建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟探討(一)

1、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟探討 （一 ）新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在結(jié)構(gòu)可靠度、設(shè)計(jì)計(jì)算、配筋構(gòu)造方面均有 重大更新和補(bǔ)充，特別是對(duì)抗震及結(jié)構(gòu)的整體性，規(guī)則性作出了更高 的要求，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可能一次完成。如何正確運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，以滿(mǎn)足新規(guī)范的要求，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員都非常關(guān)心的問(wèn) 題。以 SATWE軟件為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟的討論，對(duì)一個(gè)典型 工程而言，使用結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分四步較為科學(xué)。 1完成整體參數(shù)的正確設(shè)定計(jì)算開(kāi)始以前，設(shè)計(jì)人員首先要根據(jù)新規(guī) 范的具體規(guī)定和軟件手冊(cè)對(duì)參數(shù)意義的描述，以及工程的實(shí)際情況， 對(duì)軟件初始參數(shù)和特殊構(gòu)件進(jìn)行正確設(shè)置。但有幾個(gè)參數(shù)是關(guān)系到整 體計(jì)算結(jié)果的

2、，必須首先確定其合理取值，才能保證后續(xù)計(jì)算結(jié)果的 正確性。這些參數(shù)包括振型組合數(shù)、最大地震力作用方向和結(jié)構(gòu)基本 周期等，在計(jì)算前很難估計(jì)，需要經(jīng)過(guò)試算才能得到。（1）振型組合數(shù)是軟件在做抗震計(jì)算時(shí)考慮振型的數(shù)量。該值取值太 小不能正確反映模型應(yīng)當(dāng)考慮的振型數(shù)量，使計(jì)算結(jié)果失真；取值太 大，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還可能使計(jì)算結(jié)果發(fā)生畸變。 高層建筑混凝土結(jié) 構(gòu)技術(shù)規(guī)程 5.1.13-2 條規(guī)定，抗震計(jì)算時(shí)，宜考慮平扭藕聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu) 的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不宜小于 15，對(duì)多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓 的 9 倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的 90。一般 而言，振型數(shù)的多少于結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)自由度有

3、關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)較多 或結(jié)構(gòu)層剛度突變較大時(shí)，振型數(shù)應(yīng)當(dāng)取得多些，如有彈性節(jié)點(diǎn)、多 塔樓、轉(zhuǎn)換層等結(jié)構(gòu)形式。振型組合數(shù)是否取值合理，可以看軟件計(jì) 算書(shū)中的 x， y 向的有效質(zhì)量系數(shù)是否大于 0.9.具體操作是，首先根據(jù) 工程實(shí)際情況及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一個(gè)振型數(shù)計(jì)算后考察有效質(zhì)量系數(shù)是 否大于 0.9，若小于 0.9，可逐步加大振型個(gè)數(shù)，直到 x，y 兩個(gè)方向的 有效質(zhì)量系數(shù)都大于 0.9為止。必須指出的是， 結(jié)構(gòu)的振型組合數(shù)并不 是越大越好，其最大值不能超過(guò)結(jié)構(gòu)得總自由度數(shù)。例如對(duì)采用剛性 板假定得單塔結(jié)構(gòu)，考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)作用時(shí)，其振型不得超過(guò)結(jié)構(gòu)層數(shù) 的 3 倍。如果選取的振型組合數(shù)已經(jīng)增加到結(jié)構(gòu)

4、層數(shù)的 3 倍，其有效 質(zhì)量系數(shù)仍不能滿(mǎn)足要求， 也不能再增加振型數(shù)， 而應(yīng)認(rèn)真分析原因， 考慮結(jié)構(gòu)方案是否合理。（2）最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用，結(jié)構(gòu)地震反映 的大小也各不相同，那么必然存在某各角度使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)值最大 的最不利地震作用方向。設(shè)計(jì)軟件可以自動(dòng)計(jì)算出最大地震力作用方 向并在計(jì)算書(shū)中輸出，設(shè)計(jì)人員如發(fā)祥該角度絕對(duì)值大于 15 度，應(yīng)將 該數(shù)值回填到軟件的 “水平力與整體坐標(biāo)夾角 ”選項(xiàng)里并重新計(jì)算， 以體 現(xiàn)最不利地震作用方向的影響。（3）結(jié)構(gòu)基本周期是計(jì)算風(fēng)荷載的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)人員如果不能事先 知道其準(zhǔn)確值，可以保留軟件的缺省值，待計(jì)算后從計(jì)算書(shū)中讀取其 值，

5、填入軟件的 “結(jié)構(gòu)基本周期 ”選項(xiàng)，重新計(jì)算即可。 上述的計(jì)算目的是將這些對(duì)全局有控制作用的整體參數(shù)先行計(jì)算出來(lái)， 正確設(shè)置，否則其后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差別很大。2.確定整體結(jié)構(gòu)的合理性整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性是新規(guī)范特別強(qiáng) 調(diào)內(nèi)容。新規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)主要有：周期比、位 移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比等。（1）周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。它的目的是使抗側(cè)力的 構(gòu)件的平面布置更有效更合理，使結(jié)構(gòu)不至出現(xiàn)過(guò)大的扭轉(zhuǎn)。也就是 說(shuō)，周期比不是要求就構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理。 高 規(guī)第 4.3.5 條對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 Tt 與平動(dòng)為主的第一

6、自 振周期 T1 之比的要求給出了規(guī)定。如果周期比不滿(mǎn)足規(guī)范的要求，說(shuō) 明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)人員需要增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度， 降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。 設(shè)計(jì)軟件通常不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)計(jì)算書(shū)中 周期值自行判定第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期。以下介紹實(shí)用周期比計(jì)算方 法：1）扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期的判斷：從計(jì)算書(shū)中找出所有扭轉(zhuǎn)系數(shù)大 于 0.5 的平動(dòng)周期， 按周期值從大到小排列。 同理，將所有平動(dòng)系數(shù)大 于 0.5 的平動(dòng)周期值從大到小排列； 2）第一周期的判斷：從列隊(duì)中選 出數(shù)值最大的扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期，查看軟件的 “結(jié)構(gòu)整體空間振動(dòng)簡(jiǎn)圖 ”， 看該周期

7、值所對(duì)應(yīng)的振型的空間振動(dòng)是否為整體振動(dòng)，如果其僅僅引 起局部振動(dòng)，則不能作為第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期，要從隊(duì)列中取出下 一個(gè)周期進(jìn)行考察，以此類(lèi)推，直到選出不僅周期值較大而且其對(duì)應(yīng) 的振型為結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)的值即為第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期； 3）周期比計(jì) 算：將第一扭轉(zhuǎn)周期值除以第一平動(dòng)周期即可。（2）位移比（層間位移比）是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。其 限值在建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和高規(guī)中均有明確的規(guī)定，不再贅 述。需要指出的是，新規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出 的，如果在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)定了彈性板，則必須在軟件參數(shù)設(shè)置時(shí)選擇 “對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定 ”，以便計(jì)算出正確的位移比。 在位 移

8、比滿(mǎn)足要求后，再去掉 “對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定的選擇， 以彈性樓板設(shè)定進(jìn)行后續(xù)配筋計(jì)算。此外，位移比的大小是判斷結(jié)構(gòu)是否規(guī)則的重要依據(jù)，對(duì)選擇偶然偏 心，單向地震，雙向地震下的位移比，設(shè)計(jì)人員應(yīng)正確選用。（3）剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。根據(jù)抗震規(guī)范和 高規(guī)的要求，軟件提供了三種剛度比的計(jì)算方式，分別是剪切剛 度，剪彎剛度和地震力與相應(yīng)的層間位移比。正確認(rèn)識(shí)這三種剛度比 的計(jì)算方法和適用范圍是剛度比計(jì)算的關(guān)鍵： 1）剪切剛度主要用于底 部大空間為一層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及對(duì)地下室嵌固條件的判定； 2）剪彎剛度 主要用于底部大空間為多層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)； 3）地震力與層間位移比是執(zhí) 行抗震規(guī)范第 3.4.2 條和高規(guī) 4.3.5 條的相關(guān)規(guī)定，通常絕大多 數(shù)工程都可以用此法計(jì)算剛度比，這也是軟件的缺省方式。（4）層間受剪承載力之比也是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。其限 值可參考抗震規(guī)范和高規(guī)的有關(guān)規(guī)定。（5）剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的 重要因素，也是影響重力二階效的主要參數(shù)。該值如果不滿(mǎn)足要求， 則可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視。（6）剪重比是抗震設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。規(guī)范之所以規(guī)定剪重比， 主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，由此計(jì)算出來(lái)的水 平地震作用下