高层建筑结构计算软件中的剪力墙模型简化-2019年文档资料

高层建筑结构计算软件中的剪力墙模型简化

现代工程结构的发展趋势是大跨、高耸、重载，平面布置和立面体型都变得越来越复杂，结构体系也日益趋于多样化，这给高层结构分析和设计提出了更高的要求，因此如何才能高效地、更加精确的对高层建筑进行内力分析和设计，从而提高高层建筑的稳固，确保其能够设计的承载标准才是当前高层建筑建造过程中急需解决的重要问题。 1.薄壁杆件模型分析

薄壁杆件模型是以古典薄壁杆件理论为依据进行建造的，将剪力墙结构作为空间的薄壁杆件，每一边都设置七个自由度，通过引入翘曲，将其作为额外的未知量，在考虑到非平面变形的基础上，从而真实地反映了薄壁杆件的力学特性，这个模型最大的优点就是自由度少、计算简单，能够使得高层结构分析得到较好的简化，对于分析高度较大，结构布置特别是竖向布置规则的高层建筑结构，这种建筑结构被认为是当前最理想的建筑结构模型。

这种剪力墙结构模型在其上面和下面的洞口之间的部分就是连梁，将同一层彼此相连的剪力墙墙肢作为一个薄壁杆件，但是这样的模型虽然在实际应用过程中能够发挥一定的效用，但是却不是最好的结构类型，因此在建筑工程中，剪力墙的洞口位置和空间连接关系非常的复杂多变，很难满足薄壁杆件理论的基本

要求，下面我就分情况对如下几种情况进行分析探讨。 1.1变截面情况

薄壁杆件一端的第七个自由度是用来描述薄壁杆件截面翘曲变形的，在平面布置的过程中，由于高层结构比较复杂，那么经常会出现薄壁杆件交叉连接的情况，彼此相连的薄壁杆件截面也不同，甚至出现了很大的差异，由于它们的扇形坐标不同，其翘曲变形不连续，因此有截面翘曲而引起的纵向位移不容易协调，这就造成一定的误差出现。 1.2长墙、短墙、多肢剪力墙情况

在建筑结构设计过程中，经常存在一些层数不多的剪力墙结构，这些剪力墙结构最主要的特征就是长而且矮，洞口较少，难以满足薄壁杆件在几何尺寸上的基本要求，存在着较大的模型误差。

因此在计算机软件中设计高层建筑的剪力墙结构模型的过程中，可以将薄壁杆件理论作为一个基本假设条件，认为杆件截面外形轮廓线在自身平面内保持刚性，这在墙肢较多或者较少的情况下，都会使得计算结果出现偏差。 1.3洞口对齐方式

薄壁杆件单元作为一种杆系单元，是通过点接触来传递力的，那么在用此理论分析剪力墙的过程中，就必须要将剪力墙的洞口对齐，因为一旦出现洞口没有对齐的情况时，就会使得整个模型中的结果分析变得比较主观。对于高层建筑结构设计过程中

剪力墙结构设计难以达到有效、真实的反映。 1.4框支剪力墙情况

用薄壁杆件理论的点进行传力分析剪力墙结构时，剪力墙结构只有一点是和转换大梁的某点变形互相协调的，不能够真实地反应剪力墙和转换大量交接面上的线变形协调，尽管通过计算机软件模型简化设计和计算以后，发现可以增加变形的协调点，但是这样操作的话就会又增加了新的矛盾，难以得到准确的分析结果。

在高层建筑工程项目设计和建造过程中，常在用薄壁杆件理论对框支结构进行整体分析的基础上，再用平面有限元程序对框支局部进行第二次有限元分析，这样可以在一定程序上改善分析精度，但是仍然很难和高层建筑结构的内力结构分布相符合，因为二次分析的精度主要是由框支局部的外荷载情况所决定，因此外荷载是通过结构整体分析得到的，那么在整体结构设计过程中存在的误差就可以通过外荷载进一步传递给二次有限元分析结果，从而在很大程度上影响二次分析的精度。 1.5带洞剪力墙情况

在用薄壁杆件理论对剪力墙结构进行分析时，剪力墙洞口两边是有一个变形协调连接点，那么就可以使用梁单元结构来模拟这部分剪力墙的刚度和变形，在连梁和薄壁杆件之间是通过刚臂进行连接的，进一步实现点的变形协调连接的，那么在剪力墙原型中就需要做好各个连接点之间的线变形协调，从而利用连梁结

构来模拟剪力墙进行分析。 2.剪力墙墙元模型

剪力墙承受着横向和竖向的承载力，那么就剪力墙自身结构来说，既有平面内刚度，同时也有平面外的刚度，从有限元当前的发展水平来看，用壳元来模拟剪力墙是比较符合实际的，壳元和剪力墙结构比较相似，也有平面外和平面内的刚度，但是在壳元模型中，剪力墙很难划分，剪后处理功能也比较弱，这在很大程度上限制了基于壳元理论的计算机软件在高层建筑结构设计过程中的应用。

那么要想实现计算机软件中对于剪力墙结构模型的模拟和简化操作，那么就必须对壳元模型存在的困难加以分析探讨，从而找出适合的解决方法。利用空间壳元模型的前提下，经静力凝聚而形成超单元，通过利用墙元来模拟剪力墙，在高层结构中，对于尺寸比较大或者是带洞口的剪力墙结构，都需要按照结构设计来完成基本构想，在程序自动运行过程中进行详细的划分，形成很多小的壳元结构模型，当然这些小壳元结构的数量、尺寸大小、空间位置等都是有既定设计结构决定，之后将小壳元结构的刚度进行叠加，那么利用一定的计算原则，将因为墙元结构细分造成的刚度减小去掉，从而将刚度转变到变节点上，确保墙元的精度和有限的出口自由度。

按照这样的方法进行剪力墙结构模拟和壳元划分后，就形成了一种高精度的单元，尤其是四边形单元对几何形状不敏感，通

用性好，那么考虑弧形剪力墙的情况下，从而将弧形剪力墙结构进行细分，之后将细分后的弧形剪力墙结构形成小的壳元结构，最后简化成为平面薄壳，从而可以很好地分析剪力墙结构的受力特性。

通过这样的结构模拟，可以真实地反应高层建筑结构设计过程中的剪力墙结构模型特点和应力场特点，墙元的每一个节点都有6个自由度，同时柱子和梁结构形成自然的变形协调连接，从而克服了薄壁杆件理论模拟剪力墙的缺陷，允许剪力墙洞口不对齐，从而根据用户的设计需要，自动完成剪力墙结构洞口的对齐操作，同时通过小壳元结构的刚度折减，从而完成在高层建筑结构设计过程中，出现的很多复杂的精度问题。 3.结束语

随着我国建筑行业的发展，高层建筑不断增加，那么在高层建筑物设计和修建过程中，对于建筑物的承载力和稳定性等需要进行严密的设计和规划，尤其是对于结构比较复杂的剪力墙高层建筑结构的设计来说，更需要采用有限元模型的高精度分析方法进行分析探讨，从而能够满足高层建筑结构计算机软件中剪力墙模型结构的简化，利用设计的结构模型，通过计算机科学计算操作，从而提高计算的精度，改善有限元的数值解的质量，不断地提高剪力墙模型简化结果的真实性和可靠性，从而使得工程设计分析人员能够更加放心的使用有限元软件。