梁端、柱端弯矩（错误！）
考虑斜板时梁的正确弯矩图（俯视）
不考虑斜板时梁的错误弯矩图（俯视）
不考虑斜板造成的结构自振周期、 以及层间位移误差
项目
考虑斜板
不考虑 斜板
误差
第一周期 第二周期 第三周期
1.155 1.081 0.912
1.199 1.184 0.944
1. 按照实际情况定义人防顶板为弹性板6 2. 定义人防等级、层数、荷载等信息以及水土压力信息 3. 定义墙模型为细分模型，并选墙侧节点做出口，同时指 定楼板与墙的细分尺寸（建议取为1M） 4. 做完了前面三步，PMSAP即可对人防顶板和地下室外墙 进行全自动的网格剖分，做准确的有限元分析。 5. 依据人防规范对人防层的梁、板、柱、墙给出配筋设计
应做整体分析设计的楼板
板柱体系 或板柱抗 震墙体系 中的楼板
应整体分析设计的楼板
• 箱式转换层上下表面的楼板
应整体分析设计的楼板
• 桁架转换层上下表面的楼板
应做整体分析设计的楼板
• 搭接块转换层的楼板
用PMSAP做复杂楼板的配筋设计
• 首先要在“补充建模”模块中，将需要整 体有限元分析和配筋设计的楼板定义成 弹性板六（不能定义成弹性板3或弹性膜）
箱形转换结构分析设计方法
• 转换结构按照剪力墙输入（PMSAP） PMSAP中把“按照剪力墙输入的水平转换 构件”称作“转换墙”。 PMSAP对转换墙按照细分壳元作有限元分 析，可以准确模拟上下层之间的连接关系及盒 子效应。 不同于一般剪力墙（积分出顶底截面内 力），转换墙在内力积分时，则直接积分出左 右截面及中间各截面的“梁式内力”，再按照 转换梁的规范要求进行内力调节、最终给出配 筋设计。
转换墙的 梁式弯矩 包络图
转换 墙剪 力包 络图
箱形转换结构分析设计: 两种模型比较
项目
第一周期 第二周期 第三周期 X风位移角 Y风位移角 X地震位移角 Y地震位移角 X地震力 Y地震力
转换墙
1.726 1.647 1.591 1/6643 1/6664 1/1829 1/1752 3.83% 3.59%
斜板结构分析
• 斜板在受力及作用上，则具有双重特征： 1）类似普通水平楼板，对抗侧力构件（柱和 墙）具有水平协同作用、并且也可以传递 和分配楼面荷载 2）类似剪力墙，直接参与抗侧力，可看作是 一种倾斜的剪力墙 3）坡度越大，则墙的作用越显著 4）坡度越小，则水平楼板的作用越显著
斜板结构分析
在结构设计上应重视斜板的作用
PMSAP会自动剖分顶板和外墙的有限元网格
人防外墙和顶板的设计
•三维有限元算法(PMSAP)
PMSAP:顶板和外墙的有限元网格图的局部放大
用PMSAP做人防外墙和顶板的设计
首先在此 处定义人 防参数及 水土压力 信息
•如何应用PMSAP进行人防外墙和顶板的整体有限元分析
如需设计人防顶板，则要在PMSAP的补充建 模菜单中交互定义人防板为弹性板6
3.81 % 9.53 % 3.51 %
X风位移角
Y风位移角 X地震位移角 Y地震位移角
1/2217
1/1996 1/1840 1/1734
1/1595
1/1596 1/1615 1/1687
38.99 %
25.06 % 13.93 % 2.78 %
应用PMSAP考虑斜板的方式
• 在PMSAP计算时，斜板可采用下列几种计算方 式（在“补充建模”中指定）： 1）定义成弹性膜（忽略面外抗弯刚度，但可 以完成搂面荷载倒算，此时程序主要考虑斜 板的类剪力墙作用） 2）定义成弹性板6（同时考虑面内抗剪及面外 抗弯刚度，并可给出斜板本身的配筋设计） 3）如果用户不做任何弹性板指定，PMSAP将 自动把斜板考虑为弹性膜。该处理使得用户 不做任何额外的工作，即可对斜板结构进行 合理的分析和设计