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纵论建筑结构设计新规范与软件SATWE的合理应用

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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。



删除|1楼2009-03-26 12:58回复
    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够多时,则可不再调整顶部小塔楼的地震力。如果参与振型选的不够多时,则可按下列要求调整顶部小塔楼的地震力:计算模型振型个数放大系数非耦联 3 <=NMODE <6 3.0非耦联 6<= NMODE<= 9 1.5耦联 9<= NMODE <12 3.0耦联 12<=NMODE<=16 1.5(2)对于顶层带有空旷大房间或为轻钢结构的房屋,不宜视为突出屋面的小塔楼,并采用底部剪力法乘以憎大系数的方法计算地震作用效应,而应视为结构体系的一部分,用振型分解法计算。


    删除|4楼2009-03-26 13:00
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      11、关于质量偶然偏心:国外多数抗震规范认为,需要考虑由于施工、使用等因素所引起的质量偶然偏心或地震地面运动扭转分量的不利影响。我国新规范也考虑了这一因素。
       (1)《高规》3.3.3条要求:计算单向地震作用时应考虑质量偶然偏心的影响,每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值可取建筑物总长的5%;而《抗规》5.2.3条要求规则结构不进型扭转耦联计算时,平行于地震作用方向的两个边榀,其地震作用效应乘以增大系数。新程序按《高规》执行,主要是因为:考虑耦联对任何结构都适用;依靠程序自行确定边榀框架也较困难。
       (2)对于不规则结构必须选此项,主要用来判断结构平面的规则性,见《高规》4.3.5条。特别注意此时,必须对所有楼层强制采用“刚性假定”,执行这一开关后,所计算的地震力、杆件内力均不能用,仅仅用来判断楼层的最大水平位移与层间位移比值。
       注意:对一个不规则结构,带弹性板的结构应计算两遍。一是强制楼板“刚性假定”控制位移,二是按真实情况计算地震力、杆件内力。
       12、关于双向地震的扭转效应:(1)《抗规》5.1.1条及《高规》3.3.2条要求:质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构,应计算双向水平地震作用下的扭转影响,现在程序是按主方向的弯矩、剪力和轴力按0.85开平方。即:S2XY=SX2+(0.85SY)2.S2YX=SY2+ (0.85SX)2.(2)当计算双向水平地震作用下的扭转影响时,程序允许同时考虑质量偶然偏心及双向地震作用,此时仅对无偏心的地震作用效应进行双向水平地震作用计算。当然两者也可不同时考虑。
       (3)《高规》3.3.3条要求:“计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响力”;而条文说明:“当计算双向地震作用时,可不考虑质量偶然偏心的影响”。


      删除|5楼2009-03-26 13:01
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        五、结构整体性能的控制
         对于一个建筑结构设计,主要需从以下几个方面对结构整体性能进行控制:1、水平位移限值(层间位移)
         高规4.6.3条按弹性方法计算楼层层间最大位移与层高之比△μ/h宜符合以下规定:高度不大于150m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比△μ /h不宜大于表4.6.3的限值;高度等于或大于250m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比△μ/h的限值不宜大于 1/500;高度在150m~250m之间的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比△μ/h的限值按本条第一款和第二款的限值线性插入取用。
         注意:a.楼层层间最大位移△μ以楼层最大的水平位移差计算,不扣除整体弯曲变形。
         b.抗震设计时,本条规定的楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。
         2.位移比控制《高规》4.3.5条规定,结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和结构层间位移,A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.5倍;B级高度高层建筑、混合结构最高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层的1.4倍。
         注意: a、这条要求主要是限制结构平面布置的不规则性;b.若结构中有不与楼板相连的构件或定义了弹性楼板,那么,那么,程序输出结果与规范要求不同,此时,需要由设计者依据刚性楼板假定条件下的分析结果。
         c.查看这个比值须是在考虑偶然偏心影响,并强制假设在刚性楼板下的情况下;d.这个不是硬性指标,是计算方法的问题。规范中的各种位移比实际上是来控制结构的扭转效应不能太大的,扭转效应只有在刚性楼板的假定下才有意义,可以想象,如果不考虑刚性楼板假定,那么楼板薄弱的地方位移就会偏大些,楼板强的地方位移就会小一些,这些都是局部的变化,用这样的位移算出来的位移比是毫无意义的,不能反映整个结构的扭转情况,所以计算位移比时应该在刚性楼板假定的条件下进行。
         3.周期比控制《高规》4.3.5条规定,结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,A级高度高层建筑不应大于0.9,B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85.注意:a、这条要求主要是限制结构的抗扭刚度不能太弱。b、提醒大家解决扭转,要注意做好加减法。
         4.层刚度比控制(1)。《高规》4.4.2条及《抗规》3.4.2条规定,抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%.如不满足则应按薄弱层对待。
         (2)。转换层上、下结构侧向刚度的要求:《高规》附录E及《抗规》附录E规定:a.底部大空间为1层时,其转换层上、下层侧向刚度比宜为1,抗震设计时不应大于2,非抗震设计时不应大于3. b.底部大空间层楼大于1层时,其转换层上、下层侧向刚度比宜为1,抗震设计时不应大于1.3,非抗震设计时不应大于2. c.当转换层设置在3层及3层以上时,其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%.(3)。《高规》5.3.7条高层建筑结构计算中,当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室结构楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。
         表4.6.3楼层层间最在位移与层高之比的限值结构类型△μ/h限值框架 1/550框架—剪力墙、框架—核力筒、板柱—剪力墙 1/800筒中筒、剪力墙 1/1000框支层 1/1000多(高)层钢结构 1/300(1/250)
         注意:a.当地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定的,有条件的,可增加地下室的侧向刚度。
         b.没有条件时,将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位,如筏形基础顶面或箱型基础顶面。
         5.高层建筑结构的整体稳定的控制《高规》5.4.4(强规)高层建筑结构的稳定应符合下列规定:(1)剪力墙结构,框架—剪力墙结构,筒体结构应符合下式要求:EJd>1.4H2∑Gi(2)框架结构应符合下式要求:Dj>10∑Gi/hi注意:a.计算完后设计可查看SATWE文本文件“结构设计信息输出文件WMASS.OUT”,查看是否满足要求。
         b.大量的工程经验说明:只要高宽比在规范允许的范围内,其整体稳定性总是满足的。但设计时,对于高宽比超限的结构要特别注意。
         6.框架—剪力墙结构中框架承担的倾覆力矩控制《高规》8.1.3条及《抗规》6.1.3条规定:抗震设计的框架—剪力墙结构,在基本振型地震作用下,框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构部倾覆力矩大于结构部倾覆力的50% 时,其框架部分的抗震等级应按框架结构采用;否则其框架部分的抗震等级应按框架—剪力墙结构中的框架采用,程序按《抗规》6.1.3条的条文说明给出了框架部分承担的的倾覆力矩的计算方法Mc=∑∑Vijhi设计者可查看SATWE文本文件“结构设计信息输出文件WMASS.OUTWMASS.OUT”,查看是否满足要坟。


        删除|8楼2009-03-26 13:02
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          六、计算结果正确性的判断
           〈高规〉5.1.16条及〈抗规〉3.6.5条均有要求:对结构分析软件的计算结果,应进行分析判断,确认其合理,有效后方可作为工程设计依据。如何判断?当然只能依靠概念设计来判断:概念设计是一种设计的思路,可以认为是定性的设计,概念设计不以精确的力学分析、生搬硬套的规范条文为依据,而是由我们对工程进行概括的分析,制定设计目标,采取相应措施,概念设计概念包括安全度的概念、力学的概念、材料的概念、荷载的概念、地震的概念、施工的概念、使用的概念等等。概念设计要求我们融合这些概念,并贯彻到结构方案设计、结构构件布置、计算简图抽象、计算结果处理中。对理论无法明确的部位,要有定义的认识。建议大家对计算结果从以下方面检查:1、检查原始数据是否有误,特别是是否遗漏荷载;2、计算简图是否与实际相符,计算程序是选得正确;3、对计算结果分析:检查设计参数是否选择合适;检查“七种比值”即:(1)柱及剪力墙轴压比是否满足要求,主要为控制结构延性;(2)剪重比:主要为控制各楼层最小地震剪力,确保结构安全性;(3)刚度比:主要为控制结构竖向规则性,以免竖向刚度突形,形成薄弱层;(4)位移比:主要为控制结构竖向规则性,以免形成扭转,对结构产生不利影响;(5)周期:主要为控制结构的扭转效应,减少扭转对结构带来不利影响(此时要注意:第一、二震型在高层建筑中不能发扭转为主第二振震型不能以`扭转为主);(6)刚重比:主要为控制结构的稳定性,以免结构产生滑移和倾覆;(7)有效质量比:主要为控制结构的地震力是否全计算出来。
           以上这七种比值规范中均有明确要求。
           4.另外大家也要注意超配筋信息文件,对超配筋的处理。


          删除|9楼2009-03-26 13:02
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            七、结束语
             高层建筑结构设计中应注重概念设计,重视结构的选型和平、立面布置的规则性,择优选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系,加强构造措施。在抗震设计中,应保证结构的整体抗震性能,使整个结构具有必要的承载力、刚度和延性。应该来讲概念设计在初步设计阶段特别重要,设计中不能陷入只凭计算的误区,不要盲目的依赖计算结果。
             结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用,避免结构出现敏感的薄弱部位,地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位,导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用,在此前题下,才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施,或采用动力时程分析进行验算,试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。对一个结构并非设计得越刚强越好,一个好的设计应该是“结构刚度、承载力、延性、经济性完美的匹配”。
             参考文献1.建筑抗震设计规定(GB50011-2001)
             2.混凝土结构设计规范(GB50010-2002)
             3.高层建筑混凝土技术规程(JGJ3-2002)
             4.中国建筑科学研究院编制的PKPM系软件2003年5版杂志编者按语在2005年第4期《PKPM新天地》中的“纵论建筑结构设计新规范与软件SATWE的合理应用(上)”一文中提到“注意:a、弹性楼板仅适用于高层钢筋混凝土结构;b、不适用于多层钢筋混凝土结构及钢结构建筑;c、对于多层钢筋混凝土结构及钢结构建筑中存在有弹性楼板时,可以近似按洞口处理,但要注意人工将荷载分配到四周的梁上。这段文字是不正确的。
             弹性楼板假定的应用,并不是针对结构的高度来设置,主要是针对楼板的布置,结构的类型等情况选择不同的楼板假定,来反映各种结构的受力特性和传力途径,满足各种结构的设计要求。对于各种楼板的应用范围可采用如下方法确定:弹性楼板6假定是采用壳单元真实地计算楼板平面内和平面外的刚度。从理论上讲,弹性楼板6最符合楼板的实际情况,可用于任何工程。但部分竖向楼面荷载将通过楼板面外刚度直接传递给竖向构件,导致梁的弯矩减小。相应的配筋也会减小,造成梁的安全储备减小。困此,我们建议弹性楼板6一般用于板柱结构和板柱抗震墙结构的计算。
             弹性楼板3假定楼板平面内无限刚,程序仅真实地计算楼板平面外刚度,是针对厚板转换层结构的转换厚板提出的。考虑厚板转换层的板厚一般在1m以上,面内刚度很大,面外刚度是结构传力的关键,程序采用中厚板弯曲单元计算楼板的平面外刚度。
             弹性膜假定采有平面应力膜单元真实计算楼板的平面内刚度,忽略楼板的平面外刚度。主要针对空旷的工业厂房地产体育场馆结构、楼板局部开大洞结构、楼板平面较长或在较大凹入以及平面弱连接结构等。


            删除|10楼2009-03-26 13:02
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              经鉴定,是中文


              禁言 |11楼2009-03-31 20:35
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                • 221.2.54.*
                真是灭绝师太啊,果然强悍。


                12楼2010-01-21 20:03
                回复
                  • 221.2.54.*
                  能联系吗?


                  13楼2010-01-21 20:07
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                    • 221.2.54.*
                    灭绝师太,刚才细读了你的文章,真是太强了。一定加记得我啊。我的QQ360107859。以后一定和你好好探讨建筑结构问题


                    14楼2010-01-21 20:16
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                      遇上天才啊


                      禁言 |15楼2011-09-11 10:38
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                        楼主的文章总是那么的精到!


                        禁言 |16楼2011-10-29 20:51
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                          ___

                          (士)
                          ((NE)))
                          ((丰))
                          胸 -/-
                          "茶---
                          效果很好"
                          -LHX-


                          禁言 |17楼2011-12-10 13:31
                          回复