砼框架SATWE計算結果分析

【摘要】框架結構通常用PKPM計算程序來進行結構設計，本文整理分析了SATWE計算結果中的部分參數，提出了相關注意事項，以求達到結構設計更加符合實際情況，供結構設計者進行參考。

【關鍵詞】 層間剛度比、剛重比、周期比、有效質量系數、剪重比、位移比

一般來講，對于框架結構在 SATWE計算結果 文本文件輸出 中我們最主要看的就是前3項：1.結構設計信息（WMASS.OUT）、2.周期 振型 地震力（WZQ.OUT）、3.結構位移（WDISP.OUT）。其它各項則在有需要時針對性查看。這里我們主要詳細介紹最常用的前3項計算結果分析。

一、結構設計信息（WMASS.OUT）

1、層間剛度比：剛度比是控制結構豎向不規則性和判斷薄弱層的重要指標。《高規》4.4.2條規定，“抗震設計的高層建筑結構，其樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70% 或其上三層側向剛度平均值的80% ”。當不滿足本條時，按照5.1.14條規定，“其薄弱層對應于地震作用標準值的地震剪力應乘以1.15的增大系數 ”。

本參數可調可不調，因程序會自動判定是否因剛度比突變出現薄弱層，并自動對薄弱層放大地震剪力。但建議盡量調整滿足使得結構豎向規則，避免豎向剛度上大下小的雞腿建筑出現。且對于轉換層結構中轉換層屬于樓層豎向抗側力構件不連續形成的薄弱層，不論層間剛度比是多少，都應該將該層設置為薄弱層。

2、剛重比：是結構剛度與重力荷載的比值。它控制結構整體穩定的重要指標。重力二階效應（P-Δ效應）產生的原因主要有兩方面：1是因為剛度太小，而頂部荷載又很大，在建筑彎曲時，偏移太多產生了重力彎矩M = GΔ（情況1圖）。2是因重力太小，而剛度又很大時，壓不住整樓，使建筑在水平力下產生了整體的傾覆（見情況2圖）。

高層建筑結構的穩定設計主要是控制在風荷載或水平地震作用下，重力荷載產生的二階效應（P-Δ效應）不至過大，導致結構失穩倒塌。若顯示“能夠通過高規（5.4.4）整體穩定驗算”，則表示剛重比滿足要求。否則應回到參數選項中選定“考慮P-Δ效應”重新計算，但要盡量調整結構布局使其滿足不考慮重力二階效應。剛重比不滿足規范要求時，通常是因為結構高寬比不合理造成的，或者加大抗側力構件（墻、柱）剛度。

另外本結果并不一定就存在于高層建筑中。有時在單層或多層房屋中當重力荷載大而豎向剛度又很小（比如大荷載大層高的鋼結構）時，也會出現重力二階效應的現象。所以對于這類結構要留意檢查本結果是否滿足規范要求。

二、周期 振型 地震力（WZQ.OUT）

1、周期：分為平動周期和扭轉周期。要求扭轉周期不能出現在第1振型，避免出現在第2振型，最好是出現在越靠后的振型越好。而劃分平動振型還是扭轉振型要看平動系數和扭轉系數誰占主導地位（最好是大于0.8，至少也要大于0.55）。同時還要將第一X向平動周期和第一Y向平動周期計算結果帶回到前面SATWE參數中輸入后重新計算（劃分平動系數是X向還是Y向則看“平動系數（X+Y）”中是X向的系數占主導地位還是Y向的），特別是在高層建筑中一定要將本計算結果帶回到參數中重新計算，以免影響風荷載的準確計算。

必要時要查看該振型在“結構整體空間振動簡圖”中是否能引起結構的整體振動，局部振動周期是不能作為第一周期的。結構有時某一振型的振動實際上并不是整個結構的震動振型，而是某一根大跨度梁的震動（比如混凝土框架上配輕鋼屋面中的屋面大鋼梁）。

2、周期比：是控制結構扭轉效應的重要指標，目的是控制結構的扭轉變形要小于結構的平動變形，周期比不是要去結構足夠結實，而是要去結構剛度布局合理，避免結構扭轉破壞。《高規》4.3.5條規定，“結構扭轉為主的第一自震周期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大于0.9，B級高度高層建筑不應大于0.85”。但是本計算結構參數在多層砼結構中未見要求，因此多層建筑中本參數應該不起決定作用（個人理解）。

周期比就是要找出第一平動振型周期和第一扭轉振型周期。即在平動振型中和扭轉振型中分別找出周期最長的振型為第一平動振型周期和第一扭轉振型周期，計算周期比。（注意：1、在符合剛性樓板假定的結構中，周期比計算應在剛性樓板假定下進行，對于不適合剛性樓板假定的復雜結構，不宜采用周期比控制；2、對于多塔結構，各個塔樓宜分別單獨計算周期比）。如果周期比不滿足要求，說明該結構扭轉效應明顯，對抗震不利，應進行調整。

周期比調整原則如下：1）、結構抗測力構件的布局應均勻對稱。2）、增加結構周邊剛度，如增大周邊柱截面，加高邊梁高度，加厚周邊板厚，增設周邊剪力墻等。3）、降低結構中間部位的剛度，如：減小柱截面，中間部位剪力墻開洞等。

3、地震作用最大的方向：地震沿不同方向作用時，結構地震反應的大小一般也不相同，從嚴格意義上講，規范中所講的主軸是指地震沿該軸方向作用時，結構只發生沿該軸方向的側移而不發生扭轉位移的軸線。當結構不規則時，地震作用的主軸方向就不一定是0°和90°。程序不會自動判定，需要設計人員根據計算結果看“地震作用最大方向的這個角度與主軸夾角如果大于±15°時，側要將該角度帶回到前面SATWE參數中重新計算。

而帶回輸入地震作用最不利角度時有兩種方法，1）、是在“總信息”中“水平力與整體坐標夾角”中輸入，但是本處輸入會帶來圖形旋轉，給后續畫圖，配筋帶來不便，且有時基礎計算時還會出現問題。2）、是在“地震信息”中的“斜交抗側力構件方向附加地震數及相應角度”中輸入。本處輸入的好處是不會給圖形帶來旋轉，建議在此輸入。

4、有效質量系數：《抗震》5.2.2條規定，“振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量90%所需的振型數”當計算結果參數不滿足要求時應回到SATWE參數中增加振型個數重新計算。必須保證有效質量系數達到90%，否則計算振型數量不夠，說明后續振型產生的地震效應被忽略了，地震作用偏小，結構設計不安全。但是振型個數也不能取的太多，不能多于結構有質量貢獻的自由度總數，比方說：當采用剛性樓板假定時，振型個數就不能超過3倍的層數，因在剛性樓板假定時，每層作為一個質點只有3個自由度。而彈性節點可以取2個自由度，但是彈性節點很多，此時所取的振型個數是可以超過3倍的樓層數的。

5、剪重比：主要是因為在長周期（基本周期大于3.5S的結構）作用下地震影響系數下降較快（《抗震》圖5.1.5），由此計算出來的水平地震作用可能偏小，出于安全考慮，規范規定了各樓層水平地震剪力的最小值，該值如不滿足，說明結構有可能出現薄弱部位，必須進行調整。

剪重比實際上就是《抗震》5.2.5公式中的剪力系數λ，在此要查看各層的剪重比是否大于最小剪重比（λ），否則應改進結構布局，調整增大結構剛度。而正確計算剪重比，必須選取足夠的振型個數使有效質量系數先大于90%。但是地下室由于受到回填土的約束作用，可以不考慮剪重比調整。

三、結構位移（WDISP.OUT）

1、層間位移角：層間最大位移與層高的比值。《抗震》5.5.1條規定了層間位移角限值，位移必須滿足本條要求。限制本計算結構參數的目的：1.是為了保證結構在使用中人體感受的舒適度，2.位移過大產生的重力二階效應（P-Δ效應），3.保證主體結構基本處于彈性手里狀態，避免砼手里構件出現裂縫或裂縫超規范，4.保證填充墻和各種管線等非結構構件的完好。層間位移角和位移比一樣，都是在剛性；樓板假定下計算的。

2、位移比：是控制結構整體抗扭特性和平面不規則的重要指標。包括兩項（a.樓層豎向構件的最大水平位移與平均水平位移的比值，b.樓層豎向構件的最大層間位移與平均層間位移的比值）。《抗震》3.4.3條規定：當位移比大于1.2時，屬于扭轉平面不規則結構，應采用雙向地震作用計算，但不宜大于1.5。否則應調整結構剛度布局，使結構剛心與質心盡量接近，重合最好。

注意如下：1）、規范規定位移比是按剛性樓板假定計算的。所以需要注意的是，在剛性樓板假定下調整好位移比后，還要在返回SATWE中取消剛性樓板假定后再計算配筋等計算結果。2）、高層建筑位移比應考慮偶然偏心的影響，多層建筑可以不考慮。3）、當層間位移角很小時，列如一般結果層間位移角小于規范限值的1/2，復雜結構和高層結構層間位移角小于規范限值1/3時，位移比可以適當放寬（如放大20%）。4）、對于體育場、空曠結構、特殊工業建筑、錯層等結構，由于其豎向構件高度不一致，采用強制剛性樓板假定會帶來較大的計算誤差，因此，對這類復雜建筑結構不宜強行位移比控制。

四、結束語

隨著經濟發展和技術進步，結構設計的復雜程度越來越高，本文根據個人的學習，經驗筆記列出的上述比較基礎常用SATWE計算結果參數。希望能給未來的復雜結構設計打個良好基礎。觀點僅代表個人理解。希望能給未來或剛剛踏入結構設計的新人們一個借鑒與參考。

參考文獻

[1] 《PMPM結構軟件從入門到精通》，（第一版），北京，中國建筑工業出版社，2008年

[2] 《SATWE用戶手冊及技術條件》，（2005版），北京，中國建筑科學研究院，2005年