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高層建筑結構計算機計算原理及結果簡析
一、高層建筑結構設計分析
軟件概述計算機的使用，使得人們在解決高次超靜定結構問題時能夠節省人力和時間，尤其在對大型復雜結構問題的計算上，計算機的作用往往是不可替代的 當今在計算機處理高層建筑結構問題領域中，存在著許多實用的高層建筑結構設計分析軟件，為現代的高層建筑結構分析帶來了便利，以下僅對其中的幾種比較優秀的軟件進行簡要介紹。
1.當今使用高層建筑結構設計分析軟件介紹在現如今的諸多工程設計軟件中， 以中國建筑科學研究院推出的PKPM結構系列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構設計分析軟件。
PKPM結構系列軟件由中國建筑科學研究院開發研制，屬于PKPM系列軟件中的重要組成部分。在對于建筑結構的建模、計算等應用中，P K P M結構系列軟件目前是國內建筑行業使用最為廣泛的一套軟件。
PKPM結構系列軟件主要由以下幾個主要模塊軟件組成：
結構平面CAD軟件，高層建筑空間有限元分析軟件，線彈性組合結構有限元分析軟件，sTs軟件，P K軟件，多、高層建筑結構三維分析與設計軟件，JLQ軟件，JCCAD軟件，L TCAD軟件。
2.各高層建筑結構設計分析軟件功能特點分析結構平面CAD軟件，簡稱PMCAD軟件。結構平面CAD軟件可以為其它結構模塊軟件提供荷載數據和幾何數據，可以繪制結構平面圖，建立工程結構模型。結構平面CAD軟件是其它軟件的重要接口，整個PKPM結構系列軟件的核心。
高層建筑空間有限元分析軟件，即sATwE軟件。在高層建筑結構分析中可以進行多、高層的鋼筋混凝土框架、高層鋼結構、高層鋼— — 混凝土混合結構、多、高層的鋼筋混凝土框架—— 剪力墻以及剪力墻結構的計算。
線彈性組合結構有限元分析軟件，簡寫為PMSAP軟件。與一般通用與專業程序不同的是，線彈性組合結構有限元分析軟件提出了“二次位移假定”的概念，并且加以實現。這種做法使得結構分析的精度和速度都得到兼顧和改善。在高層建筑結構分析領域中，線彈性組合結構有限元分析軟件可以對剪力墻、厚板轉換層、樓板等關鍵構件做施工圖模擬分析、預應力分析、溫度應力分析、活荷載不利布置分析等計算。它提出的基于殼元子結構的高精度分析方法，使得線彈性組合結構有限元分析軟件自身廣泛的應用于相當大的結構模和非常豐富的結構形式的分析計算中。該程序能對多、高層建筑結構做線彈性范圍內的靜力分析、地震反應譜分析、時程響應分析和固有振動分析，并能依據規范對多、高層建筑結構里的鋼構件、混凝土構件進行應力驗算或配筋設計。
STS軟件。通過線彈性組合結構有限元分析軟件或高層建筑空間有限元分析軟件對多、高層建筑進行結構內力分析，s T s軟件便可以根據分析結果來進行節點設計，建立多、高層支架、排架、桁架、框排架、鋼框架、門式鋼架的三維模型，從而完成多、高層建筑的鋼結構施工圖。
PK軟件。該軟件主要是用于進行各種復雜類型和規則的框排架結構、框架結構、排架結構、連續梁以及剪力墻簡化成的壁式框架結構的計算和繪圖。
多、高層建筑結構三維分析與設計軟件，即T A T軟件。在多、高層建筑結構分析計算中，多、高層建筑結構三維分析與設計軟件可以進行剪力墻結構、框架一一剪力墻、鋼筋混凝土框架的分析計算。
JLQ軟件。在多、高層建筑結構分析領域中，JLQ軟件主要用來進行剪力墻平面模板尺寸的設計，墻分布筋，墻梁、邊框柱、異型柱、暗柱、端柱的配筋計算和繪制剪力墻施工圖。
JCCAD軟件。通過接力PM數據以及TAT、SATWE或PMSAP數據，jcCAD軟件可以在高層建筑結構設計中用于樁基、筏板基礎、柱下獨立基礎、墻下條形基礎等的計算、繪圖。
LTCAD軟件。在多、高層建筑結構設計分析中，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算、配筋和繪圖。
SAP2000是一個最具高效率、集成化的三維靜、動力結構分析軟件。通過大量統計和系統的歸納，SAP2000設計了一個各類結構的典型要素的模板。通過對這種模板的利用，SAP2000建立的計算模型只需要確定很少幾個控制數據就能得到所需的具備可實施計算分析的物理模型。
二、高層建筑結構計算及計算原理
1.高層建筑結構計算在高層建筑結構的計算分析中，需要計算解決的有：單元剛度、結構剛度的、總剛度、綜合結點荷載、結點位移與桿端內力等。
高層建筑結構的計算機分析方法，大體可分為三種：采用矩陣位移發計算(或稱為桿件有限元法)，組合結構法(或稱為組合有限元法)和有限條法 在上述三種方法中，桿件矩陣位移法應用得最為廣泛，組合有限元法近年來應用較多，有限條法應用較少。
2.高層建筑結構計算原理在結構矩陣分析中，沿用傳統結構力學的基本假定、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，結構只產生小變形，桿件軸力對彎曲的影響可以忽略。因此，作用力和位移之間呈線性關系，可以應用迭加原理。迭加原理是矩陣位移法分析的基礎。
矩陣位移法的基本思路是把連續的實際結構離散化。先離散，后組合，以等效的數學模型代替真實結構進行計算。這樣做的目的是為了在分析高層建筑的結構時，能從簡單問題入手，解決復雜問題。在桿系結構中，每根桿件就是一個單元。離散單元的分析是結構矩陣分析的基礎。對桿系結構來講，等效數學模型就是真實結構。不論桿系結構的組成如何復雜，其組合方法都是一致的。在這一分一合、先離散后組合的過程中，把復雜結構的計算問題轉化為簡單單元的分析和集合問題，從而達到了由簡單問題入手解決復雜問題的目的。在結構矩陣分析中，從單元分析到整體組合的全部計算過程，一律采用矩陣方法。因此，在使用計算機計算時，從原始數據的輸入到計算結果的輸出，都可以由計算機自動完成，從而大大提高計算的速度和精度。目前，復雜桿系結構的靜力、動力和穩定性的計算以及連續體的計算，普遍采用矩陣位移法。
組合結構法主要是通過將高層建筑結構離散為桿單元、平面或空間的墻、板單元，然后將這些單元集合成結構體系以實現對高層建筑結構的分析和計算。
有限條法是通過將高層建筑結構離散為平面或空間的連續條元，并將這些條元集合成結構體系來完成對高層建筑結果的分析和計算。
三、計算結果分析
由于高層建筑結構一般比較復雜，在用以上軟件進行計算時，數據輸入量很大，有時難免會出現錯誤。為了盡可能的減少錯誤，就需要對計算結果進行分析和判斷。
1.計算誤差分析對于高層建筑結構計算機計算結果的誤差分析主要是通過對幾個重要控制指標的控制來實現的，即：周期比、位移比、剛重比、樓層層剛度比、層問受剪承載力之比、軸壓比、剪重比等。
在高層建筑結構計算結果中，針對各項荷載作用下的內力計算結果，如恒荷載、某一活荷載、某一振型的地震作用，可校核某些結點是否滿足平衡條件。
對于高層建筑結構的基本周期，在采用經驗公式的計算結果進行比較時，兩個計算的結果不應該相差太大。否則，便說明存在誤差。
當應用軟件對高層建筑結構完成計算得出結果以后，需要對軟件的計算結果進行概念上的分析，若出現明顯不符合邏輯或者規范的數值，則說明存在誤差或是計算出現錯誤。
2.計算結果的判斷和調整對于體型和結構布置復雜的高層建筑結構，在使用軟件進行設計計算時，應至少采用兩個不同力學模型的三維空間分析程序進行整體內力和位移計算，以便相互校核比較。
對于使用軟件得出的計算結果，還可以采用經驗判斷法，根據設計經驗，進行一些數據上的修正， 以減小誤差，對結果進行調整。
當周期比不符合規范要求時，可以通過提高結構的抗扭剛度，降低平動剛度，使平移周期加長的方法來進行調整。
位移比不符合規范要求時，可以通過提高結構的抗扭剛度，提高結構的抗扭承載力，設置防震縫等措施來進行調整。
當樓層層剛度比不滿足規范要求時，可以通過調整材料強度等級和結構布置以避免薄弱層的出現;不能避免出現的結構薄弱層，其地震剪力應該乘以1.15的增大系數，同時加強抗震延性構造措施，提高結構的抗震等級。
層間受剪承載力之比是用來控制結構豎向不規則的重要指標。當高層建筑結構中的層間受剪承載力不滿足規范要求時，只能通過調整配筋提高結構的承載能力來解決，如提高“超配系數”等。
當軸壓比不符合規范的要求時，可以通過加大構件截面尺寸，提高箍筋的橫向約束能力，提高混凝土的強度等級，提高縱向鋼筋的配筋率，減小部結構的重量等措施來實現結果的調整。
當剪重比符合規范要求時，首先應研究設計方案是否合理，調整結構布置、增加結構剛度，使計算的剪重比基本滿足規范要求。而后需要調整地震力，根據規定的最小水平地震剪力調整各層水平地震作用，剪重比凋整系數將直接乘在該層構件的地震內力上。
結束語
隨著社會科技文化的進步以及經濟的發展，高層建筑的發展可謂是日新月異。高層建筑的結構計算分析變得越來越難。在使用計算機進行高層建筑的結構計算時，往往不能做到一次完成，而是需要根據試算結果，進行多次調整，才能得到較為合理的計算結果， 以保證建筑物的安全。然而相較于過去的人力計算，計算機在對高層建筑結構的計算分析中，還是發揮了不可替代的作用。在使用相關軟件進行對高層建筑的計算分析時，不僅需要對計算機的計算原理熟諳于心，還必須抱有認真謹慎的態度，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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