高層鋼結構分析與設計的案例
考慮高層建筑的鋼結構節點承載力三維構建設計研究
摘 要：傳統的建筑有限元網格劃分、基于SMMS模型的節點承載力分析方法，沒有考慮狀態變量，而導致建筑物的荷載分析結果與實際不符等問題。為此，提出了基于高層建筑的鋼結構節點承載力三維構建設計。根據建筑物豎向和水平荷載作用下的彎矩，對高層建筑物鋼結構框架的節點所受力的機理進行分析。構建高層建筑鋼結構框架節點三維模型和有無支管情況下的有限元模型，分析有無支管有限元模型的荷載-位移關系，確定構建過程中節點參數與支管的關聯性。計算模型單元上下端狀態變量的傳遞關系，整合狀態變量，確定鋼結構框架荷載，并以此作為依據進行失穩判定，完成鋼結構框架節點承載力分析。由實驗結果可知，該方法在X、Y、Z三個方向的承載力與實際值最大分別相差2 kN、1 kN和1.5 kN,具有精準分析結果。
關鍵詞：高層建筑;鋼結構;框架節點;承載力;三維仿真;
近年來，國內外學者對高層建筑鋼結構的節點穩定問題進行了大量的探討。文獻[1]提出的基于有限元網格劃分的節點承載力分析方法，構建狗骨式節點模型，結合有限元網格劃分節點位置，并使用千斤頂在懸臂兩側施加荷載，通過傳感器測量獲取分析結果；文獻[2]提出的基于SMMS模型的節點承載力分析方法，結合應變修正平均應力，構建SMMS模型，并通過各個韌性參數，對節點承載力分析。然而，上述這兩種方法沒有考慮到支撐節點的承載力問題，使得總承載力計算結果與實際情況不符。為此，本文提出了基于高層建筑的鋼結構節點承載力三維構建設計。
1 工程概況
本工程選擇一座以鋼筋混凝土為主的多幢高層建筑物為研究對象，該建筑物2號樓地面以上8層，建筑樓面高43.2 m。3號樓A區地面以上9層，建筑樓面高45.6 m。2號樓和3號樓A區之間有一條大約28 m長的通道相連，構成了一個連通的結構，該結構的連廊采用鋼桁架結構。
展開 中國鋼結構金獎——大連東港D10、D13地塊超高層結構設計分享
伸臂桁架及環帶桁架示意圖
關鍵設計要點
1.伸臂轉換頭節點的有限元分析
在加強層部分，伸臂桁架與核心筒內埋型鋼連接，伸臂弦桿與腹桿均為箱型截面，過節點域后轉換為H型鋼截面，以便增加與剪力墻的接觸面，保證軸力有效傳遞至混凝土中。由于該節點存在構件的轉換，且各桿件交匯集中，內力較大，為了驗證節點設計是否可靠，設計時對節點域進行了應力分析。
2.巨型鋼骨節點的灌漿處理
加強層部分的伸臂節點，除桿件匯交外，還有較多加勁板，對核心筒墻體的澆筑帶來困難。設計中預先設置好流淌孔并通過模擬確定流淌路線，綜合考慮高空施工的可行性和質量，最終確定采用C60灌漿料進行地面灌漿。
3.濕混凝土澆筑對鋼管壁的影響
在進行鋼管混凝土柱的混凝土澆搗時，混凝土呈流動狀態，而單節鋼柱的長度約為12m，因此混凝土對底部鋼管側壁產生較大的側壓力，為解決此問題，在每層鋼管中部，增加一塊橫隔板。并采用MidasGen通用有限元軟件驗算施工階段濕混凝土狀態下的鋼管強度。通過分析避免了采用常規設置縱向加勁肋的方法，有效節省了用鋼量。
項目信息
建設地點：大連市東港區
結構類型：超高層辦公及住宅
結構高度：最高塔樓249.35m
建筑面積：556377㎡
所獲榮譽：中國鋼結構金獎
看了前面關于D10地塊的設計內容，是不是感覺意猶未盡呢？
展開 資源共享---ANSYS在中高層鋼結構抗震性能分析中的運用
中高層住宅由于經濟效益好，設計人性化而受到了用戶和開發者的重視，近年來，鋼結構以其自重輕、延性好、施工快等優勢在中高層建筑中得到了廣泛的運用。本文運用有限元軟件ANSYS對一特定的9層的鋼框架－支撐結構進行計算分析，介紹了框架結構有限元建模技巧，分析框架支撐結構的地震作用下的動力性能，并用APDL 語言編程進行后處理的簡化。
http://www.caenet.cn/paper/Paper.aspx?ID=315
展開 MIDAS GEN——鋼板剪力墻高層鋼結構彈塑性動力分析模型
鋼板剪力墻模型.zip
不知道多高層鋼結構如何抗震，怎么抵抗大震？
█ 偏心支撐框架弱耗能梁段要求
設計原則：強柱、強支撐、弱耗能梁段。
靠耗能梁段的塑性變形消耗能量，保護結構。
多高層鋼結構的抗震計算要求
█ 地震作用計算
結構自振周期計算：
可采用能量法或頂點位移法計算，考慮非結構構件對自振周期的影響，可采用0.9的修正系數對周期進行折減。
在初步設計時，基本周期也可按以下經驗公式估算：
式中n―建筑物層數（不包括地下部分及屋頂小塔樓）。
滿足條件時，可采用底部剪力法計算水平地震作用。
設計反映譜的阻尼修正：
鋼結構在彈性階段（小震）的阻尼比約為0.02，要注意反映譜平臺高度會比一般混凝土結構（阻尼比一般為0.05）提高，而下降段的下降指數和傾斜段的斜率也要做相應的的阻尼修正。
█ 地震作用下內力與位移計算
1、多遇地震作用下
結構在第一階段多遇地震作用下的抗震設計中，其地震作用效應采取彈性方法計算：可根據不同情況，采用底部剪力法、振型分解反應譜法以及時程分析法等方法。
2、罕遇地震作用下
高層鋼結構第二階段的抗震驗算應采用時程分析法對結構進行彈塑性時程分析。分析時，塑性階段的阻尼比可取0.05，并應考慮重力二階效應（效應）對側移的影響。
█ 構件的內力組合與設計原則
1、內力組合
在抗震設計中，一般高層鋼結構可不考慮風荷載及豎向地震的作用，對于高度大于60m的高層鋼結構須考慮風荷載的作用，在9度區尚須考慮豎向地震作用。
2、設計原則
框架梁、柱截面按彈性設計。同時，將框架設計成強柱弱梁體系。
展開 裝配式鋼結構+BIM技術在高層住宅中的應用（多圖詳解）
項目概況
該項目位于深圳市南山區，由住宅、公寓、還遷住宅、養老酒店等8棟高層建筑組成，占地6.7萬平方米，計容建面33.7萬平方米。
▲ 地塊總體規劃示意圖
根據建筑使用性能、平立面的規整性與建筑高度，本案選取8棟建筑中具有代表性的4號建筑進行研究。其結構高度179.6m，結構高寬比10.1，地上55層，層高3.1m(避難層4.0m)。平面尺寸投影尺寸23.1m×42.1m，其中標準層面積約710㎡，每層6戶(3種戶型)，地上總面積約4萬㎡。
深圳南山區抗震設防烈度7度(0.1g)，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.35s。10年一遇風荷載0.45kN/㎡，50年一遇風荷載0.75kN/㎡，100年一遇風荷載0.9kN/㎡。
▼ 注：本文圖片較大，可雙擊圖片，放大后查看。
▲ 4號建筑平面圖
▲ 4號建筑立面圖
結構體系
由于本項目結構高寬比達到10.1，且水平風荷載大，導致結構設計難度很大。針對這類高層住宅建筑，傳統做法是采用混凝土結構，通過增大構件截面、設置剪力墻等方法來增加結構剛度，以滿足結構安全性與舒適性的需求。但是傳統做法對建筑品質有較大影響，且施工工期較長，無法實現建筑工業化的目標。
為解決以上難點，同濟設計團隊突破傳統設計方法的限制，采用裝配式鋼結構進行設計，以滿足業主高標準的要求。
鋼結構方案的結構體系構成：CFT柱型鋼框架+支撐+黏滯阻尼墻。支撐布置于公共交通區域與建筑隔墻的位置，黏滯阻尼墻布置于結構的中上部，共72片。
▲ 鋼結構方案結構體系組成
▲ 鋼結構方案結構平面布置
▲ 黏滯阻尼墻構造圖
▲ 某項目黏滯阻尼墻安裝示意圖
采用鋼結構設計的優點
相比于傳統混凝土結構，本項目采用鋼結構體系具有多個方面的優勢。
展開 一文讀懂數字技術在超高層鋼結構上海中心大廈中的運用
02 超高層鋼結構的數字化設計與建造
基于數字技術的鋼結構構件設計與加工深化
在鋼結構設計階段，設計團隊利用Rhino+Grasshopper，Xsteel與Revit AR&ST軟件，搭建鋼結構模型，其技術優點體現在如下方面：由二維轉向三維設計，清晰明了地展示復雜的空間關系；由線條勾畫變成空間構件布置，完全考慮構件尺寸對于空間的影響，協調了鋼結構專業與其他專業的界面劃分問題。同時，設備專業會在鋼結構BIM模型的基礎上，進行管線綜合，對于梁下凈空不足的區域，可以直接在BIM模型中開洞，該模型經結構專業、設備專業確認后，可作為鋼結構加工、制作、安裝的參考依據，為鋼結構深化加工提供了精確的設計數據，壓縮了后續鋼結構加工制作與安裝工程的周期。
展開 海口雨林之心高層觀光塔結構設計要點
本工程外筒及屋面為空間自由曲面，借助Rhino + Grasshopper平臺，利用Grasshopper的可視化建模編程特點，并編制適應結構特點的相應算法程序，通過與分析軟件的API接口，實現異形曲面結構的參數化建模，并進行結構分析，結構分析后的三維模型可直接用于鋼結構詳圖深化設計。整個設計流程如圖6所示。考慮建筑效果，本工程采用的矩形鋼管，需要保證矩管翼緣與曲面平行，所有的矩管需要在空間扭轉一定角度，為獲得每根構件的精確扭轉角度，針對本項目特點，編制相應的計算程序，通過空間三維坐標及關系確定每個構件的扭轉角，獲得精確的計算模型。通過參數化方法解決了復雜空間結構造型的建模與可視化，實現了建筑與結構的協同設計，同時在結構分析、施工圖設計、鋼結構詳圖深化等專業協同方面發揮了作用。
▲ 圖6 結構參數化設計流程
高層豎向單層網殼結構的穩定性能分析
結構的穩定性能分析包含結構的 整體穩定性能和局部構件的穩定 分析。為了準確計算構件的計算長度，對結構進行屈曲分析，構件的計算長度可通過歐拉公式 反推得到 。獲得構件的計算長度系數如表1所示，從表中可以看出，筒體構件在殼體平面外的計算長度大于《空間網格結構技術規程》5.1.2條規定的1.6l，殼體平面內的計算長度系數與《網格規程》的0.9l取值接近。構件應力計算時殼體面外計算長度系數取值為2.5，殼體面內計算長度系數取值為1.0。同時采用直接分析法進行對比分析，采用計算長度法的構件最大應力比為0.72，采用直接分析法的構件的最大應力比為0.56，通過兩種方法的對比證明本工程按計算長度法計算偏于安全。
展開 超高層框筒結構反應譜分析
超高層框筒結構反應譜分析
摘要：基于有限元分析軟件，構建超高層框筒結構的參數化模型，計算其反應譜。
工程概況：該工程抗震設防烈度為8度，處于多遇地震區，設計地震分組為第二組，場地類別為第二類，特征周期，阻尼比為0.035。
本結構有56層，層高4，高224，首層占地面積為，三維平面布置圖見圖一；模型分四個標準層，各標準層梁、柱和支撐截面尺寸見表1、表2。本結構模型核心筒為鋼板墻，柱為方鋼混凝土柱，需要設置縱梁，用于兩種材料的賦予，具體材料見圖二，其中LL為連梁，LML為樓面梁，CL為次梁，BYL為邊緣梁，WALL為核心筒鋼板墻，KZ為框柱，BZ為邊柱，LB為樓板。整體模型見圖三。
展開 鋼結構網格結構支座節點設計詳解
規范下限主要是控制重力荷載在水平作用位移效應引起的二階效應不致過大，避免結構的失穩倒塌。見高規5.4.4及相應的條文說明。剛重比不滿足規范下限要求，說明結構的剛度相對于重力荷載過小。但剛重比過分大，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當減少墻、柱等豎向構件的截面面積。
剛重比不滿足規范要求時的調整方法：
1、程序調整：剛重比不滿足規范上限要求，在SATWE的“設計信息”中勾選“考慮P-Δ效應”，程序自動計入重力二階效應的影響。
2、結構調整：剛重比不滿足規范下限要求，只能通過調整增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度。
四、層間位移角：主要為限制結構在正常使用條件下的水平位移，確保高層結構應具備的剛度，避免產生過大的位移而影響結構的承載力、穩定性和使用要求。見高規 4.6.1、4.6.2和4.6.3及相應的條文說明。層間位移角不滿足規范要求，說明結構的上述要求無法得到滿足。但層間位移角過分小，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當減少墻、柱等豎向構件的截面面積。
層間位移角不滿足規范要求時的調整方法：
1、程序調整：SATWE程序不能實現。
2、結構調整：只能通過調整增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度。
1）由于高層結構在水平力的作用下將不可避免地發生扭轉，所以符合剛性樓板假定的高層結構的最大層間位移往往出現在結構的邊角部位，因此應注意加強結構外圍對應位置抗側力構件的剛度，減小結構的側移變形。同時在設計中，應在構造措施上對樓板的剛度予以保證。
2）利用程序的節點搜索功能在SATWE的“分析結果圖形和文本顯示”中的“各層配筋構件編號簡圖”中快速找到層間位移角超過規范限值的節點，加強該節點對應的墻、柱等構件的剛度。節點號在“SATWE位移輸出文件”中查找。
展開 建筑結構設計和鋼結構軟件有哪些？
建筑結構設計軟件有哪些選用？
一、對于多高層結構的設計優先選擇PKPM、ETABS和MTS；另外也可以選擇SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT、3D3S；如果是計算分析，隨便選一個通用有限元軟件即可，強烈推薦ANSYS。
二、對于空間結構的設計優先選擇SAP2000、MIDAS、STAAD PRO和ROBOT；純計算分析強烈推薦ANSYS、MIDAS、SAP2000和NASTRAN；
三、對于索膜結構可以選擇ANSYS、EASY、FORTEN、3D3S。鑒于EASY、FORTEN一定要用正版，所以還是用ANSYS和3D3S比較現實。
四、對于動力彈塑性分析建議采用ABAQUS和LS-DYNA；另外也可以選用ETABS（多高層）、SAP2000、MIDAS（最近推出Building專門做動力彈塑性）。
五、節點細部分析，建議采用ANSYS、ABSQUS；也可以選用NASTRAN和MARC。
另外，對于一些特殊結構，考慮到可能會使用到簡單的二次開發，所以還是建議大家選ANSYS、ABAQUS等帶有編程語言的通用軟件。
鋼結構軟件有哪些？
目前美國市場的主流軟件有：STRAP、ROBOT、RISA、ETPAS、STAAD、GTSTRUL。這些軟件水平相對較高，喜歡用那個軟件全憑用戶自己的好惡和習慣。不過現在在歐美，STAAD已遠不如以前受追捧。輕鋼結構最好用PKPM，PKPM界面通俗易懂。其它鋼結構最好用3D3S，因為其建模方便。STRAP 是目前市面上功能最強且內容最豐富的結構分析系統之一。STRAP 采用類似CAD 的圖形界面輸入模型與荷載。鋼結構軟件建議使用浙江大學的mst。該軟件已經比較成熟，且操作比較直觀。
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【實際項目】基于ANSYS某超高層大型深基坑支撐結構內力計算分析
深基坑支護體系包括土體、圍護結構以及支撐結構，是一個保護影響域內建筑物等的空間動態體系。其中支撐結構是基坑支護結構的重要組成部分，它由支撐桿件、環梁、立柱、吊桿等構件組成，是一個承受圍護結構所傳遞的土壓力、水壓力的結構體系。支撐結構必須穩定、結點連接構造必須可靠，支撐與豎向圍護結構共同作用為基坑施工提供一個可靠的結構空間。
一般來講，基坑支撐結構計算方法分為如下三種簡化算法：
1、不考慮共同作用的簡化算法
該方法將水平支撐結構視為不動鉸，計算簡圖如下所示，但這種處理方法過高地估計了水平支撐結構對豎向圍護結構變形的約束作用。
2、平面框架計算模型
該方法是先對平面框架進行平面分析，分析得到產生單位法向變形值，美每延米的支撐力及支撐的等效剛度。再將支撐等效剛度作用于每層支撐結構處，并對圍護體系進行平面分析，力學分析模型如下所示。此種方法建模簡單有效，但一般適用于平面比較規則的支撐體系，且需要足夠豐富的工程經驗。
3、空間桿系分析方法
該方法假定豎向圍護樁余其后土體構成一個平面共同工作體系，每層水平支撐結構將豎向圍護樁連接起來，組成空間結構體系。該方法考慮了水平支撐結構形成的支撐樁間作用，受力明確，但此種方法建模工作量較大。力學模型如下：
本次分享的實際項目為某地超高層建筑深基坑支撐結構體系的計算，該超高層主樓地上51層，副樓地上32層，裙房地上8層，整體設置四層地下室，基坑開挖范圍約為84mX111m,主樓區域挖深23.6m，裙樓區域挖深21.6m，周圍布置地下連續墻，并設置兩道支撐。
基坑東側、南側為高層居民住宅區，樁基礎，一層地下室，基坑北側、西側為市政道路，人行道與道路下埋設有雨水管道、給水管道、通訊管道、污水管道、電力管道。
展開 鋼結構設計簡單步驟和設計思路
轉自：中國機械CAD論壇
鋼結構設計簡單步驟和設計思路
(一) 判斷結構是否適合用鋼結構
鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、要求能活動或經常裝拆的結構。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、雕塑、倉棚、工廠、住宅、山地建筑和臨時建筑等。這是和鋼結構自身的特點相一致的。
(二) 結構選型與結構布置
結構選型及布置是對結構的定性，由于其涉及廣泛,應該在經驗豐富的工程師指導下進行。此處僅簡單介紹. 詳請參考相關專業書籍.
在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是"概念設計",它在結構選型與布置階段尤其重要. 對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部構造措施。 在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇，所得結構方案往往易于手算、力學行為清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。
林同炎教授在《結構概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規劃結構方案的方法，以及結構總體系和個分體系間的相互力學關系和簡化近似設計方法。
鋼結構通常有框架、平面桁架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構形式。
其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設計方法，比如網殼的穩定等。
結構選型時，應考慮不同結構形式的特點。在工業廠房中，當有較大懸掛荷載或大范圍移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網架。基本雪壓大的地區，屋面曲線應有利于積雪滑落（切線50度外不需考慮雪載 ），如亞東水泥廠石灰石倉棚采用三心圓網殼，總雪載和坡屋面相比釋放近一半。
展開 某鋼結構構筑物檢測鑒定和加固設計
（4）灰斗與灰斗梁連接驗算
最大角焊縫應力56.29N/mm2，小于E43角焊縫抗拉、抗壓和抗剪設計值160N/mm2，滿足計算要求。
二、加固方案
1. 鋼支架部分加固方案
對于鋼支架部分的加固，整體思路上采用增大截面法，尤其要注意的是：
(1)鋼結構增大截面法不同于混凝土結構，存在負荷加固還是卸載加固之分，當鋼結構在負荷時進行增大截面焊接，會產生應力滯后現象。
(2)鋼框架在整體計算時要注意判別是有側移還是無側移框架。不同的判定設置會導致鋼構件穩定性驗算結果天差地別。
(3)注意區分支撐是單拉桿還是拉壓桿。
支撐背部貼焊槽鋼
工字鋼新增焊板形成箱型鋼
2. 灰斗部分加固方案
針對應力計算不足的橫肋，采用增大截面法，具體做法詳見下圖：
在Midas Gen中該加固構件輸入的具體截面尺寸如下：
上翼緣考慮灰斗壁板的貢獻作用，下翼緣寬度考慮角鋼和原槽鋼翼緣長度之和，腹板厚度仍取原槽鋼厚度。
1.5倍儲灰梁單元應力云圖
1.5倍儲灰板單元應力云圖
考慮到灰斗四個角部位置有弧形加強板、包角鋼板加強措施，且剔除有限元計算在角部的應力集中畸變，經計算后滿足要求。
三、總結
結構工程師在既有建筑結構鑒定、加固領域的工作模式有別于傳統的設計院或施工單位的做法。在此情況下，結構工程師不能僅作為流水線作業中的一環，或者單純地按照圖紙進行施工和組織生產，而是必須扮演結合規范、力學理論以及現場操作環境等多重因素的綜合性結構工程技術服務人員的角色。
文章：結構重光
展開 關于鋼結構設計軟件3D3S
3D3S（也是一款空間結構、平面結構、空間桁架、平面桁架都能計算的程序，一些規則性的結構我們都用PKPM計算、另外一些不規則的3D3S首選）
3D3S鋼結構—空間結構設計軟件是同濟大學獨立開發的CAD軟件系列，同濟大學擁有自主知識產權。該軟件在鋼結構和空間結構設計領域具有獨創性，填補了國內該類結構工具軟件的一個空白。截止2006年12月31日，3D3S的注冊用戶總數為1890家，基本覆蓋了各大鋼結構設計單位和鋼結構企業。目前國內結構設計一線都能看到3D3S軟件的身影。
3D3S軟件提供以下四個系統：3D3S鋼與空間結構設計系統、3D3S鋼結構實體建造及繪圖系統、3D3S鋼與空間結構非線性計算與分析系統、3D3S輔助結構設計及繪圖系統 。
系統描述
3D3S鋼與空間結構設計系統包括輕型門式剛架、多高層建筑結構、網架與網殼結構、鋼管桁架結構、建筑索膜結構、塔架結構及幕墻結構的設計與繪圖，均可直接生成Word文檔計算書和AutoCAD設計及施工圖。
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