墙单元理论及其在结构软件中的应用研究.pdf

第十三届全国工程建设计算机应用学术会议论文集 广东佛山·2006 墙单元理论及其在结构软件中的应用 李百春 (中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所) 【摘要】本文简单介绍了国内外剪力墙的有限兀模型化研究的发展历程，以及墙单元理论在箨结构软 件中的应用情况；同时参照当前流行的结构软件，着重分析了五种具有广泛影响力的墙单元的模型，并分 析每种墙单元的适Ⅲ情况；本文旨在通过对结构软件中的墙单元原型的描述，以帮助工程设计人员了解不 同软件的技术特点，为』二程设计者提供选择软件的参考。 【关键词】墙单元；薄肇杆件：墙组元；板一梁墙元；壳墙元；空间壳元 1 概述 高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，是商业化、工业化、 城市化的结果。科技的进步、新型建筑材料的出现、新犁．施工方式的应用以及结构设计水 平的提高为高层建筑的设计和施工提供了安全保障，也为高层建筑的迅猛发展提供了物质 和技术条件。目前，国内外的高层建筑正呈现蓬勃发展的态势。 建筑结构既需要承受竖向荷载，还要承受水平荷载，同时还要抵抗地震作用。在低层 结构中，水平荷载产生的内力和位移有时可以忽略不计。而在高层结构中，水平荷载和地 震作用将成为控制因素，因为随着结构高度的增加和荷载效应的增加，结构的位移增加最 快；同时，高层结构在风力等动荷载的作用下，结构设计的控制凶素不再是结构的强度， 而是风振作用下的结构的最大位移与加速度。基于上述原冈，高层建筑设计不仅需要较大 的承载能力，更需要较大的刚度，以便使水平荷载作用所产生的侧向变形控制在一定的范 围内。剪力墙正好具有强度大、在水平荷载作用F侧向变形小等优点，因而被广泛的应用 于高层建筑中。目前，剪力墙结构、框架一剪力墙结构、剪力墙一简体结构已经成为高层 建筑霞要的结构形式。剪力墙的广泛应用对剪力墙的传统设计方法提出新的要求，运用计 算机技术与有限元方法来进行剪力墙的设计成为新的设计手段，相应的剪力墙单元的模型 化研究工作也取得了长足的进展。 一 2 CAD技术在结构领域中的应用与墙单元的发展 Design)，即计算机辅助设计技术是随着计算机硬件与软件技术 CAD(ComputerAided 的发展而被广泛应用于社会各领域。在建筑结构工程领域，尤其是在结构分析中先是形成 了适合计算杆系结构的矩阵分析方法，而后又发展了适合于分析各类工程结构的、系统的、 有效的现代工程数值分析方法一“有限单元法”。有限单元法的出现和发展为实现结构工 程的电子化计算提供了有效的途径，从而使计算机在结构领域的应用迎来了突飞猛进的发 展。目前国内外研发出了一批有影响的结构分析通用程序和专用程序，如ANSYS、MARC、 NASTRAN、 第十三届全国工程建设计算机应用学术会议论文集 广东佛山·2006 随着现代多高层建筑的发展，作为高层建筑的主要的抵抗荷载的构件剪力墙的设计也 日趋复杂，传统的剪力墙的设计方法已经难以适应工程的要求，需要借助有限单元法这一 强有力的工具来分析设计这些复杂的剪力墙结构。目前，结构软件在进行结构分析计算时， 都是对模型作一些简化再来分析，这些简化的假定与实际情况或多或少存在着差异。在对 高层建筑的基本受力构件进行模型化假定时，柱、梁及支撑等一维构件的模型化研究比较 成熟且模型简单，因此各有限元分析软件对这类构件的模型化假定虽各有差异，但最终影 响不大；而剪力墙相对其他构件来说具有尺寸大、结构布置多样化、与之相连的构件各异、 受力情况复杂等特点，因此各有限元软件对其模型化假定也各不相同，结果各有差异。从 这种角度来说，剪力墙的有限元模型在一定程度上直接决定着结构的分析精度，寻找准确、 有效的剪力墙单元成为结构软件的重要任务。 国内外学者对于剪力墙的模型化研究经历过一段很长时间的发展，先后提出过如下模 型： (1)深梁模型：这种模型就是将一片剪力墙看成一根深梁来分析，单元很简单，与 实际情况差异较大，这种最初的模型现在已经不用了。 (2)薄壁柱模型：根据剪力墙的布置情况将一片剪力墙简化成薄壁柱，这种简化在一 定程度上体现墙的受力特性，并使之在计算机应用上成为可能。 (3)膜模型：用空间膜来模