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2008 结构分析讲稿 SATWE 、 TAT 和 PMSAP

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2008 结构分析讲稿 SATWE 、 TAT 和 PMSAP. 中国建筑科学研究院 2008. 结构分析和设计的改进 ( SATWE 、 TAT 和 PMSAP ). 1 中震弹性、中震不屈服设计,和组合分项系数的控制 2 墙梁刚度模型的转换( SATWE 、 PMSAP ) 3 托墙梁刚度的放大选择( SATWE 、 PMSAP ) 4 格构截面的输入分析和设计 5 位于柱截面内的刚性梁的处理 6 分段、分塔方式的 0.2Q0 、 0.25Q0 调整 7 用户自定义地震设计谱 8 时程分析增加了“三向地震波库”及相应计算

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Presentation Transcript
2008 satwe tat pmsap

2008 结构分析讲稿SATWE、TAT和PMSAP

中国建筑科学研究院 2008

satwe tat pmsap
结构分析和设计的改进(SATWE、TAT和PMSAP)
  • 1 中震弹性、中震不屈服设计,和组合分项系数的控制
  • 2 墙梁刚度模型的转换(SATWE、PMSAP)
  • 3 托墙梁刚度的放大选择(SATWE、PMSAP)
  • 4 格构截面的输入分析和设计
  • 5 位于柱截面内的刚性梁的处理
  • 6 分段、分塔方式的0.2Q0、0.25Q0调整
  • 7 用户自定义地震设计谱
  • 8 时程分析增加了“三向地震波库”及相应计算
  • 9 混凝土规范(7.3.11-3)条关于砼柱长度系数的计算
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中震弹性、中震不屈服设计
  • 对于中(大)震弹性,程序主要考虑两条:1)地震影响系数最大值ALPHAmax 按中震(2.8倍小震)或大震(4.5-6倍小震)取值;2) 取消组合内力调整(取消强柱弱梁,强剪弱弯调整)。
  • 程序使用时,需要用户:1)按中震或大震输入ALPHAmax;2) 构件抗震等级指定为4级。
  • 对于中(大)震不屈服,程序主要考虑五条:1)地震影响系数最大值ALPHAmax按中震(2.8倍小震)或大震(4.5-6倍小震)取值;2) 取消组合内力调整(取消强柱弱梁,强剪弱弯调整);3)荷载作用分项系数取1.0(组合值系数不变);4) 材料强度取标准值;5)抗震承载力调整系数Rre 取1.0
  • 程序使用时,需要用户:1)按中震或大震输入ALPHAmax 2) 点开“按中震不屈服或大震不屈服做结构设计”的按钮。
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墙梁刚度模型的转换

一个输入模型,两种计算方式

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墙梁刚度模型的转换
  • 程序对于建模时输入的剪力墙洞口进行自动判断,对于跨高比大于该值的墙梁自动转换为框架梁,采用梁元进行分析,否则仍按墙元分析,如果输入零值则不进行转换。
  • 该参数的目的主要是方便用户建模输入,可直接按照剪力墙洞口输入,无需手工转换为墙+框架梁。
  • 但目前程序自动判断局限于规则对齐的洞口,对于上下层洞口不对齐、墙厚变化等特殊情况不进行转换,应通过平面图查看转换后的结果。
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托墙梁刚度放大

修复(转换梁-墙)之间的协调性;

会使转换构件及上部楼层内力和配筋减小;

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托墙梁刚度放大
  • 实际工程中常常会出现“转换大梁上面托剪力墙”的情况,当用户使用梁单元模拟转换大梁,用壳元模式的墙单元模拟剪力墙时,墙与梁之间的实际的协调工作关系在计算模型中就不能得到充分体现,存在近似性。
  • 实际的情况是,剪力墙的下边缘与转换大梁的上表面变形协调;计算模型的情况是,剪力墙的下边缘与转换大梁的中性轴变形协调;于是计算模型中的转换大梁的上表面在荷载作用下将会与剪力墙脱开,失去本应存在的变形协调性。换言之,与实际情况相比,计算模型的刚度偏柔了。这就是软件提供托墙梁刚度放大系数的原因。
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托墙梁刚度放大
  • 为了再现真实的刚度,根据我们的经验,托墙梁刚度放大系数一般可以取为100左右。当考虑托墙梁刚度放大时,转换层附近的超筋情况(若有)通常可以缓解,当然,为了使设计保持一定的裕度,也可以不考虑或少考虑托墙梁刚度放大。
  • 使用该功能时,用户只须指定托墙梁刚度放大系数,托墙梁段的搜索由软件自动完成。最后指出一点,这里所说的“托墙梁段”在概念上不同于规范中的“转换梁”,“托墙梁段”特指转换梁与剪力墙“墙柱”部分直接相接、共同工作的部分,比如说转换梁上托开门洞或窗洞的剪力墙,对洞口下的梁段,程序就不看作“托墙梁段”,不作刚度放大,可参见示意图。
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增加格构截面的输入分析和设计
  • 新增了格构截面的内力分析和设计功能。
  • 在STS中定义了格构截面后,计算程序可接力计算和验算
  • 格构柱常用于重型工业厂房。由于它是一种组合截面,计算刚度和设计验算都需是专门的公式。
  • 格构柱在结构整体分析时,还是按照杆件模型。这样其位移、内力等,与普通柱没有差别。
  • 当在PMCAD或STS中定义了“任意截面”(kind=99,kind=305),则计算程序只能进行刚度、内力的计算,不能进行截面设计。
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增加格构截面的输入分析和设计

格构柱结果输出:图形和文本

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位于柱截面内的刚性梁的处理

柱节点

主梁

主梁

刚性梁

正确搜索主梁;

正确形成节点;

减小刚度阵的病态,提高计算精度。

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适应性加强实例:

柱内梁不再当作刚性梁,大大减少SATWE计算失真状况

该梁仍当框架梁处理

柱布置在该节点上

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适应性加强实例:

同一柱内包含的多个节点上布置梁,尽管柱只能布在其中一个节点上,程序对其他节点上的梁仍当作框架梁处理

该梁仍当框架梁处理

柱布置在该节点上

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位于柱截面内的刚性梁的处理
  • 老版本的软件对于位于柱截面内的短梁,一律按照刚性梁计算,这主要是从正确模拟刚度的角度考虑。当多根梁同时搭在一根大截面柱上时,由于偏心等原因,这些梁通常并不交于一点,那么为了做到在该节点处梁、柱之间能够正确传力,就需要用短梁来连接梁端和柱节点,于是就形成一根或数根位于柱截面内的所谓刚性梁。这个办法从计算原理上讲是正确的,但在实际应用中存在一定的缺陷,归纳起来有这么几点:
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位于柱截面内的刚性梁的处理
  • 1)连接梁端与柱节点的刚性梁通常不再与梁位于同一条轴线上,这样就会造成主梁搜索失败(找不到端部的柱支座),误将主梁判为次梁,那么竖向力作用下主梁的负弯矩调幅就不能正确进行;
  • 2)基于类似的原因,由于刚性梁的存在,当以柱节点为基础,搜索梁柱交接关系、形成梁柱节点时,也不能正确地进行。故相应的节点核心区验算也存在问题;
  • 3)由于位于同一柱节点处的刚性梁可能较多、也可能很短(比如几厘米),这有可能造成刚度矩阵的过分病态,从而显著降低结构分析的精度,这种情况因工程而异。总之刚性梁越多、越短,就越不利。
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位于柱截面内的刚性梁的处理
  • 新版软件针对上述问题进行了改进:
  • A)自动搜索位于柱截面内的节点,记录这些节点与柱之间存在的这种包含关系或关联关系。这样在主梁搜索时,就可以利用这种关联关系,正确地找到柱支座,从而正确地形成主梁并进行负弯矩调幅。
  • B)类似地,通过柱截面内的节点与柱之间的关联关系,可以正确形成梁柱节点。
  • C)对于柱截面内的短梁的计算方法作了调整,改用矩阵变换算法代替刚性梁算法。该方法通过直接将梁端力在刚臂上平移来模拟梁柱间的传力,避免了刚性梁计算带来的大刚度,从而改善刚度矩阵的性态,提高计算精度。
0 2q0 0 25q0
分段、分塔方式的0.2Q0、0.25Q0调整
  • 老版本的软件无论对于单塔结构还是多塔结构、立面规则的结构还是立面不规则的结构,在做0.2Q0调整时,均看作一个塔楼,且在立面上不分段(认为是一段),应该说这样的调整方式对立面规则的单塔楼结构是合适的,但对于多塔结构(尤其是各塔的结构形式差异较大时)、或立面有突变的结构就不是很准确了。
  • 新版软件增加了“分段、分塔方式的0.2Q0调整”,程序可以自动通过用户定义的多塔信息,将整个结构拆分成数段,在每段之中,Q0取为本段底层的地震剪力,1.5Vfmax取为本段框架最大楼层剪力的1.5倍,从而最终确定出0.2Q0调整系数。(完全类似地,在钢框架-支撑结构中,程序将自动作0.25Q0-1.8Vfmax调整)
  • 比如一个双塔结构,三层底盘,底盘以上左塔10层,右塔15层,则结构将被分作三段进行调整:三层底盘、左塔10层和右塔15层。
0 2q0 0 25q01
分段、分塔方式的0.2Q0、0.25Q0调整

底盘和左右塔各为独立的一段

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用户自定义地震设计谱
  • 新版软件允许用户输入任意形状的地震设计谱,以考虑来自安评报告或其他情形的比规范设计谱更贴切的反应谱曲线。
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用户自定义地震设计谱

在此菜单逐点输入地震影响系数!

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时程分析增加了“三向地震波库”及相应计算

定义地震波的主分量,次分量和竖向分量加速度峰值

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时程分析增加了“三向地震波库”及相应计算

九个特征周期,三向天然波和三向人工波各36条可供选择

7 3 11 3
混凝土规范(7.3.11-3)条关于砼柱长度系数的计算混凝土规范(7.3.11-3)条关于砼柱长度系数的计算
  • 当在老版程序中点取“混凝土柱长度系数执行混凝土规范(7.3.11-3)”时,程序将无条件地对结构中的所有混凝土柱的长度系数按照混凝土规范(7.3.11-3)条进行计算和采用,并不判断该柱水平荷载产生的设计弯矩是否超过其总设计弯矩的75%;新版程序完善了该条的实现:
  • 1)当不钩选“混凝土柱长度系数执行混凝土规范(7.3.11-3)”时,混凝土柱的长度系数将按照混凝土规范(7.3.11-2)的现浇楼盖情况进行考虑,即底层取为1.0,其余楼层取为1.25。
  • 2)当钩选“混凝土柱长度系数执行混凝土规范(7.3.11-3)”时,程序将对每一个柱截面的每一组基本组合内力,计算其水平荷载产生的设计弯矩与总设计弯矩的比值,如果该比值大于75%,则按照(7.3.11-3)计算其计算长度系数,否则,仍旧按照混凝土规范(7.3.11-2)的现浇楼盖情况考虑,即底层取为1.0,其余楼层取为1.25。

老版本不判断75%;新版本判断75%!

pmsap2
PMSAP的特有改进
  • 除了与SATWE类似的改进,PMSAP还新增了下列功能:
  • 1 竖向地震的振型叠加反应谱计算方法
  • 2 增加整体屈曲分析(BUCKLING),增加用户自定义组合
  • 3 地下室回填土计算改进
  • 4 新增剪力墙和楼板的偏心考虑
  • 5 用温度效应模拟预应力和混凝土收缩
  • 6 自动考虑屋面风荷载
  • 7 风荷载计算时的“双向周期指定”
  • 8 读入SATWE特殊构件定义数据及参数定义数据
  • 9 增加平面/空间方式的荷载图形检查及楼面荷载检查
pmsap3
竖向地震的振型叠加反应谱计算方法(PMSAP)
  • 规则高层建筑的竖向地震作用一般可以按照抗震规范给出的简化方法进行分析,这也是老版本PMSAP提供的方法;但对于结构中的长悬臂、多塔之间的连廊、网架屋顶以及各种空间大跨结构,其竖向地震作用分布往往比较复杂,简化方法有可能与实际情况出入较大。基于此,除了依旧提供“抗震规范的简化方法”,新版PMSAP还提供了“竖向地震的振型叠加反应谱计算方法”,该方法在理论上较为严密,可以更好地适应大跨结构等复杂情形的竖向地震分析。
  • 当用户选用“振型叠加反应谱法”计算竖向地震作用时,PMSAP会自动计算、考虑结构的竖向振动振型;竖向地震的最大影响系数取为相应水平地震的65%,同时依据规范进行了1.5倍的放大。尤其需要注意的是,当选用“振型叠加反应谱法”计算竖向地震作用时,参与振型数一定要取得足够多,以使得水平和竖向地震的有效质量系数都超过90%.
slide34

竖向地震的振型叠加反应谱

计算方法(PMSAP)

竖向振动振型

buckling pmsap
增加整体屈曲分析(BUCKLING)和自定义组合(PMSAP)增加整体屈曲分析(BUCKLING)和自定义组合(PMSAP)
  • 补充定义基本组合:除了程序内部按规范自动确定的基本荷载组合以外,新版PMSAP还允许用户增加自定义的基本荷载组合,只要在下列交互菜单中填写自己的组合系数即可。对于新增的荷载组合,组合名称可以为空,也可以指定一个名称,但该名称不能是“BUCKLING”.
  • 补充定义屈曲分析组合:当用户增加一个或多个名称为“BUCKLING”的组合时,这些组合将被看作是用于屈曲分析的组合,而不作为补充的基本荷载组合。如果PMSAP检测到用户定义了名称为“BUCKLING”的组合,就将自动针对这些组合,对结构作屈曲分析。

屈曲分析的结果在“详细摘要”文件中输出,用于判断结构在指定组合下是否会发生失稳;屈曲模态可以在后处理程序3DP中以图形方式察看,以确定结构的稳定薄弱部位。

pmsap5
地下室回填土计算改进(PMSAP)
  • 新版PMSAP改进了回填土刚度的考虑方式:
  • 1) 可通过“室外地面到结构最底部的距离H”调整回填土的高度,使得回填土约束在竖向的分布范围不再限于整层高,比如说可以是2.8层;
  • 2) 通过“地面处回填土刚度折减系数r”调整刚度分布形式,如果用户填写的回填土刚度(X向或Y向)为K,则结构最底部的回填土刚度即取为K,而室外地面处的回填土刚度即为r*K,也就是说,X向或Y向的回填土刚度的分布均允许为矩形(r=1)、梯形(0<r<1)或三角形(r=0);
  • 3)增加了“刚度填写负值”表示完全嵌固的功能,也即X向回填土刚度填为-k,表示底部k层在X向嵌固,Y向回填土刚度填为-k,表示底部k层在Y向嵌固;
  • 4)在菜单上给出了不同类型回填土的刚度值的估算公式,方便用户的具体填写。
pmsap8
新增剪力墙和楼板的偏心考虑(PMSAP)
  • 新版PMSAP增加了剪力墙偏心的自动考虑,这在老版本中是被忽略的。由于剪力墙的偏心输入,在平面上看,墙的长度会发生改变,因而会影响其抗侧力刚度;在立面上看,偏心会造成剪力墙面外的附加弯矩;新版PMSAP准确地考虑了这两个效应。
  • 旧版PMSAP在计算弹性楼板时,认为楼板的中性面与梁的中性轴重合,这是不准确的。新版PMSAP提供了“梁板向下相对偏移(0-0.5)”参数,比如0.5对板指半个板厚,对梁指半个梁高。如果填写0.5,意味着梁、板的上表面及柱顶,三者对齐,一般而言,这是准确的计算模型。但考虑到过去的计算习惯问题以及计算结果的连续性,该参数的缺省值取为零。
pmsap11
用温度效应模拟预应力和混凝土收缩(PMSAP)
  • 新版PMSAP中的温度效应计算提供了模拟预应力和混凝土收缩的功能,也即每个温度工况允许为“温度”,“预应力”和“砼收缩”三个属性之一。
  • 在进行“预应力”和“砼收缩”计算时,需要用户自己算出等效温差,在“补充建模”中进行输入。
  • 如果温度工况的属性为预应力,程序将自动设定温度场的类型为“间断型”;
  • 如果温度工况的属性为砼收缩,程序将自动忽略钢构件上的等效温度荷载。
pmsap13
自动考虑屋面风荷载(PMSAP)
  • 新版PMSAP能够根据楼板的布置情况自动搜索出屋面平板和屋面斜板,从而自动确定出屋面风荷载(包括水平分量和竖向分量),并自动形成相应的竖向风工况、考虑其荷载组合。
  • 此时需要用户输入“屋面体型系数”,它指的是屋面板的切向风的体型系数,应为负值。屋面风荷载形成的风工况名称为“W01,W02,…”,相应的位移、内力分析结果,均可在后处理程序3DP中查看。
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自动考虑屋面风荷载(PMSAP)

自动形成屋面风压力和吸力

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风荷载计算时的“双向周期指定”(PMSAP)
  • 风荷载计算时需要用到风荷载作用方向的结构基本平动周期。老版PMSAP只提供一个周期指定,也即对两个方向的风荷载采用一个周期值做计算,是一种近似的处理方式。在实际工程中,有不少建筑在风荷载作用的两个正交方向具有差异较大的周期,这样的话,只用一个周期计算两个方向的风荷载就不够准确了。
  • 新版PMSAP在风荷载参数中增加了“结构X向基本周期(s)”和“结构Y向基本周期(s)”的输入,可以使风荷载的计算更为准确。
  • 值得注意的是,如果用户指定了“风荷载方向与X轴正向夹角”为ANGLE,则“结构X向基本周期(s)”指的是结构在ANGLE方向的周期;而“结构Y向基本周期(s)”指的是结构在(ANGLE+90)度方向的周期。对于两个方向周期差异较大的结构,这一点一定要注意,不要搞错。
satwe pmsap
读入SATWE特殊构件定义数据及参数定义数据(PMSAP)读入SATWE特殊构件定义数据及参数定义数据(PMSAP)
  • 此功能是为了方便用SATWE/PMSAP两个程序作校对的用户。
  • 在“补充建模”模块中设有“读SAT设置”的菜单条,点取此菜单条,将自动读取已有的SATWE特殊构件、多塔信息等数据;
  • 在“参数补充及修改”模块中设有“读SAT参数”的菜单条,点取此菜单条,将自动读取已有的SATWE的计算参数定义;
  • 当使用SATWE/PMSAP两个程序作对比计算时,使计算前提保持一致是至关重要的。
satwe pmsap1
读入SATWE特殊构件定义数据及参数定义数据(PMSAP)读入SATWE特殊构件定义数据及参数定义数据(PMSAP)
pmsap18
增加平面/空间方式的荷载图形检查及楼面荷载检查(PMSAP)增加平面/空间方式的荷载图形检查及楼面荷载检查(PMSAP)
pmsap19
增加平面/空间方式的荷载图形检查及楼面荷载检查(PMSAP)增加平面/空间方式的荷载图形检查及楼面荷载检查(PMSAP)

梁和墙的荷载图检

pmsap20
增加平面/空间方式的荷载图形检查及楼面荷载检查(PMSAP)增加平面/空间方式的荷载图形检查及楼面荷载检查(PMSAP)

房间的荷载图检