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有限元分析在高层建筑设计中的应用

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有限元分析在高层建筑设计中的应用

【摘 要】：ANSYS软件是融结构、热、液体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，运用ANSYS程序对某高层建筑结构进行了建模、模态分析、瞬态动力学分析及阻尼的计算，解决了有限元分析中模态分析、阻尼计算等问题，对工程技术人员具有一定的参考价值。

【关键词】：ANSYS; 高层建筑; 模态分析; 阻尼

1. 引言

高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物,是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。城市人口集中，用地紧张,以及商业竞争的激烈化，促使近代高层建筑的出现和发展[1]。在高层建筑设计过程中，应用有限元分析软件对结构进行仿真模拟是未来建筑行业的发展趋势。ANSYS软件已成为土木建筑行业CAE仿真分析软件的主流。ANSYS对于高层建筑等体形复杂建筑的静力、动力、线性和非线性等力学问题的分析具有强大的优势，可以很好地反映这些建筑物及其基础在各种复杂因素作用下的力学行为，为确保结构的安全、正常使用提供了可靠的科学依据。

2. ANSYS软件基本介绍

ANSYS是世界上著名的大型有限元分析软件，它包括热、流体、电磁和结构等诸多模块，具有完备的前、后处理功能，强大的求解器以及多种方便而实用的二次开发技术，被广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本(目前最新版本已升级至10.0版本)，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC、SGI、HP、SUN、IBM等。在世界范围内，ANSYS软件已经成为土木建筑行业CAE仿真分析软件的主流。其在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用。可以对这些结构在各种外载荷条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案，为土木工程师提供了功能强大其方便易用的分析手段。在国内，ANSYS是第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院17个部委推广使用，唯一被中国铁路机车车辆总公司选定为实现”三上”目标的有限元分析软件[2]。

3. 有限元模型

3.1 参数定义

某高层框架结构，总高度54 m，18层，层高3 m，结构平面如图1所示。为了计算方便，钢筋混凝土的密度统一为2700 kg/m3，弹性模量按混凝土的弹性模量取值，泊松比取为0.2，其他参数见表1。

3.2 模型及单元的选取

建模过程中，采用了两种单元类型：Beam 188和Shell 63。Beam 188梁单元最大特点是支持梁截面形状显示，可以考虑剪切变形和翘曲，同时也支持大转动和大应变等非线性行为，而且可以直接显示梁截面上的应力和变形。适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，用其模拟框架结构中的梁和框架柱。Shell 63单元可以同时承受壳面内、外的荷载，同时具有壳单元算法和膜单元算法，该单元还考虑了应力刚化效应以及大变形效应，用其模拟外墙和楼层板。为了分析方便，可创建一个宏文件，这样可以随时调用宏文件，生成有限元模型。

4. 模态分析

模态分析用于确定结构的振动特性，如固有频率和各阶振型。固有频率和各阶振型是结构承受动力荷载设计中的重要参数，也是其他各类型动力学分析的基础。因此，首先要进行模态分析，获取结构的动力学基本特性。典型的无阻尼结构自由振动的特征方程如下[3]：

模态分析就是计算该特征方程的特征值及其对应的特征向量。

4.1 建模注意问题

1) 模态分析属于线性分析,在模态分析中只有线性行为是有效的，任何非线性行为都将被忽略并作为线性处理。

2) 模态分析中必须指定材料的弹性模量和密度。

4.2 模态提取方法的选择

本例采用Subspace法提取前5阶模态，质量矩阵采用一致质量矩阵。模态分析采用扩展模态法，本例只扩展5阶。

5. 瞬态动力学分析

瞬态动力学分析又称时间历程分析，用于计算结构在随时间任意变化的荷载作用下的动力学响应，目的是得到结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷随意组合作用下随时间变化的位移、应变、应力和力。瞬态动力学求解的运动方程如下[3]：

ANSYS瞬态动力学分析分为三种方法：Full法、Reduced法和Mode

Superposition法。Full法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应，在三种方法中最容

易使用，功能最为强大，可以包含非线性特性，本例时程分析皆采用Full法。

6. 阻尼的计算

阻尼是结构的动力特性之一，它只是影响动力响应的衰减。阻尼的本质和表现是相当复杂的，相应的模型也很多，本例采取最常用也是比较简单的Rayleigh阻尼，这种阻尼可用于Full法的分析。在ANSYS里，Rayleigh阻尼通过α阻尼(质量阻尼)与β阻尼(刚度阻尼)共同作用来实现，分别用ALPHAD与BETAD命令输入。在做Full法的瞬态分析时，用阻尼比定义的阻尼都被程序忽略掉了，许多时候需要用一个全结构的阻尼比去做Full法的瞬态分析，这时一个简单的办法是用α阻尼与β阻尼来逼近一个常数阻尼比。已知结构总阻尼比是ζ(对于钢筋混凝土杆系结构ζ=0.05)，则用两个频率点上α阻尼与β阻尼产生的等效阻尼比之和与其相等，就可以求出近似的阻尼与阻尼系数来用作输入值。求解方程组如下：

7. 结束语

运用ANSYS程序对某高层建筑结构进行了建模、模态分析、瞬态动力学分析及阻尼的计算，解决了有限元分析中模态分析、阻尼计算等问题，对工程技术人员具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 宋天齐. 多高层建筑结构设计[M]. 重庆：重庆大学出版社, 2001.

[2] 周宁. ANSYS机械机械应用实例, 中国水利水电出版社, 2006

[3] 尚晓江. ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.

[4] 王呼佳, 陈洪军. ANSYS工程分析进阶实例[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.

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高层建筑结构的抗风性能分析

高层建筑结构的抗风性能分析

高层建筑结构的抗风性能分析

高层建筑在现代城市发展中起着重要的作用，然而，由于其高度对风力的敏感性，抗风能力成为设计中的重要考虑因素。本文将对高层建筑结构的抗风性能进行分析，并探讨提升抗风性能的方法和技术。

1. 高层建筑的抗风设计原则

在进行抗风设计时，需要考虑以下几个原则：

1.1 结构稳定性原则：高层建筑的结构主要受到赋予风荷载的外部作用力，设计时应确保结构的整体稳定性，防止倒塌或倾斜。

1.2 结构刚度原则：高层建筑的结构应具备足够的刚度，以抵抗风力对结构的挤压和摆动。

1.3 减小风力作用原则：采用适当的设计手段，如减小建筑立面面积、采用适当的建筑形态等，减小风力对高层建筑的作用。

1.4 优化结构布局原则：对高层建筑的结构布局进行优化设计，提高结构的抗风性能。

2. 高层建筑抗风设计的分析方法

2.1 风荷载计算方法：通过采用风荷载计算规范，如国家标准《建筑抗风设计规范》等，计算出高层建筑所受到的风荷载大小及其作用点位置。

2.2 结构响应分析方法：采用有限元分析等方法，对高层建筑结构在风荷载下的响应进行分析，包括结构的应力、变形等参数。 2.3 抗风性能评估方法：通过对结构响应进行评估，确定高层建筑的抗风性能，如结构的安全系数、动力特性等。

3. 高层建筑抗风设计的提升方法

为了提升高层建筑的抗风性能，可以从以下几个方面进行设计改进：

3.1 结构形态优化：通过改变建筑形态，如减小建筑截面宽度、增加圆角等，降低风力对建筑的作用。

3.2 优化结构材料：采用高强度材料、耐腐蚀材料等，提高结构的抗风能力。

3.3 强化结构连接：采用可靠的连接技术，如预应力技术、抗风连接件等，提高结构的整体稳定性。

3.4 降低共振效应：采用减振器等技术手段，减小结构共振效应，提高结构的稳定性。

4. 抗风设计在高层建筑实际案例中的应用

抗风设计在高层建筑中得到了广泛的应用，下面以某高层建筑为例进行分析：

某复杂高层建筑振动台试验及有限元分析对比

某复杂高层建筑振动台试验及有限元分析对比

收稿日期：2010-10-08作者简介：赵书宁（1981－），男，山东德州人，硕士研究生，主要从事高层结构抗震研究。基金项目：广东省自然科学基金（031410）；华南理工大学科研基金资助项目（304-E30270）E－mail：ytshuning@126．com某复杂高层建筑振动台试验及有限元分析对比

赵书宁1，季静2，韩小雷2

（1．广东保利房地产开发有限公司，广东广州510308；

2．华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640）

摘要：某49层高层建筑结构形式为带转换层的部分框支剪力墙结构，采用主次梁转换，其多项指标超限使该结

构属于特别复杂高层建筑结构。为检验其抗震性能，采用1∶20的比例制作了缩尺模型，并进行了振动台试验，模

型总重量达到59.9t，加速度相似比降至1.69。本文研究了模型结构的动力特性、地震反应特征、破坏形态和破坏

机理。并且应用有限元程序软件对结构的抗震性能进行了深入的研究，试验与计算结果符合较好。

关键词：高层建筑；复杂结构；有限元分析；振动台试验；转换层结构

中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：1008－1933（2012）06－164－04

Comparisonofresultsbetweensimulatedearthquakebyshaking-table

testandfiniteelementanalysisonacomplexhigh-risebuilding

ZHAOShuning1，JIJing2，HANXiaolei2

（1．PolyGuangdongRealEstateCo．，Ltd．，Guangzhou510308，China；

2．SchoolofCivilEngineeringandTransportation，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China）

Abstract：Thepartialframe-supportedshearwallstructuralsystemisappliedtoa49-storeyhigh-risebuilding．Asacomplexgirder

ansys结构仿真案例

ansys结构仿真案例

ansys结构仿真案例

ANSYS是一款常用的结构仿真软件，可以对各种结构进行静力学、动力学、热力学等仿真分析。下面列举10个以ANSYS结构仿真为题的案例，以展示其在不同领域的应用。

1. 桥梁结构分析：使用ANSYS对桥梁结构进行有限元分析，评估其受力性能和安全性，为工程设计提供依据。可以对桥梁主要构件进行应力、变形、疲劳寿命等分析。

2. 建筑结构分析：通过ANSYS对建筑结构进行静力学分析，确定结构的承载能力和稳定性。例如，可以分析高层建筑的抗震性能，优化结构设计，提高抗震安全性。

3. 飞机机翼结构分析：使用ANSYS对飞机机翼进行有限元分析，评估其受力性能和结构强度。可以分析机翼的振动模态、应力分布等，优化结构设计，提高飞行安全性。

4. 汽车车身结构分析：通过ANSYS对汽车车身进行有限元分析，评估其受力性能和刚度。可以分析车身的应力分布、变形情况，优化结构设计，提高车辆性能和安全性。

5. 器械设备结构分析：使用ANSYS对器械设备进行有限元分析，评估其受力性能和可靠性。可以分析设备的应力分布、振动模态等，优化结构设计，提高设备性能和使用寿命。

6. 钢结构建筑分析：通过ANSYS对钢结构建筑进行有限元分析，评估其受力性能和稳定性。可以分析结构的应力、变形、破坏模式等，优化结构设计，提高建筑的安全性和经济性。

7. 水力发电机组分析：使用ANSYS对水力发电机组进行有限元分析，评估其受力性能和效率。可以分析机组的应力、变形、振动等，优化结构设计，提高发电机组的性能和可靠性。

8. 船舶结构分析：通过ANSYS对船舶结构进行有限元分析，评估其受力性能和强度。可以分析船体的应力分布、变形情况，优化结构设计，提高船舶的航行性能和安全性。

9. 油井套管结构分析：使用ANSYS对油井套管进行有限元分析，评估其受力性能和耐久性。可以分析套管的应力、变形、破坏模式等，优化结构设计，提高油井的开采效率和安全性。

密肋楼板配筋设计有限元分析

密肋楼板配筋设计有限元分析

密肋楼板配筋设计有限元分析

1 引言

密肋楼盖是由薄板和间距较小的肋梁组成。密肋楼盖刚度大、变形小、抗震性能好且外型新颖美观。当密肋楼盖的肋距大1.0m时，外型新颖，可满足公共建筑的美观要求，可不吊顶，并可相应降低层高。该楼盖体系适用于跨度和荷载较大的多层和高层建筑，如商业楼、办公楼等大中型公共建筑，也适用于多层工业厂房、仓库、车库等。

双向密肋体系在7.5M～12.0M跨度范围内比较传统的主次梁体系和井字梁体系具有更合理的传力路径和更好的整体性能，具有良好的空间效果。上世纪八十年代建造的北京图书馆是国内首次采用双向密肋模壳体系的大型建筑工程，上世纪九十年代国家建设部批准颁布了《塑料模壳钢筋混凝土双向密肋板通用图集》JSJT-200，2003年对图集又作了局部修订，随着建筑工业水平的提高，双向密肋模壳体系得以蓬勃发展，部分省市也相继编制了《钢筋混凝土密肋楼板》（L07G324）标准图集。

随着密肋楼板使用越来越频繁，同时工程建设单位对造价合理控制的迫切要求。仅仅依靠标准图集进行设计已经不能满足实际工程需要。近年来，随着有限元软件的大力发展，摆脱图集束缚，对工程进行独立的有限元计算，并依据其内力进行配筋设计成为设计单位的主要工作方法。

在设计过程中，Strat和Etabs是目前工程中常用的两种计算密肋梁楼盖体系的有限元软件，本文针对山东省某地下车库具体工程，采用此两种有限元分析软件分别对地下车库顶板密肋梁体系进行深入分析，并比较两者之间的设计结果差异。

2 工程概况

山东省某地下车库顶板，柱网跨度8.2m×8.2m，覆土厚度1.5m，上部活载16.00kN/m2；托板尺寸3.6mx3.6m，托板高度750mm。柱截面尺寸0.60mx0.60m；钢筋采用三级钢。结构平面图中，主肋架梁截面（1185（梯形下底）/1340（梯形上底））×650（高度），次肋梁（180（梯形下底）/350（梯形上底））×650（高度）。