浅析高层建筑结构的计算分析方法

作者：林立孚

来源：《中国商人》 2011年第4期

林立孚（华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640）

摘要：文章针对在结构中广泛应用的分析方法和相关软件进行探讨，阐述了高层建筑结构抗震计算方法，就一些计算方法进行了探讨，并介绍了几种适用于高层建筑结构风振响应的计算方法，并将这些方法进行比较分析。

关键词：高层建筑结构；结构计算方法；分析设计软件；抗震计算方法；风振响应分析

中图分类号：TU973 文献标识码：A

文章编号：1009-2374（ 2010）33-0149-02

1 国内外的高层建筑结构分析软件

(1) 采用薄壁杆件：PKPM/TAT、TBSA、GSCAD/SS；(2)采用板- 梁墙元：ETABS、TUS/ADBW、ETS4；(3) 采用墙组元：TBSA/TBWE、GSCAD/SSW 等；(4) 采用板壳墙元：PKPM/SATWE、STAAD Ⅲ等；(5) 有限元分析软件：ANSYS、ADINA、SAP 等。

2 高层建筑结构分析软件的计算范围

2.1 薄壁杆件模型

以TAT( 中国建研院PKPMCAD 工程部)、TBSA( 中国建研院高层室)、SS( 广东省建筑设计研究院) 作为代表，针对高度较大，结构布置比较规则的结构。但是由于加入刚性楼板的位移协调矩阵，造成变形不协调。当结构模型中出现拐角刚域时，截面的翘曲自由度不连续，就会造成误差。因此，对高度较低或结构布置比较复杂的结构，计算精度并不理想。

2.2 板梁墙元模型（又称Wilson 嵌板单元模型）

其实质是平面单元，把剪力墙简化为一个膜单元+ 边梁+ 边柱，基本上由平面单元经改造成的空间单元。剪力墙洞口间部分模型化为一个梁单元，削弱了剪力墙原型的变形协调关系，这种单元导致整体计算结构偏柔。

2.3 墙组元模型

它与普通的薄壁杆件模型的不同之处在于：(1) 不强求剪力墙为开口截面，可以分析闭口及半开半闭截面；(2) 其杆件未知位移取为杆端截面的横向位移和各节点的纵向位移，单元数目随墙肢节点数增加而增加；(3) 采用最小势能原理，建立考虑剪力墙剪切变形的总势能的表达式，建立考虑剪切变形的单元刚度矩阵。

2.4 空间壳元模型

这种模型是由超单元——板壳墙元两种形式来模拟剪力墙，用空间壳元模拟剪力墙在某些建筑是比较接近实际受力情况的。

2.5 板壳墙元模型

由于板壳墙元既有平面内刚度也有平面外刚度，且剪力墙洞口间部分也可以作为墙元进行分析。因此，板壳墙元更能精确地分析复杂剪力墙结构。

2.6 通用有限元模型

它可实现对结构的整体分析，任意设定荷载工况，并可完成复杂的荷载工况组合；在整体分析的同时，也可对感兴趣的细部加密网络，得到较为精确的细部结果。也可将工程中感兴趣的细部单独建模，将结构整体分析的结果引入细部模型，得到满意的计算结果。

3 高层建筑结构抗震计算的方法

3.1 反应谱法

其主要特点如下：(1) 用规范规定的反应谱进行结构线弹性分析；(2) 根据设计反应谱进行结构线弹性计算，通过荷载和地震作用组合后计算得到内力，然后进行设计；(3) 在早期方案设计阶段，规定结构体系、结构体形的规则性及结构的整体性，以使结构能发挥非弹性延性变形能力。

3.2 结构弹塑性分析方法

可分为弹塑性动力分析( 时程分析) 和弹塑性静力分析( 推力计算) 两大类：

3.2.1 弹塑性动力分析方法 将建筑物作为弹塑性振动系统，直接输入地面地震加速度记录，对运动方程直接积分，从而获得系统各质点的位移、速度、加速度和结构构件内力的时程变化曲线。

3.2.2 弹塑性静力分析方法（Push over 方法） 将实际结构等效为单自由度体系，利用单自由度体系的地震弹塑性反应来反推实际结构的地震弹塑性反应的控制指标( 例如顶点位移)，最终获得实际结构的地震弹塑性反应的全貌。

4 高层建筑结构风振响应的试验分析方法

4.1 风洞试验法

理论基础是相似准则。在实际结构与实验结构几何外形相似的基础上，若两者对数衰减数、弹性数、密度比数、重力数、雷诺数一样，且两者满足一定长度缩尺比、速度缩尺比、密度缩尺比，那么两者的响应相同或成比例。

4.2 现场实测法

观测实际建筑物表面的风压分布，测量结构各个部分的位移、变形等。通过现场实测，可

为制定建筑荷载规范提供依据。利用统计方法对大量的观测资料进行分析，可得到各种风速谱。

5 高层建筑结构风振响应分析的计算方法

5.1 平稳高斯过程模拟法

包括线性滤波法和谐波叠加法。前者基于线性滤波技术，也称为时间系列法，如状态空间法、自回归法、滑动平均法、自回归滑动平均法等；后者基于三角级数求和，也称为频谱表示法。如CAWS 法、WAWS 法等。

5.2 非平稳高斯过程模拟法

非平稳随机过程更加如实刻划风的特性，与实际情形相符合。有AR 方法和FFT 方法和三角级数方法。

5.3 非高斯随机过程模拟法

包括自回归滑动平均(ARMA) 法和快速傅立叶变换(FFT) 法。ARMA 法基于线性差分方程，但不能显示出在不规则区间上具有极大幅值脉冲信号的特征，因此ARMA 法不完全适合用于模拟非高斯时间系列。

5.4 波分析法

小波变换应用于分析非平稳的瞬态信号。小波变换法能够聚焦到风速时程的任意细节并加以分析，提取样本的局部谱密度特征。

5.5 数值风洞技术

该技术是利用CFD 方法模拟结构周围风场的变化进而得出结构表面的风荷载。数值风洞能灵活地处理各种几何外形数据，满足各种相似准则，计算速度快，费用低，结果采集更为全面。6 总结

SATWE 适用于分析框支剪力墙以及转换层等复杂结构，是综合性能最强的结构分析程序。迄今，高层建筑结构风振响应分析以及抗震计算方法已取得不少成果，但是，一方面有必要研究精度更高，运算高效稳定的数值分析方法。另一方面，风与高层建筑结构问的耦合作用不容忽视。另外，有必要研究如何利用主动或被动控制、智能控制装置来控制结构的风振响应和提高结构的抗风能力。

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作者简介：林立孚（1987-）, 男，华南理工大学土木与交通学院学生，研究方向：高层建筑结构。