基于ANSYS的框架结构风荷载分析

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。
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。
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
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。
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
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；
➢ 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
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。
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
B
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
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！
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
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
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。
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.
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
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。
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பைடு நூலகம்算。
➢ 功能齐全 ➢ 建模方法简便
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
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