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带地下室高层建筑结构计算方法及相关软件的应用探讨

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：梁炜文

[导读] 摘要：带有地下室的高层建筑可极大满足人们的生活和生产需求。

        玉林市建筑设计院　广西玉林　537000
        摘要：带有地下室的高层建筑可极大满足人们的生活和生产需求。如何提高该类型建筑工程实际计算模型计算精度是设计人员尤为关注的问题，以下是本文对带有地下室的高层建筑结构计算方法和应用软件的分析。
        关键词：地下室；高层建筑；结构计算；应用软件
        高层结构设计中不可缺少的工具就是结构计算分析软件。该软件在带地下室高层建筑结构计算中被广泛应用。结构计算中所使用的软件需要结合实际情况选择最佳的应用软件，确保结构计算精度。
        1.带地下室高层建筑计算模型及研究方法分析
        构建带地下室的高层建筑结构计算模型是对该类型建筑楼层侧向刚度和相邻上部结构楼层侧向刚度之比对地下室嵌固作用影响的前提。其中该模型的构建主要有两种形式，分别为分离模型和整体模型。如图1所示。

        图1分离模型和整体模型
        1.1弹簧刚度法
        弹簧刚度法中所设计的模型为整体模型，整体模型中将地下室和上部结构看成为一个整体，基础底板处为嵌固端，并将水平弹簧刚度引入到每层地下室的楼板处，该数值可以对回填土对地下室约束作用的强弱进行反应。弹簧刚度法被应用到工程分析中时，设计人员需要对水平弹簧刚度具体取值情况进一步明确，该环节的任务相对困难。地下室会受到回填土本身的约束作用，该约束作用涉及到的因素较为复杂，且观察难度系数较高。因此在高层设计软件中只是间接地将“回填土对地下室约束作用的相对刚度比”输入，而没有直接要求用户将水平弹簧刚度的真实数值输入上去。设计人员对每层地下室本身抗震侧移刚度大小是较为清楚的，此时间接取一个较为相似的刚度比值可明显简化操作难度。
        1.2嵌固水平位移法
        《抗震规范》中将地下室和上部结构看成为一个整体，基础底板处为嵌固端，结合地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小选择最佳位置对水平位置进行确定。该方法下需要用到楼层侧向刚度比计算，《抗震规范》中表明如果按照嵌固水平位移法对进行设计时可以采取剪切刚度比来估算地下室侧向刚度比。此外，《高规》中表明地下室侧向刚度比可采用剪切刚度比。一旦刚度比值满足《抗震规范》中的要求则可以确定最佳的水平位移嵌固部位，此时改成地下室顶板处的水平位移为0。但是在具体的软件操作中受计算效率和相关因素的影响，剪切刚度比法最佳。
        2.常见高层建筑结构分析软件计算范围及局限性
        2.1薄壁杆件模型代表性软件
        薄壁杆件模型代表性软件为TAT、SS、TBSA，该软件适用于结构布置较为规则、刚度较大结构计算较为理想的工程设计模型。薄壁杆件模型代表性软件下的计算精度可满足实际工程项目的设计要求。但是此种结构分析软件下也有异性的局限性，比如在单刚形成后将刚性楼板位移协调矩阵加入其中，此时会引入楼板无限刚性的假定，忽视了剪力墙剪切变形，出现不协调的变形情况。一旦结构模型拐角刚域出现时，界面翘曲自由度会不连续，此时误差就会出现。在各墙肢次要变形被忽视的情况下，结构刚度会增大。此外由于剪力墙上洞口的存在，空间杆系程序会受影响，只能对梁展开分析，但是实际中结构连梁对墙肢的影响可以简化为点约束，在点约束作用下结构刚度会减弱。且连梁越高、越多时削减程度就越大。加上该类的结构计算软件对结构转换层进行计算时，由于转换成结构与剪力墙之间的连接方式为线连接，因此作用在转换结构上的力是不均匀的，此时的杆系模型可简化为一个弯矩和一个集中力，因此就会增大软件在转换层分析时的误差。总之，薄壁杆件模型代表性软件在结构布置较为复杂或者高度较低的结构中适用性不强，结构结算结果不理想。
        2.2Wilsno嵌板单元模型
        Wilsno嵌板单元模型又被称为板梁墙元模型，该模型在国外较为常见。主要是对剪力墙进一步简化，将其简化为边柱+边梁+膜单元。其中梁单元是由剪力墙洞口间部分模型简化而成，简化后可将剪力墙原型变形协调关系进一步削弱，该单元下会导致整体计算结构偏柔，刚度不强。平板单元在有限元中出平面刚度为0，因此剪力墙出平面刚度依靠板梁单元无法精确模拟出来，会促使整体结构刚度减小。Wilsno嵌板单元模型下最具代表性的软件有BSSAD、ETABS、TUS/ADBw以及ETS4。该类型的软件可以将较小洞口或者是无洞口的一片剪力墙简化为一个单元，将较大洞口的一片剪力墙简化为板梁体系，该体系中由板单元和连系梁构成，简化后的单元可避免了划分剪力墙单元环节，自由度数得到了一定的减小，且分析效率明显提高。但是板梁墙元模型中在划分剪力墙时是按照“柱线”来划分的板单元，为了进一步确保变形的协调性，设计人员需要将“柱线”由上至下对齐，确保其贯通性。
        2.3墙组元模型
        墙组元模型中最具代表性的软件有广东省建筑设计研究院研发的SSW、中国建筑设计研究院高层室研发的TBWE。以上计算软件对墙组元的运用实际上是对薄壁杆件模型的进一步改进，但是墙组元模型与薄壁杆件模型明显的不同之处就是墙组元模型下对剪力墙是否为开口截面要求不高，剪力墙的截面可以为半开闭截面，也可以是闭口截面；墙组元模型中杆端截面的横向位移和各节点纵向位移为杆件未知位移，且墙肢节点数目直接影响单元数目，前者增加的基础上后者也会增加。这与一般的薄壁杆件固定14个的模式明显不同，以此来确保杆件位移的协调性；此外，墙组元模型依据了最小势能原理，并构建起了剪力墙剪切变形的总势能表达式和剪切变形单元刚度矩阵。由此可见墙组元是薄壁杆件单元和连续体有限元之间的结合体，属于一种全新的分析单元。
        2.4板壳墙元模型
        板壳墙元模型是依据剪力墙所受到的水平荷载作用和竖向荷载作用来构建的。该模型中本身就具备了平面内的一定刚度，加上平面外刚度的影响，更适应我国现阶段某些建筑结构计算的分析，可以对实际受力情况最大化的模拟。其中板壳墙元模型下最具代表性的软件有SAP2000、SUPERSAP、ANSYS。上述结构计算分析软件在前期的处理功能较弱，里面的数据交互图形输入功能对土木结果设计专业的人员来说实用性不强，加上剪力墙单元自动划分难度大的原因，也能以让建筑结构设计人员欣然接受。
        2.5通用有限元分析软件
        通用有限元分析软件的适用场合较多，且具备的功能也较多，如分析结构、电磁场、温度场、流场等。结构工程师在通用有限元分析软件的帮助下可以对结构和温度应力、渗流和地基变形等进行计算，该软件属于一种非线性计算模式，带有较强的分析能力。
        3.结语
        综上所述，以上就是本文分析的带地下室高层建筑结构计算方法和相关软件的应用情况，希望对该领域的研究有一定的帮助，可进一步推动我国建筑结构设计领域的发展。
        参考文献
        [1]林立孚.浅析高层建筑结构的计算分析方法[J].中国高新技术企业,2010(22):149-150.