SATWE對柱剛域范圍的確定方法及其對結構剛度的影響

吳海楠

(建研科技股份有限公司設計軟件事業部, 北京 100013)

SATWE對柱剛域范圍的確定方法及其對結構剛度的影響

吳海楠

(建研科技股份有限公司設計軟件事業部, 北京 100013)

框架結構和其他結構形式中的框架部分都存在梁柱相交的重疊部分，當此重疊部分相對其跨度較大時，構件交點處會形成剛性節點區域，剛域尺寸的確定會在一定程度上影響結構整體分析結果。采用不同方法確定柱剛域范圍對結構的分析結果和設計結果存在差異，尤其是對框架結構和以框架受力為主的部分框支剪力墻結構中的框支框架部分有較大的影響。本文結合現行結構設計規范闡述SATWE軟件確定柱剛域范圍方法和考慮梁柱剛域對于結構剛度的影響。

框架結構；梁柱節點剛域；結構剛度；部分框支剪力墻結構

1 引言

框架梁柱節點重疊部分的處理對結構剛度和構件設計有一定影響，對于剛域的確定，規范給出了近似確定公式，對于某些情況，直接應用公式確定柱剛域范圍，會造成計算結果異常，形成虛假短柱，下面結合SATWE(V1.3)版本軟件針對簡述上述情況對柱剛域范圍的確定方法根據規范進行的適當改進，以保證計算結果的合理性，并且分析在其他計算參數相同的情況下，是否考慮梁柱剛域對于結構整體剛度的影響，使得我們對于satwe對柱剛域范圍的確定方法以及考慮梁柱剛域對結構整體分析結果的影響有所認識。

2 規范條文

《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱《高規》)5.3.4 條規定：在結構整體計算中，宜考慮框架或壁式框架梁柱節點區的剛域(圖1)影響，梁端截面彎矩可取剛域端截面的彎矩計算值。剛域的長度可按下列公式計算。

Lb1=a1-0.25hb

(1)

Lb2=a2-0.25hb

(2)

Lc1=c1-0.25bc

(3)

Lc2=c2-0.25bc

(4)

圖1 梁、柱節點區剛域圖示

3 柱剛域范圍計算模型

一般的結構的力學模型以梁的中心線與板中心線協調作為計算的一般方式，因此規范中柱剛域統計劃分依據梁中心線，將其分為上下兩部lc1、lc2剛域值，lc1統計到相鄰上部樓層柱剛域部分， lc2統計到本層柱剛域部分，如圖2所示在第二層梁柱重疊部分簡化為剛域時，柱剛域范圍就為本層lc22和相鄰下一層lc11之和，由規范公式本層梁高與相鄰下層梁高相同(或相近時)即C1=C2，同一柱寬bC，因此此時計算結果和實際位置剛域范圍相同或相近。

圖2 上下層梁高相同時梁柱剛域示意圖

4 柱剛域范圍確定時存在的兩類問題

(1)結構設計中往往存在一種情況，例如在建筑某個樓層需要放置大型設備時，往往下層梁高較高，因此相鄰上下層的梁高相差很大，此時按照規范規定的以梁中心線統計柱剛域時，如圖3所示，第二層剛域范圍lc11+lc22，lc11=C11-0.25bc，lc22=C22-0.25bc，C22為本層梁高的1/2，C11為相鄰下一層梁高的1/2，由于下層梁高C1>>C2, lc11> lc22，這樣經計算得出的剛域范圍必然會超過本層梁柱重疊部分，在形成單元剛度時本層柱高扣除柱剛域長度后會比實際長度短，就會形成“短柱”，這種虛假短柱造成計算異常，但實際模型中下層梁高對上層柱長度不會有影響。

圖3 上下層梁高不同時梁柱剛域示意圖

(2) 由《高規》5.3.4公式中可以看出，規范中影響柱剛域的因素，只有梁高和柱高決定剛域長度，這主要從梁柱交點處能夠形成有效剛性節點的前提下出發，在柱寬和梁寬相差不大的情況下，給出的近似公式，不足以說明另外一種情況，當梁寬較小或梁寬與柱寬尺寸相差懸殊時，柱剛域范圍按規范公式確定就會過大確定剛性節點范圍，夸大了梁對柱的約束能力，實際上梁不會對柱產生足夠的約束，形成的有效剛性節點較計算值要小，很可能造成結果偏于不安全。

針對上述情況，SATWE(V1.3)版本軟件做出了調整，對于柱剛域范圍的確定，引入了等效梁高的概念，將梁寬這一因素考慮到柱剛域的確定公式上，能夠較完善的考慮柱端形成有效剛性節點的范圍，避免出現柱端剛域過大對于梁柱節點本身和結構整體剛度統計出現偏差和問題。

5 SATWE(V1.3)版本軟件處理方法

5.1 對于柱剛域位置的選取

SATWE(V1.3)版本對于梁柱重疊部分簡化為剛域分開考慮，可單獨選擇考慮梁剛域或柱剛域如圖4所示。3.0對于以上(一)情況，SATWE(V1.3)版本軟件給出了合理的統計計算方法，程序在確定剛域范圍時不再依據梁中心線劃分為上下層兩部分，而是將剛域統計范圍置頂(本層層高處)，如下圖6，本層柱剛域只跟本層梁柱重疊部分有關，柱剛域范圍按照下式確定: lc=c1-0.5bc,從上式可以看出，此時柱剛域范圍只跟本層梁高和柱高有關，不會受相鄰下一層梁高影響，能夠正確判斷柱長度，從而避免了因上下層梁高差距而造成的虛假短柱現象。

圖4 梁柱重疊部分簡化為剛域選擇

圖5 本層柱剛域示意圖

5.2 考慮梁寬度時處理方法

5.2.1 等效梁高的確定

計算得到計算方向上梁截面面積bb×hb，計為ab，梁截面面積ab與計算方向上柱寬度hc的比值即為等效梁高hb，

5.2.2 柱剛域范圍確定

確定柱剛域時用等效梁高hb，代替實際梁高hb，確定柱剛域范圍，此時柱剛域公式變為：lc= hb，-1/2bc,，作為確定柱剛域的依據。

圖6 考慮梁截面寬度時梁柱節點示意圖

6 梁柱節點剛域對結構剛度的影響

以一框架結構和部分框支剪力墻結構實例說明是否考慮梁柱剛域對于結構整體剛度的影響。

1)框架結構，6層，設防烈度7度0.15g，二類場地，抗震等級為三級。由于V1.3版本對于柱剛域范圍統計方法的改變，其與10版之前版本有所不同，下表就V1.3和V1.2兩個版本是否考慮梁柱節點剛域進行了對比。

圖7 該框架結構三維軸測圖

對于該框架結構，表1給出了在考慮節點剛域和不考慮節點剛域的條件下結構周期和結構層間位移角的比較結果。

表1 框架對于V1.3和V1.2版本是否考慮梁柱節點剛域對比

由上述結果可知，考慮節點剛域后，在框架結構整體剛度上有一定的體現，這種變化從趨勢上看，在周期上：周期變短，在結構整體位移上：彈性層間位移角變大，符合結構整體剛度的變化趨勢。從數值變化上分析，結構周期變化幅度在5%-7%之間，結構位移變化幅度在7%-10%之間。由此可見考慮節點剛域對于框架結構來講，對于其整體剛度計算影響比較可觀，但是還不能影響結構剛度變化的趨勢，從分析階段角度出發，整體參數的控制時，不考慮梁柱節點剛域可以增加結果的剛度余量，為后續的性能目標設計提供可靠的設計結果參考。

2)部分框支剪力墻結構，36層，3層地下室，轉換層在第4層，設防烈度7(0.1g)，二類場地，抗震等級為二級。對于該部分框支剪力墻結構下表給出了在考慮節點剛域和不考慮節點剛域的條件下結構周期和結構層間位移角的比較結果。

圖8 該部分框支剪力墻結構三維軸測圖

表2 框架對于V1.3和V1.2版本是否考慮梁柱節點剛域對比

是否考慮柱剛域比較項目V1.2版本V1.3版本V1.2/V1.3不考慮節點剛域結構周期(s)2.96572.8714103.28%結構位移1/15241/1536100.10%考慮節點剛域結構周期(s)2.90792.8471102.14%結構位移1/15511/154199.35%不考慮節點剛域/考慮節點剛域結構周期之比101.99%100.85%—結構位移之比101.07%100.03%—

由上述對比結果可知，由于框支框架梁柱節點數量很少，是否考慮梁柱節點剛域對于部分框支剪力墻結構整體剛度影響很小，在計算精度范圍之內。

7 結語

本文簡述了在應用高規公式確定柱剛域時，出現的兩類問題：由于規范公式在柱剛域統計劃分時，依據梁中心線，本層梁柱重疊部分影響到上一層柱剛域的判斷，在某些情況下會引起上層虛假短柱的問題，以及公式未考慮梁寬對柱剛域的影響，satwe程序都對上述情況做了修改，以剛域置頂，和引入等效梁高加以解決，從而滿足結構在分析計算階段考慮柱剛域時結果的準確和可靠性。經過對框架結構和部分框支剪力墻結構是否考慮梁柱節點剛域對于整體剛度的結果對比，可知考慮節點剛域對于框架結構來講，對于其整體剛度計算影響比較可觀，可以考慮其對于整體剛度的影響，而節點剛域對于部分框支剪力墻結構剛度影響很小，在1%左右，對于一般部分框支剪力墻結構剛度沒有實質的影響。設計人員應根據具體工程靈活考慮以保證結構設計結果的可靠性。

[1]GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].

[2]JGJ3-2010. 高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3]GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].

[4]李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例.第二版,北京.中國建筑工業出版社[M],2011,157-162.

[5]陳岱林.金新陽.張志宏.鋼筋混凝土構件設計原理及算例[M].北京,中國建筑工業出版社,2005,81-147.

[6]付學怡.實用高層建筑結構設計[M].第二版,北京. 中國建筑工業出版社,2010,38-45.

[7]薛素鐸.趙均.高向宇. 建筑抗震設計[M].第二版,北京.科學出版社,2007,13-17.

[8]徐培福.付學怡.王翠坤.肖從真.復雜高層建筑結構設計[M].北京.中國建筑工業出版社,2005,95-108.

[9]劉立新.葉燕華.混凝土結構原理[M].武漢.武漢理工大學出版社,2010,121-137.

[10]林同炎 S.D. 斯多臺斯伯力.結構概念和體系[M].高立人.方鄂華.錢稼茹,北京.中國建筑工業出版社,1999，218-235.

新版PKPM工程資料軟件培訓圓滿結束

2015年3月25日上午， PKPM信息化事業部在中國建筑科學研究院科研樓會議廳成功舉辦了《建筑工程施工質量驗收統一標準》GB50300-2013宣貫及PKPM工程資料軟件2015版培訓班。

會議現場 惠躍榮主任講解統一標準的改進

此次培訓由中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司信息化軟件事業部惠躍榮副主任主講。講課老師對新舊《建筑工程施工質量驗收統一標準》進行對比，針對新規范中疑問相對較多的問題(包括對檢驗批容量的理解、單位的選擇及最小抽樣數量的取值)進行了詳細的講解，并對用戶提出的問題進行了一一解答。然后由PKPM軟件研發部門的工程師介紹了PKPM基于管理的施工服務平臺，為工程資料的填寫及管理提供了一種新方式。最后由產品技術服務中心的李工詳細講解了2015版北京建筑工程資料管理軟件改進及新增功能的應用，并對用戶在軟件使用過程中遇到的常見問題進行了詳細解答。

PKPM北京建筑工程資料管理軟件2015版得到了廣大新老客戶的大力支持。

此次參會人員普遍反映，聽了新規范的技術講座，對新版驗收規范的應用有了進一步認識，解決資料填寫過程中遇到的許多問題，同時對建筑工程資料管理軟件的使用方法及便捷性有了更系統、更細致的了解，并希望中國建筑科學研究院多多舉辦此類講座。

達索系統SOLIDWORKS 2015全球用戶大會在美舉行全面探索體驗時代3D設計最新成果

2015年2月10日，上海——全球3D設計、3D數字樣機和產品全生命周期管理(PLM)解決方案和3D體驗解決方案的領導者達索系統(巴黎歐洲證券交易所：#13065,DSY.PA)宣布一年一度面向3D設計和工程領域用戶的盛會——第17屆SOLIDWORKS World 2015全球用戶大會于2月8日至11日期間在美國亞利桑那州的鳳凰城會議中心隆重舉行。大會匯聚了全球5000多名工程師和設計人員，共同交流、學習、分享和發現SOLIDWORKS 3D應用和工程技術領域的最新成果，以幫助數百萬用戶推進產品設計、仿真、技術通信和數據管理的革新。

在如今的體驗時代，設計領域的社會化、概念化和協作化程度前所未有。達索系統SOLIDWORKS的CEO Gian Paolo Bassi指出：“SOLIDWORKS的核心理念是協作創新，需要集社區之創意與熱情共同推動。SOLIDWORKS World 2015全球用戶大會為大家提供了一個良好的契機，幫助大家建立合作，接觸到更多的工具，從而激發創意并使之實現。我們很高興能在這項獨特的全球性活動上與大家一起發現設計新觀點、共享設計新科技。”

大會為期四天，邀請到來自科學、設計、工程領域的意見領袖發表主題演講，他們在各自領域的杰出貢獻對數百萬3D設計愛好者和專業人士都有著巨大的影響。發言人包括：

·Michio Kaku博士，物理學家，著有《紐約時報》暢銷書《思想的未來》(The Future of the Mind)。

·Jinsop Lee，工業設計師，Linno首席全球化官。

·Bre Pettis，MakerBot Industries聯合創始人兼前CEO， Bold Machines現任首席創新官。

大會還包含教學培訓以及專門面向SOLIDWORKS用戶社區的活動，介紹3D CAD最佳案例實踐以及機械設計和工程設計領域的創新。亮點如下：

·SOLIDWORKS 2015產品組合在3DEXPERIENCE平臺上的功能增強演示，包括云功能以及能夠提高生產效率、改進工作流程和降低運營成本的更多功能選擇。

·200多個針對SOLIDWORKS用戶舉行的分組會議和實踐培訓會議現場舉辦，包括面向入門者的“SOLIDWORKS流程仿真第一步”、“SOLIDWORKS Plastics 2015入門”和面向高級用戶的“有機幾何體建模”、“曲線草圖和連續性”等活動。

·100多家展商的新技術和產品在大會合作伙伴展廳多彩展示。

·達索系統CEO Bernard Charlès、SOLIDWORKS CEO Gian Paolo Bassi以及SOLIDWORKS 前任CEO和達索系統現任渠道業務管理部副總裁Bertrand Sicot精彩演講。

·用戶意見導向生成的SOLIDWORKS用戶最期待的十大功能增強揭開面紗。

·CAD Manager訓練營、SOLIDWORKS Educators項目會議和SOLIDWORKS用戶組會議等專享項目會前開放。

·SOLIDWORKS認證考試免費測試，CAD技巧輕松獲得。

·40多個小時的同行交流機會全面開放。

·SOLIDWORKS 2016最新技術提前預告。

Method used by SATWE to Determine Dimensions of Column Rigid Joint Panel and Influences on Structure Stiffness

Wu Hainan

(TheDesignSoftwareDepartment,CABRTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100013,China)

The overlap parts of beam-column in frame structures and other types of structures form beam-column rigid joint panels, if the overlap parts are large enough. The dimensions of rigid panel zone can influence the effects of integral structure analysis. It would lead to different results in structural analysis and design, especially in frame structures and partial frame-supported shear wall structures by using different methods to determine column rigid zones. Based on current structure design codes, this article illustrates the method that is used by SATWE to determine rigid panel zones and the effect on the stiffness of structures by beam-column rigid joint panels.

Frame Structure; Beam-column Rigid Joint Panels; Structural Stiffness; Partial Frame-supported Shear Wall Structures

吳海楠(1989-)，男，學士，助理工程師。主要研究方向：結構設計軟件計算。

TU973.1+6

A

1674-7461(2015)01-0085-04