高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算原理及結(jié)果簡(jiǎn)析
一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
軟件概述計(jì)算機(jī)的使用，使得人們?cè)诮鉀Q高次超靜定結(jié)構(gòu)問(wèn)題時(shí)能夠節(jié)省人力和時(shí)間，尤其在對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)問(wèn)題的計(jì)算上，計(jì)算機(jī)的作用往往是不可替代的 當(dāng)今在計(jì)算機(jī)處理高層建筑結(jié)構(gòu)問(wèn)題領(lǐng)域中，存在著許多實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件，為現(xiàn)代的高層建筑結(jié)構(gòu)分析帶來(lái)了便利，以下僅對(duì)其中的幾種比較優(yōu)秀的軟件進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
1.當(dāng)今使用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件介紹在現(xiàn)如今的諸多工程設(shè)計(jì)軟件中， 以中國(guó)建筑科學(xué)研究院推出的PKPM結(jié)構(gòu)系列CAD軟件以及SAP (Structural Analysis Programs)系列程序中的SAP2000軟件為主要使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件。
PKPM結(jié)構(gòu)系列軟件由中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)研制，屬于PKPM系列軟件中的重要組成部分。在對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的建模、計(jì)算等應(yīng)用中，P K P M結(jié)構(gòu)系列軟件目前是國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)使用最為廣泛的一套軟件。
PKPM結(jié)構(gòu)系列軟件主要由以下幾個(gè)主要模塊軟件組成：
結(jié)構(gòu)平面CAD軟件，高層建筑空間有限元分析軟件，線彈性組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，sTs軟件，P K軟件，多、高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件，JLQ軟件，JCCAD軟件，L TCAD軟件。
2.各高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件功能特點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)平面CAD軟件，簡(jiǎn)稱PMCAD軟件。結(jié)構(gòu)平面CAD軟件可以為其它結(jié)構(gòu)模塊軟件提供荷載數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)，可以繪制結(jié)構(gòu)平面圖，建立工程結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)平面CAD軟件是其它軟件的重要接口，整個(gè)PKPM結(jié)構(gòu)系列軟件的核心。
高層建筑空間有限元分析軟件，即sATwE軟件。在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中可以進(jìn)行多、高層的鋼筋混凝土框架、高層鋼結(jié)構(gòu)、高層鋼— — 混凝土混合結(jié)構(gòu)、多、高層的鋼筋混凝土框架—— 剪力墻以及剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算。
線彈性組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，簡(jiǎn)寫(xiě)為PMSAP軟件。與一般通用與專業(yè)程序不同的是，線彈性組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件提出了“二次位移假定”的概念，并且加以實(shí)現(xiàn)。這種做法使得結(jié)構(gòu)分析的精度和速度都得到兼顧和改善。在高層建筑結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中，線彈性組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件可以對(duì)剪力墻、厚板轉(zhuǎn)換層、樓板等關(guān)鍵構(gòu)件做施工圖模擬分析、預(yù)應(yīng)力分析、溫度應(yīng)力分析、活荷載不利布置分析等計(jì)算。它提出的基于殼元子結(jié)構(gòu)的高精度分析方法，使得線彈性組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件自身廣泛的應(yīng)用于相當(dāng)大的結(jié)構(gòu)模和非常豐富的結(jié)構(gòu)形式的分析計(jì)算中。該程序能對(duì)多、高層建筑結(jié)構(gòu)做線彈性范圍內(nèi)的靜力分析、地震反應(yīng)譜分析、時(shí)程響應(yīng)分析和固有振動(dòng)分析，并能依據(jù)規(guī)范對(duì)多、高層建筑結(jié)構(gòu)里的鋼構(gòu)件、混凝土構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算或配筋設(shè)計(jì)。
STS軟件。通過(guò)線彈性組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件或高層建筑空間有限元分析軟件對(duì)多、高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，s T s軟件便可以根據(jù)分析結(jié)果來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，建立多、高層支架、排架、桁架、框排架、鋼框架、門(mén)式鋼架的三維模型，從而完成多、高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)施工圖。
PK軟件。該軟件主要是用于進(jìn)行各種復(fù)雜類型和規(guī)則的框排架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、連續(xù)梁以及剪力墻簡(jiǎn)化成的壁式框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算和繪圖。
多、高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件，即T A T軟件。在多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中，多、高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件可以進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一一剪力墻、鋼筋混凝土框架的分析計(jì)算。
JLQ軟件。在多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中，JLQ軟件主要用來(lái)進(jìn)行剪力墻平面模板尺寸的設(shè)計(jì)，墻分布筋，墻梁、邊框柱、異型柱、暗柱、端柱的配筋計(jì)算和繪制剪力墻施工圖。
JCCAD軟件。通過(guò)接力PM數(shù)據(jù)以及TAT、SATWE或PMSAP數(shù)據(jù)，jcCAD軟件可以在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用于樁基、筏板基礎(chǔ)、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、墻下條形基礎(chǔ)等的計(jì)算、繪圖。
LTCAD軟件。在多、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中，LTCAD軟件主要用于單跑、二跑、三跑板式或梁式樓梯和螺旋、懸挑等各種異形樓梯的計(jì)算、配筋和繪圖。
SAP2000是一個(gè)最具高效率、集成化的三維靜、動(dòng)力結(jié)構(gòu)分析軟件。通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)的歸納，SAP2000設(shè)計(jì)了一個(gè)各類結(jié)構(gòu)的典型要素的模板。通過(guò)對(duì)這種模板的利用，SAP2000建立的計(jì)算模型只需要確定很少幾個(gè)控制數(shù)據(jù)就能得到所需的具備可實(shí)施計(jì)算分析的物理模型。
二、高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算及計(jì)算原理
1.高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算在高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析中，需要計(jì)算解決的有：?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠取⒔Y(jié)構(gòu)剛度的、總剛度、綜合結(jié)點(diǎn)荷載、結(jié)點(diǎn)位移與桿端內(nèi)力等。
高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)分析方法，大體可分為三種：采用矩陣位移發(fā)計(jì)算(或稱為桿件有限元法)，組合結(jié)構(gòu)法(或稱為組合有限元法)和有限條法 在上述三種方法中，桿件矩陣位移法應(yīng)用得最為廣泛，組合有限元法近年來(lái)應(yīng)用較多，有限條法應(yīng)用較少。
2.高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算原理在結(jié)構(gòu)矩陣分析中，沿用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本假定、基本原理和基本方法。假定，在線彈性體系中，材料是完全彈性且服從胡克定律，結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生小變形，桿件軸力對(duì)彎曲的影響可以忽略。因此，作用力和位移之間呈線性關(guān)系，可以應(yīng)用迭加原理。迭加原理是矩陣位移法分析的基礎(chǔ)。
矩陣位移法的基本思路是把連續(xù)的實(shí)際結(jié)構(gòu)離散化。先離散，后組合，以等效的數(shù)學(xué)模型代替真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。這樣做的目的是為了在分析高層建筑的結(jié)構(gòu)時(shí)，能從簡(jiǎn)單問(wèn)題入手，解決復(fù)雜問(wèn)題。在桿系結(jié)構(gòu)中，每根桿件就是一個(gè)單元。離散單元的分析是結(jié)構(gòu)矩陣分析的基礎(chǔ)。對(duì)桿系結(jié)構(gòu)來(lái)講，等效數(shù)學(xué)模型就是真實(shí)結(jié)構(gòu)。不論桿系結(jié)構(gòu)的組成如何復(fù)雜，其組合方法都是一致的。在這一分一合、先離散后組合的過(guò)程中，把復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單單元的分析和集合問(wèn)題，從而達(dá)到了由簡(jiǎn)單問(wèn)題入手解決復(fù)雜問(wèn)題的目的。在結(jié)構(gòu)矩陣分析中，從單元分析到整體組合的全部計(jì)算過(guò)程，一律采用矩陣方法。因此，在使用計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)，從原始數(shù)據(jù)的輸入到計(jì)算結(jié)果的輸出，都可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，從而大大提高計(jì)算的速度和精度。目前，復(fù)雜桿系結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力和穩(wěn)定性的計(jì)算以及連續(xù)體的計(jì)算，普遍采用矩陣位移法。
組合結(jié)構(gòu)法主要是通過(guò)將高層建筑結(jié)構(gòu)離散為桿單元、平面或空間的墻、板單元，然后將這些單元集合成結(jié)構(gòu)體系以實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的分析和計(jì)算。
有限條法是通過(guò)將高層建筑結(jié)構(gòu)離散為平面或空間的連續(xù)條元，并將這些條元集合成結(jié)構(gòu)體系來(lái)完成對(duì)高層建筑結(jié)果的分析和計(jì)算。
三、計(jì)算結(jié)果分析
由于高層建筑結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，在用以上軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，數(shù)據(jù)輸入量很大，有時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了盡可能的減少錯(cuò)誤，就需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和判斷。
1.計(jì)算誤差分析對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的誤差分析主要是通過(guò)對(duì)幾個(gè)重要控制指標(biāo)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即：周期比、位移比、剛重比、樓層層剛度比、層問(wèn)受剪承載力之比、軸壓比、剪重比等。
在高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果中，針對(duì)各項(xiàng)荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，如恒荷載、某一活荷載、某一振型的地震作用，可校核某些結(jié)點(diǎn)是否滿足平衡條件。
對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的基本周期，在采用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，兩個(gè)計(jì)算的結(jié)果不應(yīng)該相差太大。否則，便說(shuō)明存在誤差。
當(dāng)應(yīng)用軟件對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)完成計(jì)算得出結(jié)果以后，需要對(duì)軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行概念上的分析，若出現(xiàn)明顯不符合邏輯或者規(guī)范的數(shù)值，則說(shuō)明存在誤差或是計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤。
2.計(jì)算結(jié)果的`判斷和調(diào)整對(duì)于體型和結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)，在使用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)至少采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的三維空間分析程序進(jìn)行整體內(nèi)力和位移計(jì)算，以便相互校核比較。
對(duì)于使用軟件得出的計(jì)算結(jié)果，還可以采用經(jīng)驗(yàn)判斷法，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行一些數(shù)據(jù)上的修正， 以減小誤差，對(duì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)周期比不符合規(guī)范要求時(shí)，可以通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，降低平動(dòng)剛度，使平移周期加長(zhǎng)的方法來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
位移比不符合規(guī)范要求時(shí)，可以通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗扭承載力，設(shè)置防震縫等措施來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)樓層層剛度比不滿足規(guī)范要求時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整材料強(qiáng)度等級(jí)和結(jié)構(gòu)布置以避免薄弱層的出現(xiàn);不能避免出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)薄弱層，其地震剪力應(yīng)該乘以1.15的增大系數(shù)，同時(shí)加強(qiáng)抗震延性構(gòu)造措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。
層間受剪承載力之比是用來(lái)控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)中的層間受剪承載力不滿足規(guī)范要求時(shí)，只能通過(guò)調(diào)整配筋提高結(jié)構(gòu)的承載能力來(lái)解決，如提高“超配系數(shù)”等。
當(dāng)軸壓比不符合規(guī)范的要求時(shí)，可以通過(guò)加大構(gòu)件截面尺寸，提高箍筋的橫向約束能力，提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，提高縱向鋼筋的配筋率，減小部結(jié)構(gòu)的重量等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)果的調(diào)整。
當(dāng)剪重比符合規(guī)范要求時(shí)，首先應(yīng)研究設(shè)計(jì)方案是否合理，調(diào)整結(jié)構(gòu)布置、增加結(jié)構(gòu)剛度，使計(jì)算的剪重比基本滿足規(guī)范要求。而后需要調(diào)整地震力，根據(jù)規(guī)定的最小水平地震剪力調(diào)整各層水平地震作用，剪重比凋整系數(shù)將直接乘在該層構(gòu)件的地震內(nèi)力上。
結(jié)束語(yǔ)
隨著社會(huì)科技文化的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑的發(fā)展可謂是日新月異。高層建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析變得越來(lái)越難。在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，往往不能做到一次完成，而是需要根據(jù)試算結(jié)果，進(jìn)行多次調(diào)整，才能得到較為合理的計(jì)算結(jié)果， 以保證建筑物的安全。然而相較于過(guò)去的人力計(jì)算，計(jì)算機(jī)在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析中，還是發(fā)揮了不可替代的作用。在使用相關(guān)軟件進(jìn)行對(duì)高層建筑的計(jì)算分析時(shí)，不僅需要對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算原理熟諳于心，還必須抱有認(rèn)真謹(jǐn)慎的態(tài)度，這樣才能盡量將避免人為因素造成的誤差，從而引起不必要的麻煩。
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