[摘要]：在結(jié)構(gòu)計算軟件日益普及的今天,人們對結(jié)構(gòu)計算軟件的依賴性也越來越大,有時甚至過分地相信計算軟件,往往無法監(jiān)控其計算和處理的全過程，概念設(shè)計的作用由此凸顯。設(shè)計人員必須具備清晰的結(jié)構(gòu)概念，合理簡化模型，并對所使用的結(jié)構(gòu)計算軟件的基本假定、計算模型和適用范圍有所了解,并從整體上控制結(jié)構(gòu)性能,這樣才能保證結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)、合理。
　　[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)概念設(shè)計計算軟件計算模型設(shè)計參數(shù)合理性判別
　　1常用結(jié)構(gòu)計算軟件
　　一個好的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)包含概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算及構(gòu)造措施等方面組成，而概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中又屬先行者且貫穿始終，概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)的靈魂。由于種種原因,目前的結(jié)構(gòu)計算軟件總是存在著一定的局限性、適用性和近似性,并非萬能。如:結(jié)構(gòu)的模型化誤差;非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)剛度的影響;樓板對結(jié)構(gòu)剛度的影響;溫度變化在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力;回填土對地下室約束相對剛度比;地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的相互作用等等都會使計算模型與實際結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生偏差。正是因為如此,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)對所用計算軟件的基本假定、力學(xué)模型及其適用范圍有所了解,并對計算結(jié)果進(jìn)行分析判斷確認(rèn)其正確、合理、有效后方可用于工程設(shè)計。
　　目前,常用的結(jié)構(gòu)分析模型可分為兩大類:第一類為平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同分析模型;另一類為三維空間有限元分析模型。日常設(shè)計中常用的幾種結(jié)構(gòu)分析軟件如下：
　　ETABS軟件。它是由美國Berkeley地震工程研究中心開發(fā)的高層建筑三維專用有限元分析軟件,其特點是采用空間桿單元模擬梁、柱、支撐構(gòu)件,采用膜元模型來模擬剪力墻,樓板可采用平面內(nèi)無限剛假定、分塊無限剛假定和彈性假定。ETABS采用空間協(xié)同工作體系,是準(zhǔn)三維分析程序。其主要優(yōu)點是針對建筑結(jié)構(gòu)的特點進(jìn)行編制,使用起來比較方便。不足之處是它并非完全三維空間分析程序,協(xié)同工作假定帶來一定的計算誤差,同時,對剪力墻的模型化假定也使得分析結(jié)果偏柔。
　　90年代中期出現(xiàn)的SAP2000軟件。SAP2000以空間桿單元模擬梁、柱、支撐,以殼元模擬剪力墻。可以進(jìn)行線性靜、動力反應(yīng)分析,也可以進(jìn)行非線性靜、動力反應(yīng)分析、推覆分析和P-Δ效應(yīng)分析等，適用范圍廣泛。但SAP2000價格昂貴、前后處理工作量大且與我國規(guī)范不相符合,在我國的應(yīng)用和推廣受到一定的制約，近兩年這一情況得以改善，引用面在逐漸擴(kuò)大。
　　中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM設(shè)計軟件（又稱PKPMCAD），一套集建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備（給排水、采暖、通風(fēng)空調(diào)、電氣）設(shè)計于一體的集成化CAD系統(tǒng)。它在國內(nèi)的通用性使其在設(shè)計行業(yè)占有絕對優(yōu)勢。其SATWE模塊是專門為多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計而研制的空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,適用于各種復(fù)雜體型的高層鋼筋混凝土框架、框剪、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等,也適用于混凝土-鋼混合結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中也應(yīng)用最為廣泛。所以我們著重討論此軟件的應(yīng)用。
　　2SATWE分析模型與關(guān)鍵控制參數(shù)
　　中國建筑科學(xué)研究院的SATWE是用墻元來模擬剪力墻，其墻元是在板殼單元的基礎(chǔ)上構(gòu)造出的一種通用墻元,它采用靜力凝聚原理將由于墻元的細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去,將其剛度凝聚到邊界節(jié)點上,從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度,而且墻元的每個節(jié)點都具有空間全部6個自由度,可以方便地與任意空間梁、柱單元連接,而無需任何附加約束,同時也降低了剪力墻的幾何描述和板殼單元劃分的難度,提高了分析效率。SATWE剪力墻模型既有平面內(nèi)剛度,又有平面外剛度,樓板既可以按彈性考慮,也可按剛性板考慮,這是一種接近實際情況的模型。但結(jié)構(gòu)設(shè)計師使用時應(yīng)該從整體上來把握和控制結(jié)構(gòu)體系的各項性能,對內(nèi)力異常的構(gòu)件或部位,從明確的結(jié)構(gòu)概念出發(fā)來分析和處理,從而確保結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性。具體如下:
　　1)剪重比控制:
　　剪重比，指結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力與該層及其上各層總重力荷載代表值的比值,一般是指底層水平剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值之比。主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性。《高規(guī)》表3.3.13及《抗規(guī)》表5.2.5規(guī)定了最小值。它在某種程度上反映了結(jié)構(gòu)的剛?cè)岢潭取＜糁乇葢?yīng)在一個比較合理的范圍內(nèi),以保證結(jié)構(gòu)整體剛度的適中。剪重比太小,說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏柔,在水平荷載或水平地震作用下將產(chǎn)生過大的水平位移或?qū)娱g位移;剪重比太大,說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏剛,會引起很大的地震內(nèi)力,不經(jīng)濟(jì)。
　　2)位移比控制:
　　位移比是指樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)的平均值之比。主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免形成扭轉(zhuǎn)，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。《抗規(guī)》3.4.3條規(guī)定：構(gòu)件最大位移和層間位移不大于兩端位移的1.5倍。《高規(guī)》4.3.5條規(guī)定：構(gòu)件最大位移和層間位移A類不大于平均位移的1.5倍。B類不大于平均位移的1.4倍。位移比的大小是反映結(jié)構(gòu)平面規(guī)則與否的重要依據(jù),它是結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系,而非其絕對大小,它的目的是使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的布置更有效、更合理。
　　3)周期比控制:
　　周期比是指結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1的比值,其主要目的是控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)帶來不利影響。《高規(guī)》第4.3.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，
　　A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。目前SATWE程序不能直接輸出，需自行計算。在二個平動一個扭轉(zhuǎn)構(gòu)成的三個方向因子中，當(dāng)轉(zhuǎn)因子大于0.5，可視為該振型以扭轉(zhuǎn)為主。周期比實際上反映了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和側(cè)向剛度之間的一種對應(yīng)關(guān)系,同時也反映了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置的合理性和有效性。
　　4)層剛度比控制:
　　主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。地震剪力和層間位移的比值《抗規(guī)》3.4.2及3.4.3條、《高規(guī)》4.4.2均規(guī)定：樓層側(cè)向剛度不小于上層的70%，或上三層平均剛度的80%。層剛度比較直觀地反映了結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度沿豎向分布的均勻程度,它是衡量結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則與否的重要標(biāo)志。
　　3SATWE設(shè)計參數(shù)的合理選取
　　合理的應(yīng)用SATWE軟件,使選擇參數(shù)更符合規(guī)范條文及實際工程就變得尤為重要。
　　3.1抗震等級確定
　　(1)規(guī)范中抗震等級均指”丙”類建筑，如果是”甲”、”乙”、”丁”則需按規(guī)范要求對抗震等級進(jìn)行調(diào)整：例如醫(yī)院。
　　(2)接近或等于高度分界時，應(yīng)結(jié)合房屋不規(guī)則程度及場地、地基條件適當(dāng)確定抗震等級：
　　(3)當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在3層及3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震墻等級宜按《抗規(guī)》6.1.2條或《高規(guī)》4.8條查得的抗震等級提高一級采用，已為特一級時可不再提高。
　　(4)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級也應(yīng)按《抗規(guī)》6.1.2條或《高規(guī)》4.8條查得的抗震等級提高一級采用。但注意對多層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)可不提高。
　　(5)需注意：鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)沒有抗震等級，計算時可選”5”不考慮抗震構(gòu)造措施。
　　3.2振型組合數(shù)的選取
　　在計算地震力時，振型個數(shù)的選取應(yīng)使振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90％以上所需的振型數(shù)。同時要注意以下幾點：
　　(1)振型數(shù)不能超過結(jié)構(gòu)固有的振型總數(shù)，因一個樓層最多只有三個有效動力自由度，所以一個樓層也就最多可選3個振型。如果所選振型多于結(jié)構(gòu)固有的振型總數(shù)則會造成地震力計算異常。
　　(2)對于進(jìn)行藕聯(lián)計算的結(jié)構(gòu)，所選振型數(shù)應(yīng)大于9個，多塔結(jié)構(gòu)應(yīng)更多些，但要注意應(yīng)是3的倍數(shù)。
　　3.3地震力與風(fēng)力作用方向
　　(1)設(shè)計應(yīng)注意查看SATWE文本文件“周期、振型、地震力”WZQOUT，程序輸出結(jié)果中給出了地震作用的最大方向是否與設(shè)計假定一致，對于交角≥150日寸應(yīng)將此方向輸入重新計算。
　　(2)對于主體結(jié)構(gòu)中存在有斜向放置的梁、柱時，也要分別計算各抗力構(gòu)件方向的水平地震力。
　　3.4周期折減系數(shù)
　　周期折減是強制性條文，但折減多少則不是強制性條文，這就要求在折減時慎重考慮，即不能折得太多，也不能折得太少，因為折減不僅影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，同時還影響結(jié)構(gòu)的位移。例如：填充墻為輕質(zhì)墻的框架就可以少折點。
　　3.5活荷載折減系數(shù)
　　活荷折減系數(shù)使用時應(yīng)注意軟件默認(rèn)的是按住宅取用的，當(dāng)不屬于這種情況(如工業(yè)設(shè)計時)時應(yīng)按規(guī)范取用。
　　3.6關(guān)于柱計算長度系數(shù)
　　現(xiàn)在實際工程中有的柱連續(xù)走兩到三層計算時應(yīng)注意把每層的柱取相同的計算長度，否則計算結(jié)果會不真實。
　　3.7關(guān)于梁的幾個調(diào)整系數(shù)
　　(1)針對梁剛度的凋整系數(shù)Bk，對于預(yù)制樓板，板柱體系的等代梁則取1．0。注意此放大系數(shù)對連梁不起作用。
　　(2)對于負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)Bt要注意：a、程序隱含規(guī)定鋼梁為不調(diào)幅的梁；b、不要將梁跨中彎矩增大系數(shù)與其混淆。
　　(3)梁彎矩放大系數(shù)Bm，選用時應(yīng)注意，如果考慮活載不利布置時此系數(shù)應(yīng)取為1．0，否則配筋量將增大15％左右。
　　(4)連梁剛度折減系數(shù)Blz要注意如果連梁的跨高比≥5時，建議按框架梁輸入，因此時梁往往是受彎為主。剛度不應(yīng)折減。
　　(5)梁扭矩折減系數(shù)程序規(guī)定對于不與剛性樓板相連的梁及弧梁，此系數(shù)不起作用。
　　3.8關(guān)于偶然質(zhì)量偏心
　　對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)必須選此項，主要用來判斷結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性，見《高規(guī)》4．3．5條。特別注意此時，必須對所有樓層強制采用”剛性假定”，執(zhí)行這一開關(guān)后所計算的地震力、桿件內(nèi)力均不能用，僅僅用來判斷樓層的最大水平位移與層間位移比值。注意：對一個不規(guī)則結(jié)構(gòu)，帶有彈性樓板的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計算兩遍，一是強樓板剛性控制位移；二是按真實情況計算地震力、桿件內(nèi)力。
　　3.9關(guān)于雙向地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)
　　《高規(guī)》3．3．3條要求：“計算單向地震力時應(yīng)考慮偶然偏心的影響：而條文說明當(dāng)計算雙向地震作用時，可不考慮質(zhì)量偶然偏心的影響”。
　　3.10關(guān)于樓層剛度的計算方法的選取
　　程序給出了三種計算方法，三種計算方法給出差別較大的剛度比，所以設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程實際情況做出正確選擇，可按下列原則選取：
　　(1)剪切剛度：即《高規(guī)》附錄E．0．1建議的方法，對于底層大空間層數(shù)為一層時，可近似采用轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比表示轉(zhuǎn)換層上、下層的剛度變化。此時可近似只考慮剪切變形的影響，適用于多層(砌體、磚混底框)，不帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)也宜選用此項。
　　(2)剪彎剛度：即《高規(guī))附錄E．0．2建議的方法(是按有限元法，通過加單位力來計算的)，對于底層大空問層數(shù)大于一層時，可近似采用轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效剪彎剛度比表示轉(zhuǎn)換層上、下層的剛度變化。此時同時考慮結(jié)構(gòu)剪切變形和彎曲變形的影響，適用于帶斜撐的鋼結(jié)構(gòu)，不帶轉(zhuǎn)換層的框架一剪力墻結(jié)構(gòu)也宜選用此項。
　　(3)地震剪力與地震層問位移比值：即《抗規(guī)》建議的方法，適用于其它多層建筑結(jié)構(gòu)。注意：a、上述三種方法計算的剛度含義是不同的，差異較大，如僅有一個標(biāo)準(zhǔn)層的簡單框架結(jié)構(gòu)，按方法1，2計算各層的剛度都相同，按方法3計算各層的剛度不相同。b、對高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(8度三層以上，7度五層以上)，建議人工按《高規(guī)》附錄E．0．2分別建兩個模計算。
　　3.11關(guān)于上部結(jié)構(gòu)嵌固端的選取
　　《高規(guī)》5．2．7條規(guī)定：當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固層時，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的2倍，而規(guī)范中設(shè)計內(nèi)力調(diào)整系數(shù)所對應(yīng)的底層即指嵌固層樓板。因此，正確選取嵌固層就成為結(jié)構(gòu)整體計算是否正確的關(guān)。
　　2．12彈性樓板的選取
　　對于各種樓板的應(yīng)用范圍可采用如下方法確定：
　　(1)彈性樓板6假定，一般用于板柱結(jié)構(gòu)和板柱抗震墻結(jié)構(gòu)的計算。
　　(2)彈性樓板3假定是針對厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換厚板提出的。
　　(3)彈性膜假定，主要針對空曠的工業(yè)廠房和體育場館結(jié)構(gòu)、樓板局部開大洞結(jié)構(gòu)、樓板平面較長或有較大凹人以及平面弱連接結(jié)構(gòu)等。
　　4結(jié)語
　　總之，抗震分析是建筑結(jié)構(gòu)計算分析的一個重要方面，僅憑計算分析是不能保證結(jié)構(gòu)安全的,抗震概念設(shè)計就成為抗震設(shè)計的一個重要組成部分,它應(yīng)該貫穿于結(jié)構(gòu)計算分析和細(xì)部構(gòu)造的全過程。1)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點,選擇合適的結(jié)構(gòu)計算軟件,并應(yīng)了解軟件的基本假定、計算模型和適用范圍。2)根據(jù)結(jié)構(gòu)計算模型的特點,對實際結(jié)構(gòu)采取必要的技術(shù)處理,使計算模型和實際結(jié)構(gòu)盡可能地接近,以滿足工程設(shè)計精度的要求。計算軟件只是工具，從整體上把握結(jié)構(gòu)的各項性能,才能真正用好工具，做出合格的設(shè)計。
　　參考文獻(xiàn)
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