建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟探討

盛大瑋

摘 要: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。

關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);計(jì)算

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,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)過試算才能得到。

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?！陡邔咏ㄖ炷两Y(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。

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。

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。

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,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。

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)過大的扭轉(zhuǎn)。也就是說,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)為主的第一自振周期T1之比的要求給出了規(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。

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。在位移比滿足要求后,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。

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。

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。

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。

3 對(duì)單構(gòu)件作優(yōu)化設(shè)計(jì)

前幾步主要是對(duì)結(jié)構(gòu)整體合理性的計(jì)算和調(diào)整,這一步則主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件內(nèi)力和配筋計(jì)算,包括梁,柱,剪力墻軸壓比計(jì)算,構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

軟件對(duì)混凝土梁計(jì)算顯示超筋信息有以下情況:當(dāng)梁的彎矩設(shè)計(jì)值M大于梁的極限承載彎矩Mu時(shí),提示超筋;規(guī)范對(duì)混凝土受壓區(qū)高度限制:

四級(jí)及非抗震:ξ≤ξb

二、三級(jí):ξ≤0.35( 計(jì)算時(shí)取AS '=0.3 AS)

一級(jí):ξ≤0.25( 計(jì)算時(shí)取AS '=0.5 AS)

當(dāng)ξ不滿足以上要求時(shí),程序提示超筋;3)《抗震規(guī)范》要求梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率2.5%,當(dāng)大于此值時(shí),提示超筋;4)混凝土梁斜截面計(jì)算要滿足最小截面的要求,如不滿足則提示超筋。

剪力墻超筋分三種情況:1)剪力墻暗柱超筋:軟件給出的暗柱最大配筋率是按照4%控制的,而各規(guī)范均要求剪力墻主筋的配筋面積以邊緣構(gòu)件方式給出,沒有最大配筋率。所以程序給出的剪力墻超筋是警告信息,設(shè)計(jì)人員可以酌情考慮;2)剪力墻水平筋超筋則說明該結(jié)構(gòu)抗剪不夠,應(yīng)予以調(diào)整;3)剪力墻連梁超筋大多數(shù)情況下是在水平地震力作用下抗剪不夠。規(guī)范中規(guī)定允許對(duì)剪力墻連梁剛度進(jìn)行折減,折減后的剪力墻連梁在地震作用下基本上都會(huì)出現(xiàn)塑性變形,即連梁開裂。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行剪力墻連梁設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)考慮其配筋是否滿足正常狀態(tài)下極限承載力的要求。

柱軸壓比計(jì)算: 柱軸壓比的計(jì)算在《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》中的規(guī)定并不完全一樣,《抗震規(guī)范》第6.3.7條規(guī)定,計(jì)算軸壓比的柱軸力設(shè)計(jì)值既包括地震組合,也包括非地震組合,而《高規(guī)》第6.4.2條規(guī)定,計(jì)算軸壓比的柱軸力設(shè)計(jì)值僅考慮地震作用組合下的柱軸力。軟件在計(jì)算柱軸壓比時(shí),當(dāng)工程考慮地震作用,程序僅取地震作用組合下的的柱軸力設(shè)計(jì)值計(jì)算;當(dāng)該工程不考慮地震作用時(shí),程序才取非地震作用組合下的柱軸力設(shè)計(jì)值計(jì)算。因此設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn),對(duì)于同一個(gè)工程,計(jì)算地震力和不計(jì)算地震力其柱軸壓比結(jié)果會(huì)不一樣。

剪力墻軸壓比計(jì)算:為了控制在地震力作用下結(jié)構(gòu)的延性,新的《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》對(duì)剪力墻均提出了軸壓比的計(jì)算要求。需要指出的是,軟件在計(jì)算斷指剪力墻軸壓比時(shí),是按單向計(jì)算的,這與《高規(guī)》中規(guī)定的短肢剪力墻軸壓比按雙向計(jì)算有所不同,設(shè)計(jì)人員可以酌情考慮。

構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計(jì):計(jì)算結(jié)構(gòu)不超筋,并不表示構(gòu)件初始設(shè)置的截面和形狀合理,設(shè)計(jì)人員還應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì),使構(gòu)件在保證受力要求的德條件下截面的大小和形狀合理,并節(jié)省材料。但需要注意的是,在進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)以保證整體結(jié)構(gòu)合理性為前提,因?yàn)闃?gòu)件截面的大小直接影響到結(jié)構(gòu)的剛度,從而對(duì)整體結(jié)構(gòu)的周期、位移、地震力等一系列參數(shù)產(chǎn)生影響,不可盲目減小構(gòu)件截面尺寸,使結(jié)構(gòu)整體安全性降低。