1、復雜結構分析指南,例說PMSAP,編寫：黃吉鋒 中國建筑科學研究院軟件所,（第一部分）,目錄 1.斜板對主體結構分析的影響 2.普通樓板、斜板的整體式分析及設計 3.箱型轉換結構分析和設計(轉換墻) 4.人防頂板和外墻的整體分析設計,1.斜板對主體結構分析的影響,斜板結構分析,斜板在斜屋面結構、含斜板看臺的體育場館等多種結構形式中都會遇到 它是常見、但在設計中又往往被忽視的重要構件，忽視的原因是缺乏合適的分析、設計工具,斜板結構分析,水平樓板在結構上的作用 1） 對豎向抗側力構件起到水平的約束和協同 作用，將柱和墻擰成一股繩，形成整體 的、從而也是有效的抗側力體系。尤其對 于抵抗整體扭轉，具有

2、重要意義。 2） 樓面荷載在本層的分配和傳遞作用,斜板結構分析,剪力墻在結構上的作用 1）最重要的抗側力構件 2） 在立面上傳遞和分配豎向荷載,斜板結構分析,斜板在受力及作用上，則具有雙重特征： 1）類似普通水平樓板，對抗側力構件（柱和 墻）具有水平協同作用、并且也可以傳遞 和分配樓面荷載 2）類似剪力墻，直接參與抗側力，可看作是 一種傾斜的剪力墻 3）坡度越大，則墻的作用越顯著 4）坡度越小，則水平樓板的作用越顯著,斜板結構分析,在結構設計上應重視斜板的作用 實際上，斜板的面內剛度具有很大的抗側力作用和對周邊構件的協同作用，設計中必須予以考慮， 如果忽略，結構的整體振動特性及斜板周邊構件的受

3、力情況都可能失真。這是斜板與平板很大的不同之處。,用PMSAP對同一斜屋面結構采用兩種模型作計算對比,不考慮斜板的計算模型,考慮斜板的計算模型,考慮斜板時，PMSAP會自動生成斜板的有限元網格：,考慮斜板時某榀框架的梁端、柱端彎矩（正確）,不考慮斜板時的梁端、柱端彎矩（錯誤！）,考慮斜板時梁的正確彎矩圖（俯視）,不考慮斜板時梁的錯誤彎矩圖（俯視）,不考慮斜板造成的結構自振周期、以及層間位移誤差,在PMSAP計算時，斜板可采用下列幾種計算方式（在“補充建模”中指定）： 1）定義成彈性膜（忽略面外抗彎剛度，但可以完成摟面荷載倒算，此時程序主要考慮斜板的類剪力墻作用） 2）定義成彈性板6（同時考慮面

4、內抗剪及面外抗彎剛度，并可給出斜板本身的配筋設計） 3）如果用戶不做任何彈性板指定，PMSAP將自動把斜板考慮為彈性膜。該處理使得用戶不做任何額外的工作，即可對斜板結構進行合理的分析和設計,應用PMSAP考慮斜板的方式,2.普通樓板和斜板的 整體式有限元分析及配筋設計,樓板的三種分析設計方式,逐房間計算并配筋（PMCAD） 將結構中的每一個房間的樓板取出，看作一塊多 邊形板，板的各條邊的邊界條件，都取為固支、簡支和自由三種理想狀態之一，然后計算板彎矩并配筋。 不能考慮同層房間之間的相互影響，理想的邊界條件與實際的彈性支座有明顯不同； 只考慮豎向恒、活荷載，不能考慮水平力的作用； 只考慮面外抗彎

5、特性，不能考慮面內的平面應力及其對承載力的影響。,樓板的三種分析設計方式,逐層計算并配筋 (SLABCAD) 把結構中的每個樓層單獨取出，把整個樓層的板作為計算模型，本層及上層的柱、墻作為板的彈性支座。 它可以考慮同層房間之間的相互影響；以相鄰樓層柱、墻作為彈性支座，相對于理想的三種邊界條件(固支、簡支和自由)，精度有所改善。 不易準確考慮地震作用和風荷載等水平力的影響。 只考慮板的面外抗彎特性，難以準確考慮板面內的平面應力及其對板承載力的影響。,樓板的三種分析設計方式,整體有限元分析并配筋 (PMSAP) 將樓板定義成彈性板，直接組裝到整體結構中去。板的所有應力和變形結果，均如同梁、柱、墻一

6、樣，從整體分析中得到，并以此為基礎作配筋。 它不但可以考慮同層房間之間的相互影響，也可以考慮不同樓層之間的相互影響；基于整體結構計算的彈性支座剛度，在有限元意義下是準確的。 可以準確考慮地震作用和風荷載等水平力的影響。 既能考慮板的面外抗彎特性，又可以準確考慮板面內的平面應力及其對板承載力的影響，對板可進行偏心受拉設計。,何時需要對樓板采用有限元整體算法進行分析和配筋設計,總原則：如果結構的某些樓板（包括平板和 斜板）中存在顯著的面內應力和變形，那么 這些樓板就應該采用整體有限元分析得到的 內力結果進行配筋設計。 通常，下列情況的樓板應定義成彈性板 做整體分析和設計：,應做整體分析設計的樓板,

7、多塔樓之間連體部分的樓板以及與連體直接連接的兩側主體結構的樓板,應做整體分析設計的樓板,懸挑結構的樓板以及與懸挑結構交接的主體結構相應部位的樓板。,應做整體分析設計的樓板,平面開大洞樓層的樓板,應做整體分析設計的樓板,平面有明顯的突出或者凹入的樓層的樓板,應做整體分析設計的樓板,所有的斜板,應做整體分析設計的樓板,大底盤多塔結構的底盤頂層及相鄰樓層的樓板,應做整體分析設計的樓板,板柱體系或板柱抗震墻體系中的樓板,應整體分析設計的樓板,箱式轉換層上下表面的樓板,應整體分析設計的樓板,桁架轉換層上下表面的樓板,應做整體分析設計的樓板,搭接塊轉換層的樓板,用PMSAP做復雜樓板的配筋設計,首先要在“

8、補充建模”模塊中，將需要整體有限元分析和配筋設計的樓板定義成彈性板六（不能定義成彈性板3或彈性膜）,接著在PMSAP第三項菜單“參數補充及修改”中，指定板分析、設計的控制參數,對板做 整體分 析設計 時，板 細分尺 寸建議 取為1米,自動計算完畢查看板的分析設計結果,有關板的 整體分析和設計結果，都在這個菜單里查看,國家體育館：SPASCAD建模，PMSAP分析、設計 國家體育館由北京院和城建設計院聯合設計； PMSAP作為主要設計程序，韓國的MIDAS作為校核程序； PMSAP提供了結構中梁、柱、剪力墻及所有樓板和看臺 斜板的配筋結果；,工程實例：國家體育館,國家體育館全貌：SPASCAD建

9、模，PMSAP分析、設計,國家體育館：PMSAP計算的扭轉振型,國家體育館：PMSAP給出的梁、柱、剪力墻配筋簡圖,國家體育館：PMSAP自動生成的樓板、斜看臺板的有限元網格,國家體育館：PMSAP輸出的樓板、斜看臺板的撓度云斑圖,國家體育館：PMSAP輸出的樓板、斜看臺板的彎矩云斑圖,國家體育館：PMSAP給出的樓板、斜看臺板的配筋簡圖,樓板配筋圖局部（形心，邊界，cm2/m）,配筋面積（cm2 /m）,配筋走向(度),3.箱形轉換結構分析設計(轉換墻),箱形轉換結構分析設計方法,轉換結構按照大梁輸入 (SATWE,PMSAP） 按照桿系輸入并計算； 轉換大梁與上下層柱、墻之間的連接關系模擬

10、地較粗略,計算誤差大； 不能考慮盒子效應（上下表面的樓板看作轉換梁的上下翼緣而形成的工形截面）； 可直接按照轉換梁進行內力調節、并給出配筋設計；,箱形轉換結構分析設計方法,轉換結構按照剪力墻輸入（PMSAP） PMSAP中把“按照剪力墻輸入的水平轉換構件”稱作“轉換墻”。 PMSAP對轉換墻按照細分殼元作有限元分析，可以準確模擬上下層之間的連接關系及盒子效應。 不同于一般剪力墻（積分出頂底截面內力），轉換墻在內力積分時，則直接積分出左右截面及中間各截面的“梁式內力”，再按照轉換梁的規范要求進行內力調節、最終給出配筋設計。,箱形轉換結構分析設計,箱形 轉換 按梁 輸入,箱形 轉換 按墻 輸入,箱

11、形轉換結構分析設計,箱形 轉換 按墻 輸入,箱形 轉換 按梁 輸入,兩種輸入模型幾何形態上無區別，但墻是二維單元， 梁是一維單元，連接和傳力都有較大區別,箱形轉換結構分析設計,轉換結構按墻輸入并考慮彈性樓板后形成的“盒子”頂面和底面,轉換結構按墻輸入時，PMSAP自動生成的轉換墻和墻頂樓板的有限元網格,轉換結構按墻輸入時，轉換墻和墻頂、墻底樓板的有限元網格,箱形轉換結構分析設計,箱形轉換 按墻輸入 時，在這 里查看配 筋結果和控制內力,轉換墻 配筋簡圖,底部主筋B 頂部主筋T 和箍筋G （cm2）,點開 這個文本文件查看轉換墻的詳細控制內力和設計結果,轉換墻的 梁式彎矩 包絡圖,轉換 墻剪力包

12、 絡圖,箱形轉換結構分析設計:兩種模型比較,箱形轉換結構分析設計:兩種模型比較,箱形轉換結構分析設計：結論,1 相對于桿系模型，轉換墻模型可以更準確地分 析箱形轉換結構，理論上更為先進。 2 梁模型算得的層間位移偏大 30%，結構偏柔。 3 梁模型計算得到的轉換梁剪力普遍偏小-36%， 轉換梁彎矩則普遍偏大78%，因而會出現主筋 過于保守而箍筋不足的現象，不排除抗剪問題隱患。 4 具體設計時： 整體控制（位移、周期等）宜采用轉換墻結果； 轉換構件主筋設計可以取梁模型的結果； 轉換構件箍筋設計則應取轉換墻模型的結果；,4.人防外墻和頂板的有限元整體分析和配筋設計,人防外墻和頂板的設計,簡化算法（

13、SATWE）,中間墻段計算模型1,頂部墻段計算模型2,程序取4倍墻高作為計算寬度，左右下三面嵌固，頂部 取嵌固與簡支兩種邊條件，按照雙向板計算，取兩種 模型計算彎矩的平均值作為設計彎矩，設計軸力取為 重力荷載代表值產生的軸力。,按模型1得到的面外彎矩,按模型2得到的面外彎矩,驗算時采用的面外彎矩,面內墻長取4倍的墻高,人防外墻和頂板的設計,H,4H,簡化算法 (SATWE),三維有限元算法（PMSAP）,人防外墻和頂板的設計,PMSAP采用”同時考慮頂板和外墻的整體計算模型”,三維有限元算法 (PMSAP),人防外墻和頂板的設計,PMSAP會自動剖分頂板和外墻的有限元網格,三維有限元算法(PM

14、SAP),人防外墻和頂板的設計,PMSAP:頂板和外墻的有限元網格圖的局部放大,用PMSAP做人防外墻和頂板的設計,首先在此處定義人防參數及水土壓力信息,如何應用PMSAP進行人防外墻和頂板的整體有限元分析,如需設計人防頂板，則要在PMSAP的補充建模菜單中交互定義人防板為彈性板6,如何應用PMSAP進行人防外墻和頂板的整體有限元分析,做墻的面外計算時（包括人防、水土壓力），應選細分模型；墻側節點按照出口處理；細分尺寸不宜太大，建議取為1M,如何應用PMSAP進行人防外墻和頂板的整體有限元分析,人防外墻和頂板的設計,用PMSAP進行人防外墻和頂板的整體 有限元分析和配筋設計總結： 按照實際情況

15、定義人防頂板為彈性板6 定義人防等級、層數、荷載等信息以及水土壓力信息 定義墻模型為細分模型，并選墻側節點做出口，同時指 定樓板與墻的細分尺寸（建議取為1M） 做完了前面三步，PMSAP即可對人防頂板和地下室外墻 進行全自動的網格剖分，做準確的有限元分析。 5. 依據人防規范對人防層的梁、板、柱、墻給出配筋設計,PMSAP程序中考慮人防組合及水土壓力組合： 35 1.00*DL 0.50*LL 1.00*ADV 36 1.20*DL 0.60*LL 1.00*ADV 37 1.00*DL 0.50*LL 1.00*WSP 1.00*ADV 1.00*ADH 38 1.20*DL 0.60*LL

16、 1.20*WSP 1.00*ADV 1.00*ADH 39 1.00*DL 0.50*LL 1.00*WSP 1.20*DL 0.60*LL 1.20*WSP DL:恒荷載 LL:活荷載 ADV:頂板人防荷載QE1 ADH:外墻人防荷載QE2 WSP:水土壓力荷載,人防外墻和頂板的設計,人防外墻和頂板的設計,PMSAP人防荷載與水土壓力的作用方式,PMSAP地下室構件的人防設計技術條件 (1) 材料動力設計強度的調整 砼、鋼筋和鋼材的動力強度設計值取靜荷載作用下 的強度設計值乘以強度綜合調整系數rd，rd按 第4.6.3條和表4.6.3取值。 (2) 砼強度的修正 進行鋼筋砼梁斜截面承載力驗

17、算時，考慮了砼強度等級 影響的修正（有關公式見4.6.7條）。 進行梁、柱斜截面承載力驗算時，砼的動力強度設計值 乘以折減系數0.8（見4.6.8條）。 進行墻、柱受壓構件正截面承載力驗算時，砼軸心抗壓 動力強度設計值乘以折減系數0.8（見4.6.9條）。 (3) 鋼筋砼構件縱向鋼筋的最小配筋率 鋼筋砼構件縱向鋼筋的配筋率最小值按4.7.7表取值 （見4.7.7條）。,人防外墻和頂板的設計,PMSAP整體有限元法給出的人防墻在側向人防荷載作用下的變形圖,PMSAP整體有限元法給出的人防墻 在側向人防荷載作用下的變形圖：局部,在這個菜單查看人防墻的面外配筋,人防外墻的配筋簡圖,人防外墻的配筋簡圖

18、：局部,H4.1:Sw范圍內的水平鋼筋雙側總面積4.1cm2 V12: Sw范圍內的豎向鋼筋雙側總面積12.0cm2,人防外墻和頂板的設計,在文本文件ADD_WREI.OUT中查看人防墻詳細的設計信息： 面外豎向筋設計(墻的頂底截面設計) B,H= 6000. 300. NC,NGH=45 1 IEW= 3 DS= 32.5 WGUJM= 200. AS= 406. M,N= 34.3 1889.1 ICOM= 1 IERR=0 IGZ=1 面外水平筋設計(墻的左右截面設計) B,H= 1200. 300. NC,NGH=45 1 IEW= 3 DS= 32.5 WGUJM= 200. AS= 404. M,N= 2.2 61.5 ICOM= 1 IERR=0 IGZ=1,在這個菜單查看人防頂板的配筋結果,PMSAP給出人防頂板有限元網格自動剖分圖,PMSAP給出的人防頂板有限元網格自動剖分圖：局部,人防外墻和頂板的設計,PMSAP給出的人防頂板撓度等值線圖,人防外墻和頂板的設計,PMS