浅谈概念设计与SATWE软件的合理应用

　　[摘要]：在结构计算软件日益普及的今天,人们对结构计算软件的依赖性也越来越大,有时甚至过分地相信计算软件,往往无法监控其计算和处理的全过程，概念设计的作用由此凸显。设计人员必须具备清晰的结构概念，合理简化模型，并对所使用的结构计算软件的基本假定、计算模型和适用范围有所了解,并从整体上控制结构性能,这样才能保证结构的安全、经济、合理。
　　[关键词]结构概念设计计算软件计算模型设计参数合理性判别
　　1常用结构计算软件
　　一个好的结构设计应包含概念设计、结构计算及构造措施等方面组成，而概念设计在结构设计中又属先行者且贯穿始终，概念设计是结构的灵魂。由于种种原因,目前的结构计算软件总是存在着一定的局限性、适用性和近似性,并非万能。如:结构的模型化误差;非结构构件对结构刚度的影响;楼板对结构刚度的影响;温度变化在结构构件中产生的应力;回填土对地下室约束相对刚度比;地基基础和上部结构的相互作用等等都会使计算模型与实际结构受力产生偏差。正是因为如此,结构工程师应对所用计算软件的基本假定、力学模型及其适用范围有所了解,并对计算结果进行分析判断确认其正确、合理、有效后方可用于工程设计。
　　目前,常用的结构分析模型可分为两大类:第一类为平面结构空间协同分析模型;另一类为三维空间有限元分析模型。日常设计中常用的几种结构分析软件如下：
　　ETABS软件。它是由美国Berkeley地震工程研究中心开发的高层建筑三维专用有限元分析软件,其特点是采用空间杆单元模拟梁、柱、支撑构件,采用膜元模型来模拟剪力墙,楼板可采用平面内无限刚假定、分块无限刚假定和弹性假定。ETABS采用空间协同工作体系,是准三维分析程序。其主要优点是针对建筑结构的特点进行编制,使用起来比较方便。不足之处是它并非完全三维空间分析程序,协同工作假定带来一定的计算误差,同时,对剪力墙的模型化假定也使得分析结果偏柔。
　　90年代中期出现的SAP2000软件。SAP2000以空间杆单元模拟梁、柱、支撑,以壳元模拟剪力墙。可以进行线性静、动力反应分析,也可以进行非线性静、动力反应分析、推覆分析和P-Δ效应分析等，适用范围广泛。但SAP2000价格昂贵、前后处理工作量大且与我国规范不相符合,在我国的应用和推广受到一定的制约，近两年这一情况得以改善，引用面在逐渐扩大。
　　中国建筑科学研究院开发的PKPM设计软件（又称PKPMCAD），一套集建筑、结构、设备（给排水、采暖、通风空调、电气）设计于一体的集成化CAD系统。它在国内的通用性使其在设计行业占有绝对优势。其SATWE模块是专门为多、高层建筑结构分析与设计而研制的空间结构有限元分析软件,适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土框架、框剪、剪力墙、筒体结构等,也适用于混凝土-钢混合结构和高层钢结构。在结构设计中也应用最为广泛。所以我们着重讨论此软件的应用。
　　2SATWE分析模型与关键控制参数
　　中国建筑科学研究院的SATWE是用墙元来模拟剪力墙，其墙元是在板壳单元的基础上构造出的一种通用墙元,它采用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去,将其刚度凝聚到边界节点上,从而保证了墙元的精度和有限的出口自由度,而且墙元的每个节点都具有空间全部6个自由度,可以方便地与任意空间梁、柱单元连接,而无需任何附加约束,同时也降低了剪力墙的几何描述和板壳单元划分的难度,提高了分析效率。SATWE剪力墙模型既有平面内刚度,又有平面外刚度,楼板既可以按弹性考虑,也可按刚性板考虑,这是一种接近实际情况的模型。但结构设计师使用时应该从整体上来把握和控制结构体系的各项性能,对内力异常的构件或部位,从明确的结构概念出发来分析和处理,从而确保结构的安全性、经济性、合理性。具体如下:
　　1)剪重比控制:
　　剪重比，指结构任一楼层的水平地震剪力与该层及其上各层总重力荷载代表值的比值,一般是指底层水平剪力与结构总重力荷载代表值之比。主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。《高规》表3.3.13及《抗规》表5.2.5规定了最小值。它在某种程度上反映了结构的刚柔程度。剪重比应在一个比较合理的范围内,以保证结构整体刚度的适中。剪重比太小,说明结构整体刚度偏柔,在水平荷载或水平地震作用下将产生过大的水平位移或层间位移;剪重比太大,说明结构整体刚度偏刚,会引起很大的地震内力,不经济。
　　2)位移比控制:
　　位移比是指楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)与该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)的平均值之比。主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。《抗规》3.4.3条规定：构件最大位移和层间位移不大于两端位移的1.5倍。《高规》4.3.5条规定：构件最大位移和层间位移A类不大于平均位移的1.5倍。B类不大于平均位移的1.4倍。位移比的大小是反映结构平面规则与否的重要依据,它是结构侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系,而非其绝对大小,它的目的是使结构抗侧力构件的布置更有效、更合理。
　　3)周期比控制:
　　周期比是指结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1的比值,其主要目的是控制结构在地震作用下的扭转效应，减小扭转对结构带来不利影响。《高规》第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。目前SATWE程序不能直接输出，需自行计算。在二个平动一个扭转构成的三个方向因子中，当转因子大于0.5，可视为该振型以扭转为主。周期比实际上反映了结构的扭转刚度和侧向刚度之间的一种对应关系,同时也反映了结构抗侧力构件布置的合理性和有效性。
　　4)层刚度比控制:
　　主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。地震剪力和层间位移的比值《抗规》3.4.2及3.4.3条、《高规》4.4.2均规定：楼层侧向刚度不小于上层的70%，或上三层平均刚度的80%。层刚度比较直观地反映了结构楼层侧向刚度沿竖向分布的均匀程度,它是衡量结构竖向规则与否的重要标志。
　　3SATWE设计参数的合理选取
　　合理的应用SATWE软件,使选择参数更符合规范条文及实际工程就变得尤为重要。
　　3.1抗震等级确定
　　(1)规范中抗震等级均指”丙”类建筑，如果是”甲”、”乙”、”丁”则需按规范要求对抗震等级进行调整：例如医院。
　　(2)接近或等于高度分界时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件适当确定抗震等级：
　　(3)当转换层的位置设置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震墙等级宜按《抗规》6.1.2条或《高规》4.8条查得的抗震等级提高一级采用，已为特一级时可不再提高。
　　(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条查得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)需注意：钢结构、砌体结构没有抗震等级，计算时可选”5”不考虑抗震构造措施。
　　3.2振型组合数的选取
　　在计算地震力时，振型个数的选取应使振型参与质量达到总质量90％以上所需的振型数。同时要注意以下几点：
　　(1)振型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)对于进行藕联计算的结构，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。
　　3.3地震力与风力作用方向
　　(1)设计应注意查看SATWE文本文件“周期、振型、地震力”WZQOUT，程序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，对于交角≥150日寸应将此方向输入重新计算。
　　(2)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。
　　3.4周期折减系数
　　周期折减是强制性条文，但折减多少则不是强制性条文，这就要求在折减时慎重考虑，即不能折得太多，也不能折得太少，因为折减不仅影响结构的内力，同时还影响结构的位移。例如：填充墙为轻质墙的框架就可以少折点。
　　3.5活荷载折减系数
　　活荷折减系数使用时应注意软件默认的是按住宅取用的，当不属于这种情况(如工业设计时)时应按规范取用。
　　3.6关于柱计算长度系数
　　现在实际工程中有的柱连续走两到三层计算时应注意把每层的柱取相同的计算长度，否则计算结果会不真实。
　　3.7关于梁的几个调整系数
　　(1)针对梁刚度的凋整系数Bk，对于预制楼板，板柱体系的等代梁则取1．0。注意此放大系数对连梁不起作用。
　　(2)对于负弯矩调幅系数Bt要注意：a、程序隐含规定钢梁为不调幅的梁；b、不要将梁跨中弯矩增大系数与其混淆。
　　(3)梁弯矩放大系数Bm，选用时应注意，如果考虑活载不利布置时此系数应取为1．0，否则配筋量将增大15％左右。
　　(4)连梁刚度折减系数Blz要注意如果连梁的跨高比≥5时，建议按框架梁输入，因此时梁往往是受弯为主。刚度不应折减。
　　(5)梁扭矩折减系数程序规定对于不与刚性楼板相连的梁及弧梁，此系数不起作用。
　　3.8关于偶然质量偏心
　　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，带有弹性楼板的结构，应计算两遍，一是强楼板刚性控制位移；二是按真实情况计算地震力、杆件内力。
　　3.9关于双向地震的扭转效应
　　《高规》3．3．3条要求：“计算单向地震力时应考虑偶然偏心的影响：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”。
　　3.10关于楼层刚度的计算方法的选取
　　程序给出了三种计算方法，三种计算方法给出差别较大的刚度比，所以设计应根据工程实际情况做出正确选择，可按下列原则选取：
　　(1)剪切刚度：即《高规》附录E．0．1建议的方法，对于底层大空间层数为一层时，可近似采用转换层上、下结构的等效剪切刚度比表示转换层上、下层的刚度变化。此时可近似只考虑剪切变形的影响，适用于多层(砌体、砖混底框)，不带转换层的剪力墙结构也宜选用此项。
　　(2)剪弯刚度：即《高规)附录E．0．2建议的方法(是按有限元法，通过加单位力来计算的)，对于底层大空问层数大于一层时，可近似采用转换层上、下结构的等效剪弯刚度比表示转换层上、下层的刚度变化。此时同时考虑结构剪切变形和弯曲变形的影响，适用于带斜撑的钢结构，不带转换层的框架一剪力墙结构也宜选用此项。
　　(3)地震剪力与地震层问位移比值：即《抗规》建议的方法，适用于其它多层建筑结构。注意：a、上述三种方法计算的刚度含义是不同的，差异较大，如仅有一个标准层的简单框架结构，按方法1，2计算各层的刚度都相同，按方法3计算各层的刚度不相同。b、对高位转换结构(8度三层以上，7度五层以上)，建议人工按《高规》附录E．0．2分别建两个模计算。
　　3.11关于上部结构嵌固端的选取
　　《高规》5．2．7条规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固层时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍，而规范中设计内力调整系数所对应的底层即指嵌固层楼板。因此，正确选取嵌固层就成为结构整体计算是否正确的关。
　　2．12弹性楼板的选取
　　对于各种楼板的应用范围可采用如下方法确定：
　　(1)弹性楼板6假定，一般用于板柱结构和板柱抗震墙结构的计算。
　　(2)弹性楼板3假定是针对厚板转换层结构的转换厚板提出的。
　　(3)弹性膜假定，主要针对空旷的工业厂房和体育场馆结构、楼板局部开大洞结构、楼板平面较长或有较大凹人以及平面弱连接结构等。
　　4结语
　　总之，抗震分析是建筑结构计算分析的一个重要方面，仅凭计算分析是不能保证结构安全的,抗震概念设计就成为抗震设计的一个重要组成部分,它应该贯穿于结构计算分析和细部构造的全过程。1)根据建筑结构的特点,选择合适的结构计算软件,并应了解软件的基本假定、计算模型和适用范围。2)根据结构计算模型的特点,对实际结构采取必要的技术处理,使计算模型和实际结构尽可能地接近,以满足工程设计精度的要求。计算软件只是工具，从整体上把握结构的各项性能,才能真正用好工具，做出合格的设计。
　　参考文献
　　【1】建筑抗震设计规范(GB50011-2001)
　　【2】混凝上结构设计规范(GB50010-2002)
　　【3】高层建筑混凝土技术规程OI3-2002)
　　【41中国建筑科学研究院编制的PKPM系列说明书
　　【5】PKPM新天地杂志__