淺談如何運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

姬瑞賀++喻杰

摘 要：本文以SATWE為例，討論了建筑結(jié)構(gòu)在運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，如何依據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范正確地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性。

關(guān)鍵詞：SATWE；參數(shù)；指標(biāo)

現(xiàn)今，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)非常普及，如何正確運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)行國家規(guī)范的要求，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員都非常關(guān)心的問題。下面以SATWE為例進(jìn)行討論。

一、完成整體參數(shù)的正確設(shè)置

設(shè)計(jì)計(jì)算開始以前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該首先對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置。在一個(gè)工程中其中一些參數(shù)是關(guān)系到整體計(jì)算結(jié)果的，只有正確設(shè)置，才能保證其計(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。

水平地震作用是雙向的，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用，應(yīng)使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個(gè)主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力；結(jié)構(gòu)剛度選擇時(shí)，雖可考慮場地特征，選擇結(jié)構(gòu)剛度以減少地震作用效應(yīng)，但是也要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增大，過大的變形將會(huì)因P-Δ效應(yīng)過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；結(jié)構(gòu)除需要滿足水平方向剛度和抗震能力外，還應(yīng)具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的能力。

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結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，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。一般情況是振型數(shù)的多少與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)自由度有關(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。振型組合數(shù)是否取值合理，可以看軟件計(jì)算書中的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，其最大值不能超過結(jié)構(gòu)得總自由度數(shù)。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)地震反應(yīng)的大小也各不相同，那么必然存在某個(gè)角度是結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最不利方向。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)算結(jié)果中輸出，設(shè)計(jì)人員如發(fā)現(xiàn)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)算書中讀取其值，填入軟件的“結(jié)構(gòu)基本周期”選項(xiàng)，重新計(jì)算即可。

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗震性能的一種方法。選擇對(duì)抗震有利的結(jié)構(gòu)方案和布置，采取減少扭轉(zhuǎn)和加強(qiáng)抗扭剛度的措施，設(shè)計(jì)延性結(jié)構(gòu)和延性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分析結(jié)構(gòu)薄弱部位，并采取相應(yīng)的措施，避免薄弱層過早破壞，防止局部破壞引起連鎖效應(yīng)，避免設(shè)計(jì)靜定結(jié)構(gòu)，采取二道防線措施等每個(gè)設(shè)計(jì)步驟中都貫穿了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)內(nèi)容。強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性，是要求建筑師和結(jié)構(gòu)師在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視規(guī)范、規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的各條規(guī)定，設(shè)計(jì)中不能陷入只憑計(jì)算的誤區(qū)。

二、確定整體結(jié)構(gòu)的合理性

整體結(jié)構(gòu)的合理性是現(xiàn)行規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。現(xiàn)行規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的指標(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)過大的扭轉(zhuǎn)。《高規(guī)》第4.3.5條對(duì)結(jié)構(gòu)周期比做了規(guī)定。如果周期比不滿足規(guī)范的要求，說明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)人員需要調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置。

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)算結(jié)果自行判定第一扭轉(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)算結(jié)果中找出所有扭轉(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)簡圖”，看該周期值所對(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，要依次查看每一個(gè)周期，至到找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：第一扭轉(zhuǎn)周期除以第一平動(dòng)周期。

2.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。

3.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)》的規(guī)定。在一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，應(yīng)避免應(yīng)力集中的凹角和狹長的縮頸部位；避免在凹角和端部設(shè)置樓、電梯間；減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。豎向體型盡量避免外挑，內(nèi)收也不宜過多、過急，結(jié)構(gòu)剛度、承載力沿房屋高度方向不宜均勻、連續(xù)分布、避免造成結(jié)構(gòu)的軟弱或薄弱的部位。應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載力。根據(jù)具體情況，結(jié)構(gòu)單元之間應(yīng)遵守牢固連接或有效分離的方法。高層建筑的結(jié)構(gòu)單元應(yīng)采取加強(qiáng)連接的方法。

4.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)。該值如果不滿足要求，則可能引起整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。

5.剪重比是抗震設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。在長期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，由此計(jì)算出來的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。而對(duì)于長周期結(jié)構(gòu)，地震動(dòng)態(tài)作用下的地面加速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)具有更大的破壞作用，但采用振型分解法時(shí)無法對(duì)此作出準(zhǔn)確的計(jì)算。因此，出于安全考慮，規(guī)范規(guī)定了各樓層水平地震力的最小值，該值如果不滿足要求，則說明結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位，必須進(jìn)行調(diào)整。

在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為A 級(jí)高度的建筑外，增加了B級(jí)高度的建筑，因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑甚或超過了B級(jí)高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題，導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開專家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況，對(duì)工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大

三、結(jié)語

上述以外，設(shè)計(jì)軟件還會(huì)按照規(guī)范的要求對(duì)整體結(jié)構(gòu)地震作用進(jìn)行調(diào)整，如最小地震剪力調(diào)整、特殊結(jié)構(gòu)地震作用下內(nèi)力調(diào)整、0.2Q0調(diào)整、強(qiáng)柱弱梁與強(qiáng)剪弱彎調(diào)整等等，因程序可以完成這些調(diào)整，這里不再贅述。

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