1、ANSYS土木工程毕业设计计算书RC框架结构分析1.工程概况 工程名称：西安某省技术研发中心办公楼结构设计 建设规模：总建筑面积约为4142.76m2， 主体为六层框架结构体系（无地下室），结构层 高为21.2m，底层结构高度为4.7m，其它层层高3.3米。室内外高差0.45m。 抗震设防烈度：8度，场地类别为二类，特征周期0.35，周期折减系数0.75。 建筑设计使用年限：50年。2.分析依据 框架结构是由梁、柱、板以刚接或铰接相连接而成，构成承重体系的结构，即由梁、柱、板已组成框架共同抵抗使用过程中的出现的水平荷载和竖直荷载。本设计报告用ANSYS有限元软件分析。根据框架结构体系特点，本结
2、构分析主要依据以下规范。1国家标准. 建筑结构荷载规范（GB500092012北京：中国建筑工业出版社，20122国家标准. 建筑抗震设计规范（GB500112010）. 北京：中国建筑工业出版社，20103国家标准. 混凝土结构设计规范（GB500102010）.北京：中国建筑工业出版社，2011 3荷载与计算工况 3.1荷载 1）空间结构荷载 结构荷载标准值见附图一附图二。楼面荷载输入恒载与活载的组合值。梁输入梁间荷载。 2）平面结构荷载 表3.1a ANSYS建模组合荷载输入荷载类型位置层数SGkSQk1.2SGk+1.4SQkSGk+0.5SQk线荷载AB跨1-5层24941.4028
3、.506层20.16936.7924.66BC跨1-6层9.245.2518.4411.87集中力P1A柱1-5层18737.8277.32205.906层14537.8226.92163.90集中力P2B柱1-5层21054327.60237.006层16554273.60192.00 表3.1b ANSYS建模地震荷载输入 层数层间地震力 单榀地震力地震力SE（左震）单位：kN1283.3535.422437.9154.743622.5177.814789.9598.745970.27121.2861189.22148.65 3.2计算工况 1）分析结构在可变荷载“1.2SGk+1.4SQ
4、k”组合下的刚度、强度； 2）分析结构在水平地震力SEk作用下的强度、刚度； 3）分析结构在抗震“1.2（SGk+0.5SQk）+1.3SEk”内力组合下强度、刚度。4有限元模型的建立 4.1 基本假定 1）梁柱节点为假定刚接，底层柱与基础刚接，楼板与梁四边刚接。 2）假设混凝土材质均匀，忽略混凝土里配筋情况，能用梁单元分析结构。 4.2几何模型 图4.2 空间结构和平面结构几何模型4.3 主要物理参数取值 表4.3 主要物理参数层次混凝土等级弹性模量(N/mm2)泊松比板厚柱（bh）横梁（bh）纵梁次梁（bh）边跨梁中跨梁1C353.1510100.210065065035065030045
5、03506502505002-3C303.010106006004-5C305505506C305005004.4 单元选取 分析框架结构时用beam188单元模拟梁、柱，shell181模拟楼板。当分析构件时，用solid65单元模拟混凝土。4.5 建模与分网4.5.1 建模思路 在结构设计前，我们先根据工程检验及相关规范初步拟定好结构截面尺寸、混凝土等级等参数，然后用PKPM有限元软件电算，使结构位移、轴压比、配筋等指标得以满足。电算通过后再手算一榀平面框架结构。最后在给结构配筋时，要同时参照手算与电算结构。 然而，在给结构配筋之后，我们关心的是如何用ANSYS软件精确的校核。PKPM电算
6、的是整个框架结构，是空间结构计算模型。手算的是一榀框架结构，是平面结构计算模型。为此，在用ANSYS建模时可以按这两种模型建，最后做个分析比较。可是，在用ANSYS建模时，如何选取单元？Beam188是基于Timoshenko梁理论，这是个一阶剪切变形理论。人们经常用beam188分析厂房的型钢梁与柱，分析结果很接近精确解，这是因为钢材的材质比较均匀。可是混凝土材质并不均匀，含各种钢筋。混凝土在受力时，钢筋与混凝土间可能还存在粘结滑移。有学者用solid65单元来模拟混凝土的拉裂与压碎性能，用link180单元来模拟钢筋，并假设钢筋与混凝土没有位移。但学者用solid65单元仅仅模拟的是一个简
7、单的混凝土构件，能否模拟结构未可知。 最后，根据上述分析，得出以下建模思路。 1）用beam188、shell单元建立空间结构模型，与pkpm比较。 2）用beam188单元建立一榀平面结构模型，与手算做比较。 3）用solid65单元建立一榀平面结构模型，与beam188所建模型做比较。4.5.2分网 楼板的单元尺寸定为0.5m。框架梁 AB、CD跨跨长6.6m，分成10个单元；框架梁BC跨跨长2.1m，分成3个单元。然后将线荷载转换成集中力作用在个nodes节点上。经计算,各个单元节点力如下。 表 4.5.2 单元节点荷载节点力/kN位置层数1.2SGk+1.4SQkSGk+0.5SQkA
8、B跨1-5层24.84 17.10 6层22.08 14.80 BC跨1-6层9.68 6.23 图4.5.2 空间与平面有限元模型5 空间结构模型分析5.1刚度校核5.1.1工况1 可变荷载组合 图5.1.1 可变荷载作用下空间结构模型变形轴侧图 从图中可以观察到，在可变荷载作用下框架结构最大变形发生在屋面楼板，最大挠度9mm。根据混凝土结构设计规范，屋盖、楼盖挠度限值为l0/250，经计算最大容许挠度为6600/250=26.4mm。可见满足刚度要求。5.1.2 工况2水平地震力 注：结构仅作用水平地震力，不包括重力。 图5.1.2a 地震力作用下空间结构模型水平侧移图 由图可知，在地震力
9、作用下，结构水平最大侧移为44mm。下图是PKPM电算结果，其Y方向侧移24.2mm。经对比，两者差距较大。 图5.1.2.b地震力作用下楼层水平侧移图（PKPM）5.2强度校核 5.2.1 工况1 可变荷载组合 图5.2.1 可变荷载作用下空间结构模型轴力图 由上图可知，框架结构在“1.2SGk+1.4SQk”组合工况下，最大柱轴力位于第二榀（从右往左数）B柱柱底处，大小为2320kN.在pkpm中“各荷载工况标准内力简图”中查得该柱在恒载作用下柱底轴力为2059kN，在活载作用下柱底轴力为468kN。经比较，结果差异。5.2.2 工况2水平地震力 注：结构仅作用水平地震力，不包括重力。 图
10、5.2.2 地震力作用下空间结构模型轴力图 由上图可知，框架结构在水平地震力SEk作用下下，最大柱轴力位于D柱柱底处，大小为674kN.在pkpm中“各荷载工况标准内力简图”中查得该柱在Y向地震作用下柱底轴力为404.8kN。经比较，结果差异较大。6.平面结构模型分析6.1 刚度校核6.1.1 工况1可变荷载组合 图6.1.1 可变荷载作用下平面结构模型变形图 由上图可知，框架结构在“1.2SGk+1.4SQk”组合工况下，梁最大变形发生在顶层，最大挠度为4.7mm，小于容许挠度26.4mm。6.1.2工况2 水平地震力 注：结构仅作用水平地震力，不包括重力。 图6.1.2 地震力作用下平面结
11、构模型水平侧移图 由上图可知，在地震力作用下，框架结构最大水平侧移为27mm。手算计算书第17页表5.4中，最大侧移为21mm。pkpm电算结果为24mm。经比较，三者结果较接近。 6.2 强度校核 6.2.1工况1 可变荷载组合 图6.2.1 a 可变荷载作用下平面结构模型轴力图 由上图可知，在“1.2SGk+1.4SQk”组合工况下，最大轴力发生在B柱柱底，大小为为2930kN。手算计算书57页表6.5b横向框架B柱弯矩和轴力组合 在“1.2SGk+1.4SQk”那列中查得一层柱B柱柱底轴力为3013.27kN，结果较为接近。 图6.2.1.b 可变荷载作用下平面结构模型弯矩图 由上图可知
12、，在“1.2SGk+1.4SQk”组合工况下，最大弯矩发生在第五层的梁端处，大小为130kN.m。手算计算书46页表6.4 框架梁内力组合中在“1.2SGk+1.4SQk”那列中查得第五层梁梁端弯矩为114.92kN.m，结果较为接近。6.2.2 工况2 水平地震力 注：结构仅作用水平地震力，不包括重力。 图6.2.2.a 地震力作用下平面结构模型轴力图 由上图可知，结构在“水平地震力SEk”作用下，最大轴力位于D柱，大小为412kN。手算计算书20页在表5.7 梁端弯矩及柱轴力计算（地震力作用下）中查得一层边柱轴力为443.64kN，中柱轴力为616.66kN。经比较，结果有点差异。 图6.
13、2.2.b地震力作用下平面结构模型弯矩图 由上图可知，结构在“水平地震力”作用下，最大弯矩位于一层BC跨梁端，大小为218kN.m。手算计算书20页在表5.7 梁端弯矩及柱轴力计算（地震力作用下）中查得一层走道梁BC梁端弯矩为275.71kN.m。经比较，结果有点接近。6.2.3 工况3 重力荷载代表值组合 图6.2.3.a“SGk+0.5SQk”作用下平面结构模型轴力图 由上图可知，结构在“SGk+0.5SQk”荷载组合作用下，最大轴力位于柱底，大小为2190kN。 图6.2.3.b“SGk+0.5SQk”作用下 平面结构模型弯矩图 由上图可知，结构在“SGk+0.5SQk”荷载组合作用下，
14、最大弯矩位于柱底，大小为93.8kN.m。6.3 抗震内力组合 6.3.1 轴力组合 根据9.2.2和9.2.3节数据，套用组合公式“1.2（SGk+0.5SQk）+1.3SEk”，即计算1.2*2190+1.3*615.66的值，算得抗震轴力值为3429.658kN。在手算计算书第57页表5.7b横向框架B柱弯矩和轴力组合中，从“1.2（SGk+0.5SQk）+1.3SEk”那列查得一层柱底轴力为3436.89kN。经比较，结果很接近。 6.3.2弯矩组合 由于两种荷载组合下最大弯矩的位置可能不同，无法准确提取同一点弯矩组合值，可根据图形颜色大致估计。计算BC跨梁右端组合弯矩值。根据9.2.
15、2和9.2.3节数据，套用组合公式“1.2（SGk+0.5SQk）+1.3SEk”，即计算1.2*90+1.3*275.1的值，算得弯矩组合值为465.63kN.m。在手算计算书第45页表6.4框架梁内力组合中，从“1.2（SGk+0.5SQk）+1.3SEk”那列查得BC跨梁端组合弯矩值为345.18kN.m。经比较，结果相差不大。7.solid65单元建模 前面用beam188分析了混凝土框架结构，其结果与手算还是有差异的。目前有学者在研究用solid65单元模拟混凝土的拉裂与压碎性能。用link180模拟混凝土中的钢筋，其中钢筋的直径、长度都可以在link单元的实常数中得以实现。然而研究
16、对象仅仅是混凝土受力构件，类似一个纯弯曲简支梁。能否用solid65单元模拟整个框架结构，笔者做一个探索。 平面结构模型变形图 由上图可知，在“1.2SGk+1.4SQk”组合工况下，梁最大变形发生在顶层，最大挠度为18.3mm，小于容许挠度26.4mm。但在同样荷载组合下，beam188单元所建模型的最大挠度为4mm。与之相比，结果差异较大。可见solid65单元模拟结构还需众多改善。8.番外篇 基于ANSYS、PKPM、手算的误差分析8.1 计算原理 （1）手算 框架结构是多次超静定结构，纵横向的杆件是相互制约、相互影响。如果要精确计算结构内力，只能采用空间结构计算模型，而不能简化成平面结
17、构计算模型，所列的立法、位移法方程是很繁琐的。为了简化工作量，手算只算一榀框架结构模型，而忽略其他方向。这样做是有前提的，那就是结构要规则。建筑抗震设计规范里指出，建筑形体规则的参考指标有平面规则和竖向规则。平面规则有扭转规则、凹凸规则。竖向规则有侧向刚度规则和楼层承载力突变不能太大。只有满足这些条件，才可以简化成平面结构。因此，可以在计算框架结构承受水平荷载作用下的内力位移时采用底部剪力分配法；在计算框架结构承受竖向荷载时采用弯矩分配法等。 （2）ANSYS与PKPM 两者都是有限元软件，都是基于有限元理论，求解原理相同。不同的是，两者在单元库，建模、后处理等子块程序有较大差异。ANSYS拥
18、有丰富的单元库，有杆单元、梁单元、壳单元、实体单元、质量单元、接触单元、管单元等，每个单元又细分好多类型。如solid65、solid45、solid46等。PKPM中SATWE是采用空间杆单元模拟梁柱，在壳单元基础上凝聚而成的墙单元模拟剪力墙。8.2PKPM 与 ANSYS 的 优点与不足 PKPM 具有建模简单易学、运算速度快、出图质量较好等特点。这些优点极大地满足了国内设计院设计任务重、出图时间紧等要求。因此，该软件广泛应用于全国各大中小型设计院。有限元法是计算机诞生以来 ， 在计算数学、计算力学和计算工程科学领域内诞生的最有效的计算方法。作为最著名的通用有限元分析软件，ANSYS 因为其强大的功能受到越来越多的结构分析及其他相关专业科研与工程技术人员的应用。同时，ANSYS 与 PKPM 软件存在着一定的不足。PKPM 软 件虽然操作简单，但是在处理微观 细致的非线性问题时（比如钢筋混凝土结构的挠度 、 裂缝等等 ），往往不能得到较为精确的解答。ANSYS 软件虽然可以得到令人满意的计算结果 ， 但是存在模型建立复杂、材料选取多样性、计算时间过长、 参数定义困难等缺点 。
