纵论建筑结构设计新规范与软件SATWE的合理应用

　摘要： 随着建筑结构新规范全面颁布，新规范在工程设计已全面开始，这对于如何在工程设计中正确应用理解规范条文，正确选择设计软件及合理选取设计参数显得尤为重要。　　关键词： SATWE 规范　　一、前言：　　随着建筑结构新规范全面颁布，新规范在工程设计已全面开始，这对于如何在工程设计中正确应用理解规范条文，正确选择设计软件及合理选取设计参数显得尤为重要。　　二、明确几个概念：　　1、“多塔结构”与“分缝结构”的区别：　　（1）“塔”的概念：这里的塔是个工程概念，指的是四边都有迎风面且在水平荷载作下可独自变行的建筑体部。将多个塔建同一个大底盘体部上，叫多塔结构。　　（2）多塔结构的定义：对与大底盘多塔结构、巨型框架结构，如果把裙房部分按塔的形式切开计算，则裙房部分误差较大，且各塔的相互影响无法考虑。因此，程序采用了分块平面内无限刚的假定以减少自由度，且同时考虑塔与塔的相互影响。对于多塔结构，各刚性楼板的信息程序自动定义。但其包含区域需由用户定义。　　（3）分缝结构：在一个大的建筑体部里，因设伸缩缝、沉降缝、抗震缝，分成了若干小的建筑体部，叫分缝结构。分缝结构与多塔结构区别是四边中有的边不是迎风面。　　（4）对分缝结构各块要分开计算。　　（5）多塔结构新规范条文注意事项：第一扭转周期与第一平动周期的比值限值、最大位移平动位移的比值限值，对多塔结构特别注意，目前程序是不对的，不能直接采用，必须将多塔结构分搭计算，方可判断两者的比值。　　2、“刚性楼板”与“弹性搂板”　　（1）刚性楼板是是指平面内设定为刚度无限大，内力计算时不考虑平面内外变形，与板厚无关，程序默认楼板为刚性楼板。　　（2）弹性搂板：必需以房间为单元进行定义，与板厚有关，分以下三种情况：　　弹性搂板6：程序真实考虑楼板平面内、外刚度对结构的影响，采用壳单元，原则上适用于所有结构。但采用弹性搂板6计算时，楼板和梁共同承担平面外弯矩，其结果梁的配筋偏小，楼版承担的平面外弯矩计算配又未考虑，此外计算工做量大，因此该模型仅适用板柱结构。　　弹性搂板3：程序设定楼板平面内刚度为无限大，而仅考虑平面外刚度对结构的影响，采用壳单元，因此该模型仅适用厚板结构。　　弹性膜：程序真实考虑楼板平面内刚度，而假定平面外刚度为零。采用膜剪切单元，因此该模型适用钢楼板结构。　　注意：　　（1） 弹性搂板仅适用于高层钢筋混凝土结构。　　（2） 不适用于多层钢筋混凝土结构及钢结构建筑。　　（3）多层钢筋混凝土结构及钢结构建筑中存在有弹性搂板时，可近似的按开洞处理，但要注意人工将荷载分配到周边梁上。　　3、有关振型的几个概念　　（1）振型参与系数：每个质点质量与其在某一振型中相应坐标乘积之和与该振型的主质量（或者说该模态质量）之比，即为该振型参与系数。　　（2）振型的有效质量：这个概念只对于串连刚片系有效（即基于刚性楼板假定的，不适用于一般构），某一振型的某一方向的有效质量为各个质点质量与该质点在该一振型中相应方向对应坐标乘积之和的平方。　　（3）有效质量系数：如果计算时只取了几个振型，那么这几个振型的有效质量之和与总质量之比即为有效质量系数。用于判断参与参与振型数足够与否，并将用于程序。　　（4）振型参与质量：某一振型的主质量（或者说该模态质量）乘以该振型的参振型与系数的平方，即为该振型的振型参与质量。　　（5）振型参与质量系数：由于有效质量系数只适用于刚性楼板假定，《高规》5.1.13条及《抗规》5.2.2条文说明，提出了用振型参与质量系数来判断参与振型数足够与否的方法。即选定振型个数的振型参与质量之和与总质量之比即为振型参与质量系数。这种方法适用于刚性楼板假定，也适用于弹性楼板。　　4、总刚与侧刚的概念　　（1）总刚：就是用结构的总刚阵和与之相对的质量阵按振型叠加法求解结构的周期及振型。结构的总刚阵即为结构静力分析时形成的结构总刚度矩阵。自由度数为N的高层结构，结构的总刚度矩阵为N阶方矩阵，若定义有较大范围多的弹性楼板或有较多的不与楼板相连构件时，可准确分析出结构每层每根构件的空间反应，可发现结构的刚度突变部位，连接薄弱的构件以及数据有误的部位。缺点是计算量大，费时长。　　（2）侧刚：在高层结构分析中，为了提高分析效率，对于引入楼板平面内无限刚或分块无限刚，平面外刚度为零的假定后，采用一种简化计算方法，可已大大降低结构的自由度，使得结构每层只有3个独立的平动自由度，这就是侧刚的方法。优点是分析效率高，误差在允许范围。　　（3）若平面没有布置弹性楼板且没有不与楼板相连构件的工程，侧刚、总刚的结果是一致的。　　5、抗震措施与抗震构造措施概念　　（1）抗震措施：是指除地震作用计算和抗力计算以外的设计内容，包括建筑总体布置，结构选型，地基抗液化措施，考虑概念设计要求对地震作用效应（内力及变形）的调整，以及各种构造措施。　　（2）抗震构造措施：是指根据抗震概念设计的原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分所采取的细部构造，如钢筋锚固、塔接，混凝土保护层，最小配筋率等。“抗震措施”涵盖了“抗震构造措施”，请注意：抗震等级划分属“抗震措施”。　　6、有关高层建筑超限的审查规定：建设部第111号令2002年7月25日颁发《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》，所谓的超限高层建筑，是指：超出现行规范、规程的适应高度和适应结构类型的高层建筑工程，体型特别不规则的建筑工程，高位转换层（8度3层以上、7度5层以上）及有关规范、规程规定应当进行抗震专项审查的高层建筑。　　注意：取消了对于高宽比超限时审查要求，高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定及经济合理性的宏观控制。　　弹性搂板6：程序真实考虑楼板平面内、外刚度对结构的影响，采用壳单元，原则上适用于所有结构。但采用弹性搂板6计算时，楼板和梁共同承担平面外弯矩，其结果梁的配筋偏小，楼版承担的平面外弯矩计算配又未考虑，此外计算工做量大，因此该模型仅适用板柱结构。　　弹性搂板3：程序设定楼板平面内刚度为无限大，而仅考虑平面外刚度对结构的影响，采用壳单元，因此该模型仅适用厚板结构。　　这对于SATWEK参数中，梁的刚度取值是否为1.　　三、设计参数的合理选取　　1、抗震等级的确定：钢筋混凝土房屋应根烈度、结构类型和房屋高度的不同分别按〈抗规〉6.1.2条或〈高规〉4.8条确定本工程的抗震等级。但需注意以下几点：　　（1）上述抗震等级是“丙”类建筑，如果是“甲”、“乙”、“丁”类建筑则需按规范要求对抗震等级进行调整。　　（2）接近或等于分界高度时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件慎重确定抗震等级。　　（3）当转换层〉=3及以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部的抗震墙等级宜按〈抗规〉6.1.2条或〈高规〉4.8条查的抗震等级提高一级采用，已为特一级时可不调整。　　（4）短肢剪力墙结构的抗震等级也应按〈抗规〉6.1.2条或〈高规〉4.8条查的抗震等级提高一级采用……但注意对多层短肢剪力墙结构可不提高。　　（5）注意：钢结构、砌体结没有抗震等级。计算时可选“5”，不考虑抗震构造措施。　　2、振型组合数的选取：在计算地震力时，振型个数的选取应是振型参与质量要达到总质量90%以上所需要振型数。但要注意以下几点：　　（1）振型个数不能超过结构固有的振型总数，因一个楼层最多只有三个有效动力自由度，所以一个楼层也就最多可选3个振型。如果所选振型个数多于结构固有的振型总数，则会造成地震力计算异常。　　（2）对于进行耦联计算的结构，所选振型数应大于9个，多塔结构应更多些，但要注意应是3的倍数。　　（3）对于一个结构所选振型的多少，还必需满足有效质量系列化大于90%.在WDISP.OUT文件里查看。　　3、主振型的判断；　　（1）对于刚度均匀的结构，在考虑扭转耦联计算时，一般来说前两个或前几个振型为其主振型。　　（2）对于刚度不均匀的付杂结构，上述规律不一定存在，此时应注意查看SATWE文本文件“周期、振型、地震力”WZQ.OUT.程序输出结果中，给出了输出各振型的基底剪力总值，据此信息可以判断出那个振型是X向或Y向的主振型，同时可以了解没个振型对基底剪力的贡献大小。　　4、地震力、风力的作用方向：结构的参考坐标系建立以后，所求的地震力、风力总是沿着坐标系的方向作用。但设计者注意以下几种情况：（1）设计应注意查看SATWE文本文件“周期、振型、地震力”WZQ.OUT.输出结果中给出了地震作用的最大方向是否与设计假定一致，对于大于150度时，应将此方向输入重新计算。　　（2）对于有有斜交抗侧力构件的结构，当大等于150度时，应分别计算各抗力构件方向的水平地震力。此处所指交角是指与设计输入时，所选择坐标系间的夹角。　　（3）对于主体结构中存在有斜向放置的梁、柱时，也要分别计算各抗力构件方向的水平地震力。　　5、周期折减系数：高规3.3.17条规定：当非承重墙体为填充砖墙时，高层建筑结构的计算自振周期折减系数，可按下列规定取值。　　（1）框架结构 0.6—0.7；框架—剪力墙结构0.7—0.8；剪力墙结构 0.9—1.0；短肢剪力墙结构 0.8—0.9.　　（2）请大家注意：周期折减是强制性条文，但减多少则不是强制性条文，这就要求在折减时慎重考虑，既不能太多，也不能太少，因为折减不仅影响结构内力，同时还影响结构的位移。　　6、活荷载质量调整系数：该参数即为荷载组合系数。可按《抗规》5.1.3条取值。注意该调整系数只改变楼层质量，不改变荷载总值，即对竖向荷载作用下的内力计算无影响，　　7、关于柱长计算系数《混规》7.3.11条规定了三种情况下柱计算长度的选取，设计者应根据实际情况区别对待。　　程序默认是7.3.11-2情况。　　8、关于阻尼比：不同的结构有不同的阻尼比，设计者应区别对待：钢筋混凝土结构：0.05小于12层纲结构：0.03大于12层纲结构：0.035纲结构：0.05　　9、关于梁的几个调整系数　　（1）刚度调整系数Bk：梁的刚度调整，主要是考虑现浇楼板对梁的刚度贡献，楼板与梁按T形共同工作。而程序是按矩形取，所以可以考虑梁的刚度放大。一般可取1.5—2.0，但对预制楼板、板柱结构的等代梁取1.0，注意刚度调整系数对连梁不起作用。　　（2）梁端负弯矩调整系数：框架梁在竖向荷载作用下梁端负弯矩调整系数，是考虑梁的塑性内力重分布。通过调整使梁端负弯矩减小，跨中正弯矩加大（程序自动加）。梁端负弯矩调整系数一般取0……85.注意：1：程序隐含钢梁为不调幅梁。2：不要将梁跨中弯矩放大系数与其混淆。　　（3）梁弯矩放大系数Bm：当不计算活载或不考虑活载不利布置时，可通过此参数调正梁在恒、活载作用下的跨中正弯矩，一般取1.1—1.2.在选用时注意：如果活载考虑不利布置时则此系数取1.0.　　（4）连梁刚度折减系数BLz：主要是指那些与剪力墙一端或两端平行连接的梁，由于梁两端往往变位差很大，剪力就会很大，所以很可能出现超筋。这就要求连梁在进入塑性状态后，允许其卸载给剪力墙，而剪力墙的承载力往往较大，因此这样的内力重分布是可以的。一般取0.55—0.7.注意：如连梁的跨高比大于等于5时，建议按梁输入，因此时梁往往是受弯为主，刚度不应折减。　　（5）梁扭矩折减系数Tb：是针对新规范的梁抗扭设计而设的，由于目前梁在整体结构中的扭转问题研究的还不多，楼板对梁平面外究竟有多大约束作用，还不十分清楚，所以程序给出的范围较大0.4—1.0，建议取0.4.注意：程序规定对于不与刚性楼板相连的梁及弧梁不起作用。　　10、关于顶部小塔楼放大系数：　　（1）对于顶部带有小塔楼的结构，在动力分析中，可能会出现鞭梢效应，即二次共振，这对很不利。实际计算过程中。如果参与振型选的足