高层建筑结构设计中ANSYS的应用

摘要 本文通过一个实例探讨了ANSYS软件在高层建筑结构设计中应用的可行性。 通过ANSYS 的APDL 语言对某高层建筑进行建模并对该结构进行了模态分析、风荷载及地震作用下的结构响应分析，并与普通结构设计软件PKPM计算结果进行对比,为高层建筑结构设计提供一种切实可行的对比分析工具。
关键字 高层建筑 模态分析 结构响应

Application of ANSYS in the Structural Design of Tall Buildings
Li Chun-lin
Abstract: Taking a specific engineering as an example ,the practicability of the application of Ansys in the structural design of the tall building is discussed. Compiling the ANSYS command - flow , the modal analysis , wind load response analysis and seismic response analysis of the tall buildings is calculated and compared with the results of the PKPM calculated. This effective analysis tool can be used for the comparison of the different design software.
Key words : tall building ; modal analysis ; structural response

引言：
目前建筑设计院多采用PKPM、TBSA、广厦CAD等结构设计软件进行结构模态、风荷载及地震作用下的结构响应分析。这些软件在进行分析的过程中，都对模型进行了很大的简化，有时甚至可能不能实际模拟建筑的真实结构。所以我国的《钢筋混凝土规范》规定，对于体型复杂、结构布置复杂的建筑应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。
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。ANSYS参数化设计语言（APDL）是一种类似FORTRAN的解释性语言，可以实现参数化建模，施加参数化荷载与求解以及参数化后处理结构的显示；另外ANSYS有限元分析软件提供了大量的单元形式，为利用ANSYS真实模拟高层建筑物并进行必要的结构设计分析提供了可能性。本文通过ANSYS 的APDL 语言对某高层建筑进行建模并对该结构进行了模态分析、风荷载及地震作用下的结构响应分析，探讨ANSYS在高层建筑结构设计分析中提供必要验证的可行性。
一、模型的建立
某一框架筒体结构，总高54米，18层，层高3米，结构平面如图1所示。柱子统一采用1100mmx1100mm，主梁采用500mmx800mm，次梁采用300mmx500mm筒体厚度取300mm，楼板厚度取200mm。
ANSYS建模过程中，整个模型采用两种单元类型：BEAM4和SHELL63。BEAM4是具有拉压扭弯能力的单轴元素；每个节点有6个自由度，x,y,z,绕x,y,z轴。具有应力强化和大变形能力，在大变形分析中，提供了协调相切劲度矩阵选项，我们用其模拟梁柱框架中的梁和立柱。SHELL63为弹性壳，具有弯矩和薄膜特性，可承受与平面同方向及法线方向的荷载，每个节点6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴方向，有应力强化和大变形能力，提供用于大变形分析的连续性相切矩阵，我们用其模拟筒体和楼板，ANSYS有限元模型如图2 所示。
二、结构模态分析
固有频率和模态振型是结构的重要动力特性，任何结构或部件都有固有频率和相应的模态振型，这些属于结构或部件自身的固有属性。模态分析结果可以作为地震作用下结构响应分析的基础，因为地震时结构所受的地震力的大小与它的自振周期有关。模态分析的实质是计算结构特征特征方程的特征值和特征向量。
典型的无阻尼结构自由振动的运动方程如下：

令：
则有：
代入运动方程，可得：

上式称为结构振动的特征方程，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。
ANSYS求解模态分析的方法有子空间法，分块Lanczos法、缩减法、非对称法、阻尼法、QR阻尼法以及PowerDynamics法等。对于大型结构, 一般不需要求得结构的各阶特征值,只需要计算起控制作用的前几阶,所以在结构分析中对于大型结构一般采用子空间迭代法. 本算例中计算特征值也是采用子空间迭代法.表1和图3分别列出了结构的前4阶频率和振型。计算结果表明计算模型是能很好模拟实际结构的。
表1 结构前4阶固有频率
计算软件 第一振型 第二振型 第三振型 第四振型
ANSYS 0.7211 0.8039 1.3025 2.4826
PKPM 0.7407 0.8257 1.3378 2.5132

第一振型 第二振型

第三振型 第四振型
图3 ANSYS分析结构振型
三、风荷载作用下的结构响应
高层建筑结构一般处于竖向荷载（结构自重、使用荷载及竖向地震荷载）和水平荷载（风荷载、水平地震荷载）共同作用下工作的。荷载对结构产生的内力是随建筑的高度增加而变化的，当建筑物的高度较小时，整个结构是以竖向荷载为设计的主要依据，此时水平荷载的影响相对较小，结构的水平位移也很小。当建筑物高度不断增加时，竖向荷载F对结构产生的轴力N近似和高度H成正比，水平荷载q对结构引起的弯矩M和水平位移u则近似分别与高度的平方和四次方成正比，即：
N=FH M=1/2qH2 u=qH4/8EI
所以对于高层建筑，结构的设计是由水平荷载（风荷载及地震作用）控制的。
计算高层建筑结构在风荷载作用下的结构响应，风荷载标准值按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）[5]公式7.1.1-1计算：

式中： 为风荷载标准值， 为高度 处的风振系数， 为风荷载体型系数， 为风压高度变化系数， 为基本风压，取 ，地面粗糙度按C类计算，读取模态分析结果生成的振型系数。风荷载属于表面荷载，在ANSYS中计算中为了简化起见，将风荷载等效地施加在结构外表面梁柱汇交处，进行静力分析。图4是X，Y两个方向风荷载作用下的结构响应。

图4 风荷载作用下的结构响应（cm）
在PKPM软件中，程序也是自动把面荷载等效为节点集中处理的，结果对比可知两个软件分析的结果吻合的很好。通过对比分析我们发现ANSYS软件能很好的模拟风荷载作用下结构的响应。
四、地震作用下的结构响应
地震是一种常见而又危害极大的自然现象，而我国又是地震多发国家之一，所以为了减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，我国颁布了相关的法律及规范，强制要求对规范要求的建筑进行必要的抗震设计。地震是高层建筑结构的主要荷载形式之一，水平作用是最主要的。
地震波是一段加速度时间历程，所以求解地震作用下的结构响应，我们多采用瞬态动力分析（即时间历程分析）。瞬态动力分析主要用于确定承受任意的随时间变化荷载时结构的动力学响应。在ANSYS中求解瞬态动力学分析的方法有完全法（Full）、缩减法(Reduced)和模态叠加法(Mode Superposition)。
该实例采用完全法，即采用完整地系统矩阵计算瞬态响应。通过选取El centro波前20秒地震记录对高层建筑施加X,Y两个方向的地震激励，计算该高层建筑结构在地震激励下的结构响应以及层位移包络图，为结构设计工程师提供必要的参考数据。图5~8分别为结构在X、Y向地震荷载作用下结构的响应曲线和位移包络图。



图5 X向地震荷载作用下的结构响应图 图6 X向地震荷载作用下层位移包络图




图7 Y向地震荷载作用下的结构响应 图8 Y向地震荷载作用下层位移包络图

五、结论
ANSYS参数化设计语言（APDL）可以实现建筑结构的参数化建模，施加参数化荷载与求解以及参数化后处理结构的显示。
ANSYS风荷载模拟结果比PKPM的结果稍小，所以应用PKPM软件进行结构设计是偏于安全的，而ANSYS更接近实际结构。
利用ANSYS进行地震作用下的结构响应分析，能为结构设计师提供必要的参考数据。例如：根据图8可知，该高层建筑结构在水平Y 方向地震波的作用下,结构的薄弱环节发生在结构的中下部，从层间位移包络图可见,5 层的楼层屈服强度系数小于其它层,成为整个结构的薄弱环节，故应采取一定的措施进行抗震加固。
综上所述，ANSYS能很好的模拟高层建筑结构，可以利用ANSYS模拟结果作为高层建筑结构设计中结果对比分析，辅助结构设计师设计安全可靠的建筑结构。

参考文献

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