高层建筑结构计机计算原理及结果分析

1、高层建筑结构计算机计算原理及结果分析 反转一星期 摘 要：在当今的建筑结构分析中，计算机计算分析占有的比重 越来越大。尤其对于高层建筑这一领域，往往由于建筑量巨大，结 构复杂，工程繁多而无法进行人力的结构分析计算。应用计算机对 高层建筑的结构进行计算分析，不仅可以为人类减轻工作负担，还 可以大大提高工作效率。本文从计算机对高层建筑结构计算的角度 入手，对计算机的计算原理以及结构进行了简单的分析和说明。 关键词：高层建筑；结构；计算机；原理 一、高层建筑结构设计分析软件概述 计算机的使用，使得人们在解决高次超静定结构问题时能够节省人 力和时间，尤其在对大型复杂结构问题的计算上，计算机的作用往 往

2、是不可替代的。当今在计算机处理高层建筑结构问题领域中，存 在着许多实用的高层建筑结构设计分析软件，为现代的高层建筑结 构分析带来了便利，以下仅对其中的几种比较优秀的软件进行简要 介绍。 1.当今使用高层建筑结构设计分析软件介绍 在现如今的诸多工程设计软件中，以中国建筑科学研究院推出的 PKPM 结构系列 CAD 软件以及 SAP (Structural Analysis Programs) 系列程序中的SAP2000软件为主要使用的结构设计分析软件。 PKPM结构系列软件由中国建筑科学研究院开发研制，属于PKPM 系列软件中的重要组成部分。在对于建筑结构的建模、计算等应用 中，PKPM结构系列

3、软件目前是国内建筑行业使用最为广泛的一套 软件。PKPM结构系列软件主要由以下几个主要模块软件组成： 结构平面CAD软件，高层建筑空间有限元分析软件，线弹性组合 结构有限元分析软件，STS软件，PK软件，多、高层建筑结构三维 分析与设计软件，JLQ软件，JCCAD软件，LTCAD软件。 2.各高层建筑结构设计分析软件功能特点分析 结构平面CAD软件，简称PMCAD软件。结构平而CAD软件可 以为其它结构模块软件提供荷载数据和几何数据，可以绘制结构平 而图，建立工程结构模型。结构平ffiCAD软件是其它软件的重要接 口，整个PKPM结构系列软件的核心。 高层建筑空间有限元分析软件，即SATWE软

4、件。在高层建筑结 构分析中可以进行多、高层的钢筋混凝土框架、高层钢结构、高层 钢一一混凝土混合结构、多、高层的钢筋混凝土框架一一剪力墙以 及剪力墙结构的计算。 线弹性组合结构有限元分析软件，简写为PMSAP软件。与一般 通用与专业程序不同的是，线弹性组合结构有限元分析软件提出了 “二次位移假定”的概念，并且加以实现。这种做法使得结构分析 的精度和速度都得到兼顾和改善。在高层建筑结构分析领域中，线 弹性组合结构有限元分析软件可以对剪力墙、厚板转换层、楼板等 关键构件做施工图模拟分析、预应力分析、温度应力分析、活荷载 不利布置分析等计算。它提出的基于壳元子结构的高精度分析方 法，使得线弹性组合结构

5、有限元分析软件自身广泛的应用于相当大 的结构模和非常丰富的结构形式的分析计算中。该程序能对多、高 层建筑结构做线弹性范围内的静力分析、地震反应谱分析、时程响 应分析和固有振动分析，并能依据规范对多、高层建筑结构里的钢 构件、混凝土构件进行应力验算或配筋设计。 STS软件。通过线弹性组合结构有限元分析软件或高层建筑空间有 限元分析软件对多、高层建筑进行结构内力分析，STS软件便可以 根据分析结果来进行节点设计，建立多、高层支架、排架、桁架、 框排架、钢框架、门式钢架的三维模型，从而完成多、高层建筑的 钢结构施工图。 PK软件。该软件主要是用于进行各种复杂类型和规则的框排架结 构、框架结构、排架结

6、构、连续梁以及剪力墙简化成的壁式框架结 构的计算和绘图。 多、高层建筑结构三维分析与设计软件，即TAT软件。在多、高 层建筑结构分析计算中，多、高层建筑结构三维分析与设计软件可 以进行剪力墙结构、框架一一剪力墙、钢筋混凝土框架的分析计 算。 JLQ软件。在多、高层建筑结构分析领域中，JLQ软件主要用来进 行剪力墙平而模板尺寸的设计，墙分布筋，墙梁、边框柱、异型 柱、暗柱、端柱的配筋计算和绘制剪力墙施工图。 JCCAD软件。通过接力PM数据以及TAT、SATWE或PMSAP数 据，JCCAD软件可以在高层建筑结构设计中用于桩基、筏板基础、 柱下独立基础、墙下条形基础等的计算、绘图。 LTCAD软

7、件。在多、高层建筑结构设计分析中，LTCAD软件主要 用于单跑、二跑、三跑板式或梁式楼梯和螺旋、悬挑等各种异形楼 梯的计算、配筋和绘图。 SAP2000是一个最具高效率、集成化的三维静、动力结构分析软 件。通过大量统计和系统的归纳，SAP2000设计了一个各类结构的 典型要素的模板。通过对这种模板的利用，SAP2000建立的计算模 型只需要确定很少几个控制数据就能得到所需的具备可实施计算分 析的物理模型。 二、高层建筑结构计算及计算原理 1.高层建筑结构计算 在高层建筑结构的计算分析中，需要计算解决的有：单元刚度、 结构刚度的、总刚度、综合结点荷载、结点位移与杆端内力、等。 高层建筑结构的计算

8、机分析方法，大体可分为三种：采用矩阵位移 发计算（或称为杆件有限元法），组合结构法（或称为组合有限元 法）和有限条法。在上述三种方法中，杆件矩阵位移法应用得最为 广泛，组合有限元法近年来应用较多，有限条法应用较少。 在使用杆件矩阵位移法对高层建筑结构进行计算时，主要是通过 构件几个计算模型来完成计算分析的过程，即： 平而协同计算模型 .:i nil： AlIt -* A timiiEj fh , 他(Z 品 朴 “ 血 I11r一T11t iinnxn rirritTiT e- 0 述 5 e q w q (b) 图112 3楼层无扭转时的位移 空间协同计算模型 空间杆一一薄壁计算杆系计算模型

9、、空间组合结构计算模型等。 2.高层建筑结构计算原理 在结构矩阵分析中，沿用传统结构力学的基本假定、基本原理和 基本方法。假定，在线弹性体系中，材料是完全弹性且服从胡克定 律，结构只产生小变形，杆件轴力对弯曲的影响可以忽略。因此， 作用力和位移之间呈线性关系，可以应用迭加原理。迭加原理是矩 阵位移法分析的基础。 矩阵位移法的基本思路是把连续的实际结构离散化。先离散，后组 合，以等效的数学模型代替真实结构进行计算。这样做的目的是为 了在分析高层建筑的结构时，能从简单问题入手，解决复杂问题。 在杆系结构中，每根杆件就是一个单元。离散单元的分析是结构矩 阵分析的基础。对杆系结构来讲，等效数学模型就是

10、真实结构。不 论杆系结构的组成如何复杂，其组合方法都是一致的。在这一分一 合、先离散后组合的过程中，把复杂结构的计算问题转化为简单单 元的分析和集合问题，从而达到了由简单问题入手解决复杂问题的 目的。在结构矩阵分析中，从单元分析到整体组合的全部计算过 程，一律采用矩阵方法。因此，在使用计算机计算时，从原始数据 的输入到计算结果的输出，都可以由计算机自动完成，从而大大提 高计算的速度和精度。目前，复杂杆系结构的静力、动力和稳定性 的计算以及连续体的计算，普遍采用矩阵位移法。 (a) 图11.2.2薄壁空间杆件及双力矩示意图 组合结构法主要是通过将高层建筑结构离散为杆单元、平而或空 间的墙、板单元

11、，然后将这些单元集合成结构体系以实现对高层建 筑结构的分析和计算。 有限条法是通过将高层建筑结构离散为平而或空间的连续条元， 并将这些条元集合成结构体系来完成对高层建筑结果的分析和计 算。 由于先进 三、计算结果分析 由于高层建筑结构一般比较复杂，在用以上软件进行计算时，数 据输入量很大，有时难免会出现错误。为了尽可能的减少错误，就 需要对计算结果进行分析和判断。 1.计算误差分析 对于高层建筑结构计算机计算结果的误差分析主要是通过对几个重 要控制指标的控制来实现的，即：周期比、位移比、刚重比、楼层 层刚度比、层间受剪承载力之比、轴压比、剪重比等。 在高层建筑结构计算结果中，针对各项荷载作用下

12、的内力计算结 果，如恒荷载、某一活荷载、某一振型的地震作用，可校核某些结 点是否满足平衡条件。 对于高层建筑结构的基木周期，在采用经验公式的计算结果进行 比较时，两个计算的结果不应该相差太大。否则，便说明存在误 差。 当应用软件对高层建筑结构完成计算得出结果以后，需要对软件的 计算结果进行概念上的分析，若出现明显不符合逻辑或者规范的数 值，则说明存在误差或是计算出现错误。 2.计算结果的判断和调整 对于体型和结构布置复杂的高层建筑结构，在使用软件进行设计 计算时，应至少采用两个不同力学模型的三维空间分析程序进行整 体内力和位移计算，以便相互校核比较。 对于使用软件得出的计算结果，还可以采用经验

13、判断法，根据设 计经验，进行一些数据上的修正，以减小误差，对结果进行调整。 当周期比不符合规范要求时，可以通过提高结构的抗扭刚度，降低 平动刚度，使平移周期加长的方法来进行调整。 位移比不符合规范要求时，可以通过提高结构的抗扭刚度，提高 结构的抗扭承载力，设置防震缝等措施来进行调整。 当楼层层刚度比不满足规范要求时，可以通过调整材料强度等级 和结构布置以避免薄弱层的出现；不能避免出现的结构薄弱层，其 地震剪力应该乘以1. 15的增大系数，同时加强抗震延性构造措施, 提高结构的抗震等级。 层间受剪承载力之比是用来控制结构竖向不规则的重要指标。当 高层建筑结构中的层间受剪承载力不满足规范要求时，只

14、能通过调 整配筋提高结构的承载能力来解决，如提高“超配系数”等。 当轴压比不符合规范的要求时，可以通过加大构件截面尺寸，提 高篩筋的横向约束能力，提高混凝土的强度等级，提高纵向钢筋的 配筋率，减小E部结构的重量等措施来实现结果的调整。 当剪重比符合规范要求时，首先应研究设计方案是否合理，调整 结构布置、增加结构刚度，使计算的剪重比基本满足规范要求。而 后需要调整地震力，根据规定的最小水平地震剪力调整各层水平地 震作用，剪重比凋整系数将直接乘在该层构件的地震内力上。 四、结语 随着社会科技文化的进步以及经济的发展，高层建筑的发展可谓 是日新月异。高层建筑的结构计算分析变得越来越难。在使用计算 机进行高层建筑的结构计算时，往往不能做到一次完成，而是需要 根据试算结果，进行多次调整，才能得到较为合理的计算结果，以 保证建筑物的安全。然而相较于过去的人力计算，计算机在对高层 建筑结构的计算分析中，还是发挥了不可替代的作用。在使用相关 软件进行对高层建筑的计算分析时，不仅需要对计算机的计算原理 熟谙于心，还必须抱有认真谨慎的态度，这样才能尽量将避免人为 因素造成的误差，从而引起不必要的麻烦。 参考文献 1 杨韬，章一萍，熊峰，李章政.浅谈高层建筑结构分析软件的 力学模型及其选择J.四川建筑，2002 (3) 2 李勤.