基于ANSYS的框架结构风荷载分析

一、钢筋混凝土有限元分析的意义 钢筋混凝土结构是现代工程建设中，应用最广泛
的结构之一。长期以来，钢筋混凝土结构的分析主要 依靠试验和经验公式，而且主要是针对杆件结构。对 于复杂的混凝土结构主要采用模型试验，或弹性理论 进行分析，对某些结构则用极限平衡理论求的其极限 承载能力。 二、主要用途
➢ 用于重大结构，如核电站的安全壳、海上采油平台等。 既可以检验设计，又可以优化设计；既具有经济价值， 又具有研究价值。
三、高层建筑结构体系
1.框架结构体系 常用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由横梁和柱
通过节点构成承载结构，如图1.1所示。 2.剪力墙结构体系
常用于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平 作用和竖向荷载，如图1.2所示。 3.框剪结构体系
是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成 的结构体系。
图1.1 框架结构体系 图1.2 剪力墙结构体系
3.温度梯度在高度方向和长度方向一般都认为是线性的
4.如果刚度矩阵一致，注意比例，因为这是计算单元应力的依 据，如果人为地放大或缩小了横截面属性，应力计算和相 应的应力强化矩阵都将是错误的。
5.在回转仪模型分析中，改变初始位移值对计算影响很大，会 导致真实或虚构特征值存在潜在的错误。
6.该单元不能采用阻尼材料特性。
分析对象介绍 框架结构的模型建立
➢ 本模型是模拟建立的模型，建立于长春市某处，由一 幢12层高层建筑组成，总建筑面积6048平方米。建筑 总高度39米，建筑层数为地上12层，室内外高差为0.6 米。其平面及立面如下图所示。
框架结构由空间梁柱框 架和水平楼板组成。空 间梁柱框架分为竖直方 向立柱和水平方向楼板 梁，构成整体结构的骨 架。水平方向楼板梁用 于职称楼板，同时沿水 平方向传递载荷给立柱。 立柱主要用于成熟结构 的竖向载荷。 楼板承受每层的竖向载 荷，并将其传递给楼板 梁，同时增加结构的刚 度和整体性。
离地面或海 平面高度
(m)
5 10 15 20 30 40 50 60
A
1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 2.03 2.12
地面粗糙度类别
BΒιβλιοθήκη Baidu
C
1.00 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 1.67 1.77
0.74 0.74 0.74 0.84 1.00 1.13 1.25 1.35
➢ 板所产生的应力明显比梁要小的多，且跨度越小板 应力越小。柱的应力与高度近似成反比；整体结构 的应力最大值发生在二层顶梁处。
➢ 风荷载是高层建筑主要侧向荷载之一，下面主要内容 包括对风荷载的有关只是进行简要介绍，计算框架— 剪力墙结构在风荷载作用下的结构影响。
➢ 实际计算中，风压是随着高度和建筑物的外形而变化 的。一般首先选取基本风压 w0作为标准，乘以相应的
基于ANSYS的框架结构风荷载分析
高层建筑体系的发展 结构计算方法的发展 高层建筑结构的分析软件 有限单元法理论 钢筋混凝土有限元分析 本论文主要内容
一、高层建筑发展概况
我国高层建筑的发展与国外类似，经过一段从低到高， 从单一到复杂的发展阶段。1977年广州白云宾馆的建 造，使我国高层建筑的高度突破了100m（33层），此 后广州花园酒店、北京饭店、南京金陵饭店以及广州 白天鹅宾馆等相继出现。深圳、珠海特区的建设，从 一开始就给人们以全新的概念和面貌，高层建筑在这 些新兴城市几乎成了主调，深圳国贸中心大厦的建设 （50层、160m）是它的代表作。直到现今，世界各地 高层，超高层层出不穷，例如：中国台北101大楼， 2004年建成，共101层，楼高509米。马来西亚吉隆坡 双子塔，高452米，88层，1998年完工，是目前世界上 最高的双子楼。
由于风荷载属于表面荷载，简化起见，在后面的计算中 将风荷载等效的施加在结构外表面的梁柱交汇处。 利用公式：Fi wBiHi 计算出等效风荷载，具体数值见表3-4所 列。
Bi ——纵向或横向柱间距；
Hi ——等效层高；
例如：
H1

1 2
(H1'

H
' 2
)
H1 ——1节点等效层高；
H1' ——1层层高；
1. SAP程序系统 2. ADINA程序 3. FEM程序 二、高层建筑结构分析的专用软件
1. STABS软件系列 2. TBSA程序系统 3. SATWE软件 三、本文应用软件ANSYS特点 ➢ 适用范围广泛
对于土木工程领域，几乎所有的结构和荷载工况都
可以用来建模和分析并进行大规模的计算。
➢ 功能齐全 ➢ 建模方法简便
重力荷载作用下的结构 响应
风荷载作用下的结构响 应
➢ 房屋与结构物的自重，在一般情况下是不需要，但又 是不可避免的荷载，建筑结构物自重（指材料自身重 量产生的荷载）是恒载，属于永久荷载；其标准值应 根据结构的实际尺寸和材料单位体积自重（即平均重 度）计算确定，一般相当于恒载实际概率分布的平均 值。对于某些自重变异较大的材料和构建（如现场制 作的保温材料、混凝土薄壁结构构建等）自重的标准 值，应根据对结构的不利状态取重度的上限值或下限 值。
7.只允许使用应力强化和大变形这两个非线性特性。
Shell63单元特点： 1.壳单元的面积不能为零。 2.不允许单元厚度为零或者在角点减小为零的情况。 3.在壳单元组合中，只要每个单元不超过15度，可很好的产 生一个曲边壳面。 对结构进行分析:
1.对结构进行静力分析即非抗震分析，包括恒载、风荷载、 验算变形等等； 2.对结构进行动力分析即抗震分析，包括在每个节点分别 施加力、抗震分析等。
高度变化系数 z和体形系数 ，s 得出实际风压：
w z w0z s
➢ 本建筑建于长春，所以取基本风压 w0 0.6k5N/m2 ➢ 高度变化系数应根据地面粗糙度类别选定，本文选取
C类。规范所注系数数值见表3-1。利用线性插值法将 其计算为本文所需要的风压高度变化系数值见表3-2。
表 3-1 （规范）风压高度变化系数 z
二、现代高层建筑给我们的思考
今天随着用地面积的高度缩减，多层、小高层、高层、 超高层，一定是未来城市建筑的一个可持续性发展方 向。随着自然生态环境的复杂变迁、和寰球气候条件 的不断改变，不可预知的突发事件也时有发生，这些 不可抗力的外来因素，就建筑的安全性而言，它将是 建筑科学技术今天要解决和必将面对的问题。今天我 们的高层建筑，大多数是难以应对突发事件和自然灾 害的。当然我的这一说法一定会引起官方和业内人士 的非议，但是；我说的并不是建筑技术的问题，而是 建筑安全的技术干预、和建筑安全的预警机制。建筑 安全问题，不是简单一个技术问题，一个没有公共安 全意识的社会是不会和谐的，是不会应对灾难的，也 不会有发展前途的！
整个模型采用两种单元类型：BEAM4和SHELL63。梁柱 框架中的梁和立柱均采用BEAM4单元，楼板采用 SHELL63单元。
BEAM4单元菜单包括截面的高度、宽度、面积和截面 惯性矩，截面形式选用矩形。
立柱：底层立柱截面采用500mm×500mm，其余各层采 用450mm×450mm.
梁：梁截面采用同意形式200mm×300mm。
SHELL63单元菜单包括单元节点处的厚度，这里采用 等厚度。
楼板：楼板厚度取100mm。
整个模型采用同一种混凝土材料，弹性模量 EX=3.0×1010Pa，泊松比PRXY=0.2，密度 DENS=2500kg/m3。
二、模型建立
利用APDL语言分别建立几何模型和划分网格建立 有限元模型。
ANSYS软件主要有三种建模方法：实体建模法、直 接生成法和利用CAD系统创建模型。 ➢ 结构开放
ANSYS通过模块与CAD等系统直接相连，模块使用 均采用人机对话方式，使用方便。 ➢ 图形功能强大 ➢ 算法先进
针对不同有限元模型的大小和特点，ANSYS软件提 供不同的解方程方法，以供使用者选择。
有限元法是随着电子计算机的发展而发展起来的一种 有效的数值方法，它的创立和应用在工程分析中具有 重要的意义。在国外，有限元法在}o年代中起源于航 空工程中飞机结构的矩阵分析，60年代初，许多数学 和力学工作者参加了有限元法的研究，搞清了它的理 论基础，使有限元法得到了很大的发展，被推广用来 求解弹性力学的平面应力问题。在我国，60年代初， 著名数学家冯康教授和他的研究组提出了一种以变分 原理为基础的三角形剖分的近似法，为偏微分方程求 得了近似解，并在严密的数学基础上证明了它的收敛 性、稳定性和误差估计。这个方法就是人们熟知的有 限元法 。有限元法的出现，是数值分析方法研究领域 内重大突破性的进展，从结构分析发展到非结构分析， 从静力计算到动力计算，从弹性问题到弹塑性问题， 几乎在所有的连续介质和场问题中都得到了应用。
D
0.62 0.62 0.62 0.62 0.62 0.73 0.84 0.93
表 3-2 （线性插值）风压高度变化系数 z
高度z（m） 6 9 12 15 18 21
z
0.74 0.74 0.74 0.74 0.755 0.845
高度z（m） 24 27 30 33 36 39.5
z
0.861 0.877 0.893 0.909 0.925 0.944
H
' 2
——2层层高；
图3-5 侧向位移UZ分布图
图3-6荷载UY方向侧向第一主应力
图3-10 Y方向总变形
➢ 对于建筑结构，自身重量是最直接也是首先需要考虑 的荷载形式。下面内容就是主要计算结构在自重作用 下的位移分布和应力分布。
图3-2 模型的竖向位移分布
图3-3 模型的等效应力分布
➢ 在自重作用下，梁、板、柱均产生了不同程度的位 移。随着高度的变化位移也成规律性变化。由于底 部支座的约束作用，可将最下部结构视为固定端， 位移为零。如图所示3-2所示，最大位移的数量级较 小，可将其忽略，近似为零。因此可得出结论结构 顶层位移最大，高度的变化与位移近似成正比。
4.筒体结构体系 剪力墙在平面内围合成箱形，形成一个竖向布置
的空间刚度很大的薄壁筒体；也可加密框架的柱距， 并加强梁的刚度，形成空间整体受力的框筒等，从而 形成具有很好的抗风和抗震性能的筒体结构体系，如 图1.4所示。
图1.4 筒体结构体系
一、手工计算 框架结构体系、剪力墙结构体系、框剪结构体系均
➢ 用于结构或构件的全过程分析，对结构或构件的性能 及其实际的极限荷载有更深入、正确的了解，能揭示 出结构的薄弱环节，能对其可靠性做出正确的评价。
Beam4单元特点：
1.两单元长度和横截面积均不能为零。如果没有大的剪切变形 ，它的惯性矩可以为零。
2.在梁单元中，对于惯性矩的计算，横截面可以是任意形状。 但是，应力计算时取界面低端到中性轴的距离为相对应的 界面高度的一半。单元高度仅仅在弯曲计算和热应力分析 时才会使用
有不同的计算方法。 二、矩阵位移法
包括协同工作分、空间结构分析两种。 三、弹力方法解微分方程
解析解方法方程和半解析解法方程两种。 四、多种单元组合的有限单元法
基本原理：将高层建筑结构离散弹性力学的平面 单元、墙、板元和杆元的组合结构，组成未知数更多的 大型方程求解，从而得到更细致更精确的应力分布。
一、高层建筑结构的通用软件
根据《规范》规定——房屋和构筑物风荷载体型系数，可按下列 规定采用：房屋和构筑物与表7.3.1中的体型类同时，可按该表的规定 采用；（略）如图3-4所示。
图3-4 风荷载体型系数表
w 表3-3 实际风压（kN/m2）
0.66 0.66 0.66 0.66 0.67 0.75 0.76 0.78 0.79 0.81 0.82 0.84 0.71 0.71 0.71 0.71 0.72 0.81 0.82 0.84 0.85 0.87 0.88 0.90