SATWE结构整体计算时设计参数的合理选取(1-17)姜学诗

13BuildingStructure设计交流WelearnwegoSATWE结构整体计算时设计参数的合理选取（一）姜学诗/中国建筑设计研究院审图所1总信息中各项参数的合理选取（一）1.1结构材料信息参数目前，在建筑工程（民用建筑和工业建筑）中，按结构材料分类，广泛应用的结构体系有钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构和钢与混凝土的混合结构四大类。结构材料信息参数可根据具体工程的结构材料类型，在上述四大类结构中选取一种。1.2混凝土容重和钢材容重参数一般情况下，钢筋混凝土材料的容重为25kN/m3，钢材容重为78.5kN/m3。除了楼（屋）面板板面的建筑装修荷载和板底吊顶或吊挂荷载可以在结构整体计算时通过楼（屋）面“荷载平面图”输入外，梁、柱、墙等构件表面的建筑装修层（包括钢构件表面的防火、防腐蚀涂层或外包轻质防火板材等）的重量，则通过将钢筋混凝土材料或钢材容重乘以增大系数来考虑。根据具体工程的装修情况，钢筋混凝土材料容重的增大系数一般可取1.04~1.10，钢材容重的增大系数一般可取1.04~1.18。即结构整体计算时，输入的钢筋混凝土材料的容重可取为26~27.5kN/m3，钢材的容重可取为82~92kN/m3。钢材容重增大系数上限值较钢筋混凝土材料大，取1.18左右，主要是还要考虑钢结构构件可能有的加劲肋和构件连接用节点板、拼接板及高强度螺栓等的重量。1.3水平力的夹角（Rad）参数“水平力的夹角（Rad）”参数，实际上是指水平力与整体坐标之间的夹角参数。建筑结构的整体坐标建立后（图1），风荷载和地震力总是沿着坐标轴方向作用。当设计者认为在所设定的坐标系下风荷载和地震力不能使结构处于最不利的受力状态时，则可以让结构沿顺时针方向旋转一个角度，对于图1所示的结构，如定义水平力的夹角为30°，则结构将会如图2所示布置，但风荷载和地震力并不随之而变，仍然沿着水平的x向和y向作用，而竖向荷载不受影响。比较计算分析表明，定义水平力的夹角为一大于零的角度后，如果在结构整体计算中选择总刚分析方法，则结构本身的周期、振型等固有特性，即周期值和各周期振型的平动系数和扭转系数不会改变，但平动系数在两个方向的分量会有所改变。图1结构平面示意（旋转前）图2结构平面示意（旋转后）由于侧刚模型是为减少结构的自由度而采取的一种简化计算方法，结构旋转一定角度后，结构简化模型的侧向刚度将随之改变，结构的周期和振型都会发生变化。因此建议在结构整体计算时，在各种情况下均应采用总刚模型，不应采用侧刚模型。地震作用具有极大的不确定性和不可预知性，这主要是指地震发生的时间、地点、强度和特性是不确定的。地球上的任何一个地方都有可能发生地震。地震作用是短时间的动力作用，一次地震的持续时间一般为1min左右，最长也很少超过3min。如四川5·12汶川大地震，地震强烈波动时间长达100s，约为2min。抗震设计时，对同一场地上的同一幢建筑结构而言，由于结构在不同方向上的侧向刚度有差异，地震沿不同的方向作用，结构地震反应的大小一般也不相同。结构的地震反应显然是地震作用方向角的函数，因此，必然存在某个角度使得结构地震反应最大。这个角度称为最不利地震作用方向角，并可以在SATWE软件计算结果文件WZQ.OUT中查到。根据抗震规范的要求，当文本文件WZQ.OUT输出的“地震作用最大的方向（角）”大于15°时，应将这个角度在“水平力的夹角（Rad）”参数项内填入，并重新进行结构整体计算，以体现最不利的地震作用的影响。由于SATWE软件对输入的两个不同角度进行计算所得到的结果不能自动取最不利情况，所以设计者需要在两个不同的工作目录下分别计算，然后对计算结果一一比较，取最不利的情况进行结构构件配筋设计。为了简化计算，避免对上述计算结果进行繁重的比较工作，设计者也可以把这个角度作为斜交抗侧力构件地震作用方向之一，即在“斜交抗侧力构件方向的附加地震数”参数项内，增填这个角度进行结构整体分析，以提高结构的抗震安全性。1.4地下室层数14设计交流BuildingStructureWelearnwego多高层建筑，特别是高层建筑，一般均设有地下室。在结构分析与设计中，上部结构与地下室应作为一个整体进行设计计算。将上部结构与地下室分离计算，或者指定地下室水平嵌固层数（例如，对于一个有二层地下室的结构，在“地下室层数”参数项内若填-1，则表示上部结构嵌固在地下二层顶板部位；若填-2，则表示上部结构嵌固在地下一层顶板部位），均不符合工程实际情况，也无法考虑上部结构在地下室嵌固部位的总水平地震剪力对地下室结构的影响。在用PKPM软件建模时，地下室有几层应建几层，并在“地下室层数”参数项内，填入相应的层数数值。根据抗震规范的规定，当地下室顶部不能作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的底板部位通常可满足上部结构的嵌固要求。这时，可将地下室的层数减少一层后进行结构的整体补充计算。结构设计可取上部结构嵌固在地下室顶部和地下一层底部两种情况的包络结果。上部结构嵌固部位的条件和要求及设计注意事项将另行讨论。1.5竖向荷载计算信息参数竖向荷载计算信息，即SATWE软件中的模拟施工计算，软件一共给出了四种模拟施工计算方法可供选用。1.5.1一次性加载这种计算方法实际上是假定结构已经施工完成，然后将荷载一次性地加到结构上。由于竖向荷载是一次性地加到结构上，从而造成结构竖向位移偏大。这对于框架-核心筒类结构，由于框架和核心筒的刚度相差较大，使核心筒承受较大的竖向荷载，导致二者之间产生较大的竖向位移差。这种位移差常会使结构中间支柱出现较大沉降，从而使上部楼层与之相连的框架梁端负弯矩很小或不出现负弯矩，造成配筋困难。所以，目前工程在多数情况下，已很少采用一次性加载方式来进行结构整体计算。一次性加载的计算方法仅适合用于低层结构或有上传荷载的结构，如吊柱以及采用悬挑脚手架施工的长悬臂结构等。1.5.2模拟施工加载1这种计算方法也是假定结构已经施工完成，然后再将竖向荷载分层加到结构上。采用这种加载方式与实际情况仍有差别，但结构的竖向位移和位移差较一次性加载有所改善，是比较常用的施工模拟加载方法。1.5.3模拟施工加载2模拟施工加载2与模拟施工加载1相比，其主要区别是先将结构的竖向构件刚度放大10倍，然后再按模拟施工加载1进行加载，这样做的主要目的是为了削弱竖向荷载按构件刚度的重分配，使柱、墙上分得的轴力比较均匀，接近手算结果，传给基础的荷载更为合理。这种加载方法仅适用于框架—剪力墙类结构基础的设计。由于将竖向构件的刚度放大10倍依据不足，工程经验又不多，故很少采用。1.5.4模拟施工加载3由于一次性加载及模拟施工加载1和2的加载方法存在与工程实际不相符的情况，SATWE软件在这些加载方法的基础上，增加了模拟施工加载3的竖向荷载计算方法。这种加载方法的主要特点是能够比较真实地模拟结构竖向荷载的加载过程，即分层计算各层刚度后，再分层施加竖向荷载。采用这种加载方法计算出来的结果更符合工程实际。模拟施工加载1和3的比较计算表明：（1）框架中柱的轴力，模拟施工加载3的计算结果比模拟施工加载1的稍大，增大量在5%的范围内。（2）框架角柱的弯矩，模拟施工加载3的计算结果比模拟施工加载1的大，而且增大较多，有的甚至是2倍的关系。（3）框架梁的弯矩，模拟施工加载3的计算结果也比模拟施工加载1的要大，通常增大量在10%以内。因此，在进行结构整体计算时，如条件许可，应优先选择模拟施工加载3来进行结构的竖向荷载计算，以保证结构的安全。模拟施工加载3还能改善框架-剪力墙类结构传给基础的荷载的合理性。模拟施工加载3的缺点是计算工作量大。强调采用模拟施工加载3进行结构竖向荷载计算，并不是说对于所有的结构，都可以采用模拟施工加载3。例如长悬臂结构，当采用悬吊脚手架施工时，采用一次性加载的方法更符合实际情况，参见文[2]。参考文献[1]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）SATWE用户手册及技术条件[M].2005.[2]陈岱林，赵兵，刘民易.PKPM结构CAD软件问题解惑及工程应用实例解析[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.[3]高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].北京：中国计划出版社，2005.[4]王雁昆.浅谈地震作用方向的合理运用[J].PKPM新天地,2007，(4).建筑结构远程投稿系统近期将开通，敬请关注！结构整体计算时设计参数的合理选取（二）姜学诗/中国建筑设计研究院审图所1总信息中各项参数的合理选取（二）1.6风荷载计算信息风荷载是一种自然现象。在进行结构整体计算时，无论是地震区还是非地震区，均应进行x，y两个方向的风荷载作用计算。特别是地震区的多层建筑，也应进行风荷载作用计算。这是因为：（1）不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋和单层厂房等建筑，按照抗震规范的规定，可不进行天然地基和基础的抗震承载力验算，即地基基础设计时，不采用地震作用效应参与的基本组合。在这种情况下，如不计算风荷载的作用，柱脚弯矩会使这类单层或多层建筑地基基础的设计偏于不安全。（2）当建筑物所在地区的抗震设防烈度较低，而风荷载较大时，上述第（1）项的单层或多层建筑的某些抗侧力构件，有可能是非地震作用效应参与组合的基本组合控制。在这种情况下，如不进行风荷载作用计算，有可能使某些抗侧力构件设计偏于不安全。风荷载信息输入时应正确输入以下参数：（1）基本风压（SATWE软件称为修正后的基本风压）基本风压应按《建筑结构荷载规范》附录D.4中附表D.4给出的50年一遇的风压采用，但不得小于0.3kN/m2。对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关结构设计规范具体规定。例如高层建筑，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，其基本风压应按100年重现期即100年一遇的风压值采用。对风荷载是否敏感，主要与高层建筑的自振特性有关，目前尚无实用的划分标准。一般情况下，高度大于60m的高层建筑可按100年一遇的风压值采用；对于高度不超过60m的高层建筑，其风压是否提高，可由结构工程师根据结构的重要性按实际情况确定。考虑到房屋建筑的设计使用年限为50年，在计算结构正常使用条件下的水平位移时，所有的建筑物均可采用50年一遇的基本风压。（2）地面粗糙度类别根据荷载规范的规定，地面粗糙度可分为A，B，C，D四类。所谓地面粗糙度，除反映地面的自然起伏状态外，在城市及其周边地区，主要是指地面上所建房屋的高度和密集程度。近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，地形相对平坦，且很少有房屋建筑，地面粗糙度属于A类；田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，地面粗糙度属于B类；城市市区建筑群密集，地面粗糙度属于C类；当城市市区不仅建筑群密集而且房屋较高时，地面粗糙度则属于D类。地面粗糙度类别对风压高度变化系数、脉动增大系数、脉动影响系数和阵风系数均有不同程度的影响，因此对风荷载标准值的影响较大。结构工程师应根据荷载规范的分类方法正确确定建筑物所在场地地面粗糙度的类别。（3）结构基本周期SATWE软件隐含的结构基本周期T1（见结构整体计算后软件输出的风荷载信息第三项）是按照《高层建筑混凝土结构技术规程》附录B的近似公式（B.0.2）计算出来的，与结构分析后输出的真实计算周期值T1（见软件的周期、地震力与振型输出文件WZQ.OUT）在多数情况下差别较大，影响了风荷载的正确计算，特别是在较高风压地区影响更为明显。为了获得较准确的脉动增大系数和风振系数，从而正确地计算作用在结构迎风面上的风荷载标准值，结构工程在进行结构内力和配筋计算前，应对软件隐含的结构基本周期进行修改，代之以结构的计算基本自振周期值。（4）风荷载体型系数对于一般建筑，软件隐含迎风面和背风面风荷载体型系数之和为1.3，对于需要定义特殊风荷载的建筑，风荷载体型系数应专门确定。1.7地震力计