对钢筋混凝土结构设计计算的实践探讨

　　【摘要】：本文探讨了建筑结构设计中计算钢筋混凝土结构PKPM计算软件TAT，SATWE和PMSAP的新、旧规范版本、新旧规范条文的变化，在应用SATWE软件新规范版SATWE软件计算钢筋混凝土结构的工程实践中，基本构件的设计公式不同程度改变。由于软件计算模型上存在着差异，因此导致了各软件的计算结果有所不同。
　　【关键词】：PKPM，SATWE，软件，设计计算，工程，探讨
　　一、PKPM计算参数及结构构件计算设计
　　1.计算参数
　　设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出吗，设计人员如发现该角度绝对值大于15度时，应将该数值回填(代入设计参数中)到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。结构基本周期是计算风荷载的重要指标：设计人员如果不能事先知道其准确值，可先按经验公式:T1=0.25+0.35×10-3H2/3√B计算代入软件，亦可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，重新计算即可。
　　2.结构构件设计计算
　　2.1柱轴压比计算，新抗震规范6.3.7条、高规的6.4.2条和混凝土规范的11.4.16条，都规定了柱轴压比的限值，并规定建造于IV类场地且较高的高层建筑柱轴压比限值应适当降低。柱轴压比指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比：可不进行地震计算的结构，取无地震作用组合的轴压力设计值。
　　2.2剪力墙轴压比计算：新抗震规范6.4.6条、高规的7.2.14条和混凝土规范的11.7.13条，都规定了剪力墙轴压比的限值。目前新规范程序给出各个墙肢的轴压比。
　　2.3剪力墙强区：底部加新抗震规范和新高规对剪力墙结构底部加强部位的定义略有不同，分别定义如下：
　　新抗震规范6.1.10条规定，部分框支抗震墙结构的抗震墙，其底部加强部位的高度，可取框支层加上框支层以上两层的高度及落地抗震墙总高度的l/8二者的较大值，且不大于15m，其它结构的抗震墙，其底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部二层高度二者的较大值，且不大于15m.，新高规的7.1.9条规定，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的l/8和底部二层高度二者的较大值，当剪力墙高度超过150m时，其底部加强部位的范围可取墙肢总高度的1/10.新高规的10.2.5条规定，带转换层的高层建筑结构，剪力墙结构底部加强部位可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。
　　3.剪力墙的约束边缘构件和构造边缘构件
　　新高规的7.2.15条规定，抗震设计时，一、二级剪力墙结构底部加强部位及以上一层的墙肢设置约束边缘构件，一、二级剪力墙的其它部位以及三、四级和非抗震设计的剪力墙墙肢均应设置构造边缘构件。梁、柱轴压比计算，构件截面优化设计。
　　软件对混凝土梁计算显示超筋信息有以下情况：（1）当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时，提示超筋；（2）规范对混凝土受压区高度限制：四级框架及非抗震框架：ξ≤ξb，二、三级框架：ξ≤0.35(计算时取AS’=0.3AS)，一级框架：ξ≤0.25(计算时取AS’=0.5AS)。
　　当ξ不满足以上要求时，程序提示超筋，《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%，大于此值时，提示超筋；混凝土梁斜截面计算要满足最小截面的要求,如不满足则提示超筋。出现以上超筋信息时，设计人员可采用下列方法做以下调整：一是增大梁截面，提高混凝土强度等级。二是增大对双筋梁受压区钢筋面积,受拉区钢筋面积不变,使梁受压区高度减小，从而使ξ减小。
　　柱轴压比计算：柱轴压比越小说明结构的延性越好，柱轴压比越大说明结构的刚度越大，结构的侧移越大抗震性能越差。要确定合理的轴压比必须满足:N/fcA≤n(n=0.7、0.8、0.9)。
　　二、应用SATWE软件的几点新规范版SATWE软件计算钢筋混凝土结构的工程实践探讨
　　1.剪力墙配筋
　　SATWE根据新规范计算剪力墙配筋，增加了边缘构件计算，因此在其传统的平面配筋简图中表示的剪力墙墙柱（暗柱、端柱和翼墙）配筋不再作为配筋设计的直接依据，仅作为参考保留，设计墙柱配筋时应根据边缘构件配筋简图或剪力墙边缘构件输出文件SatbInb.out进行设计。但是SATWE目前还未将平面配筋简图和边缘构件配筋简图的内容结合在同一图形内统一表达，所以对墙体水平配筋值和超限信息依旧在平面配筋简图中表示，边缘构件配筋简图中仅表示墙柱设计配筋值及截面尺寸。因为平面配筋简图早为大家所熟知，而且比目前的边缘构件配筋简图和文本文件都来得直观，所以希望SATWE软件在这方面进行改进，以方便设计者使用。
　　在目前的平面配筋简图中表示的墙柱配筋值指的是计算值而非设计值，未考虑最小配筋率等构造要求，当某段墙肢墙柱配筋值显示为0时，则表示该墙柱为构造配筋。需要注意的是，在边缘构件配筋简图中，虽然软件自动计算了墙柱的截面尺寸，但是出于某些原因该尺寸可能并不一定符合实际情况，需要设计者在设计时予以调整。另外，对顶部有小塔楼的结构，SATWE在计算底部加强部位范围时，对墙肢总高度的取值，是按首层楼面至小塔楼屋面的总高度计算的而不是按各墙肢自身总高度分别计算的，程序自动将底部加强部位向上延伸一层计算约束边缘构件。
　　2.带地下室结构嵌固层的选取
　　《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.3.7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键。但是目前软件尚无法自动判断嵌固层位置，而且工程实践中情况千差万别，要求软件做到自动判断亦十分困难，仍然需要设计者进行人工干预，软件为此提供了必要的条件。首先可以按实际地下室层数进行第一次计算，查文本文件中的“结构设计总信息”。软件自动计算了楼层上下侧向刚度，这是结构自身的固有性质，不会因地下室层数的变化而改变，据此可以判断嵌固层的位置（当然，对一般工程来说，也可以根据规范提供的公式手算楼层侧向刚度比〉。然后根据嵌固层位置调整计算参数中的"地下室层数"进行第二次计算，SATWE将设计内力调整系数作用在地下室顶板上。但是对实际工程，地下室结构一般都有侧向土体约束，对带有多层地下室的结构，当地下室顶板不能作为嵌固层时，单纯将地下结构加入到主体结构中进行计算，即认为嵌固层位置在地下二层楼板处或更低，则可能造成结构的内力与位移计算结果不符合实际情况，甚至导致薄弱层位置变化等等。因此在设计时，应将两种计算结果进行比较，取最不利结果作为设计依据。应注意，SATWE允诈利用“地下室信息”里的“回填土对地下室约束刚度比”参数来控制地下室结构的水平位移，但是这一参数并不影响设计内力调整系数作用位置。另外，《建筑抗震设计规范》中关于"位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际受弯承载力之和"的规定，目前软件还没有考虑。
　　3.结构扭转周期计算
　　计算扭转时应按刚性板假定进行，而不应设置弹性板，否则计算出来的结构扭转周期和结构位移是不真实的。因此，当结构计算中需要指定某些板块为弹性板时，应先按无弹性板模型考查结构扭转是否合格，配筋设计时取两种模型计算的最不利结果作为设计依据。
　　4.错层结构的输入
　　SATWE软件可以进行错层结构的计算，方法是在PMCAD建模时按实际情况输入错层平面，即对应每个错层平面应建立两个标准层，并将没有楼板的部分设置为全房间洞，SATWE软件会自动搜索判断错层并计算结构内力。在用PMCAD建模时，“输入次梁楼板”菜单里的两个参数“楼板错层”和“梁错层”，常引起设计者的误会，以为这两个参数就是用来计算错层的，其实这两个参数只影响画图，而不能用来计算错层。建议PMCAD在这里做一个提示，以免设计者因误会而造成错误。工程中有时会遇到剪力墙上因错层而造成门窗洞口被分为上下两部分的情况，此时应在洞口两侧增加节点，使下部墙体成为相互独立的两段墙，并在上部按实际连梁高度输入主梁。对于多塔结构，当各塔层高不同时，有的设计者也将其按错层输入，这是不正确的。对这种情况，可以在PMCAD建模时先按一种层高建模，然后在SATWE的“多塔楼定义”里，修改各塔层高。当然，在修改层高之前别忘了按实际情况先设置多塔。
　　三、讨论
　　当某洞顶连梁（按洞口输入而不是按主梁输入）高度小于300m时，SATWE在计算内力时将忽略该梁的存在，亦不计算其配筋。对某些连梁超限的情况，当其破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可考虑在大震作用下该连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析。为此，可以调整结构计算模型中的洞口高度，使洞顶连梁高度小于300，从而实现这一目的，避免了增加节点设置主梁的麻烦。配筋设计时，墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计，连梁按实际截面计算，纵筋可按2.0%~2.5%的配筋率配置，并按实际配筋面积反算连梁弯矩来计算所需的箍筋面积，做到“强剪弱弯”。
　　在SATWE“分析与设计参数补充定义”中，对考虑了双向地震力作用的结构，不应同时考虑按双偏压方法计算一般框架柱配筋。一般来说，对异型枉、角枉，应采用双偏压计算，对一般框架柱，则可以采用单偏压计算。需要指出的是，目前SATWE虽然要求设计者在“特殊构件补充定义”里定义角柱，但在结构计算时，如果设计者没有选择“按双偏压计算柱”，则软件并不按双偏压方法计算设计者定义的角柱。所以，对框架角柱来说，应进行双偏压的补充验算。[PKPM2003.1P19]
　　◆楼层最小地震剪力系数λ（剪质比）7度区0.016.《抗震》5.2.5
　　◆大开洞问题：《高规》4.3.6-8
　　◆弹性层间位移角限值［θe］：《抗震》5.5.1
　　◆薄弱层弹塑性层间位移角限值［θp］：《抗震》5.5.5
　　◆“刚域”：《高规》5.3.4
　　◆规则结构不进行扭转耦联计算时《抗震》5.2.3建筑结构估计水平地震作用扭转影响时，应按下列规定计算其地震作用和作用效应：1规则结构不进行扭转耦联计算时，平行于地震作用方向的两个边榀，其地震作用效应应乘以增大系数。一般情况下，短边可按1.15采用，长边可按1.05采用；当扭转刚度较小时宜按不小于1.3采用2扭转耦联振型分解法计算时各楼层可取两个正交的水平位移和一个转角共三个自由度并应按下列公式计算结构的地震作用和作用效应确有依据时尚可采用简化计算方法确定地震作用效应。
　　◆（顶塔楼）突出屋面梯间等放大系数3，《抗震》5.2.4-采用底部剪力法时，突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作用效应，宜乘以增大系数3，此增大部分不应往下传递，但与该突出部分相连的构件应予计入；采用振型分解法时，突出屋面部分可作为一个质点；单层厂房突出屋面天窗架的地震作用效应的增大系数，应按本规范9章的有关规定采用。
　　◆结构安全等级：分三级。一般建筑为二级。《混凝土结构设计规范》――3.2.1
　　◆裂缝控制等级：分三级。《混凝土结构设计规范》3.3.3
　　◆耐久性规定（环境类别）：《混凝土结构设计规范》3.4.1