建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟參數(shù)確定分析

趙燕紅

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。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PKPM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)。

關(guān)鍵詞:建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);計(jì)算步驟;參數(shù)

中圖分類號(hào):TU3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3198(2009)16-0305-01

1 計(jì)算開始以前參數(shù)的正確設(shè)定

(1)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)現(xiàn)該角度絕對(duì)值大于15度時(shí),應(yīng)將該數(shù)值回填(代入設(shè)計(jì)參數(shù)中)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。

(2)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,可先按經(jīng)驗(yàn)公式:T1=0.25+0.35×10-3H2/3√B計(jì)算代入軟件,亦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。

2 確定整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性

(1)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應(yīng)(P—△效應(yīng))的主要參數(shù)。通常用增大系數(shù)法來考慮結(jié)構(gòu)的重力二階效應(yīng),如考慮重力二階效應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移可用未考慮P—△效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果乘以位移增大系數(shù),但保持位移限制條件不變(框架結(jié)構(gòu)層間位移角≤1/550);考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件重力二階效應(yīng)的端部彎矩和剪力值,可采用未考慮P—△效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果乘以內(nèi)力增大系數(shù)。一般情況下,對(duì)于框架結(jié)構(gòu)若滿足:Dj≥20∑Gj/hj(j=1,2,…n)結(jié)構(gòu)不考慮重力二階效應(yīng)的影響。結(jié)構(gòu)的剛重比增大P—△效應(yīng)減小,P—△效應(yīng)控制在20%以內(nèi),結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有適宜的安全儲(chǔ)備,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。

(2)剛度比和層間受剪承載力之比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。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。

(3)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。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。

(4)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(zhǎng)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,若剪重比小于0.02,結(jié)構(gòu)剛度雖然滿足水平位移限制要求(框架結(jié)構(gòu)層間位移角≤1/550),但往往不能滿足結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定條件。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中綜合考慮剛重比與剪重比的合理取值。

3 梁、柱軸壓比計(jì)算,構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)等

(1)軟件對(duì)混凝土梁計(jì)算顯示超筋信息有以下情況:①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;②規(guī)范對(duì)混凝土受壓區(qū)高度限制:

四級(jí)框架及非抗震框架:ξ≤ξb;

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

一級(jí)框架: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。出現(xiàn)以上超筋信息時(shí),設(shè)計(jì)人員可采用下列方法做以下調(diào)整:一是增大梁截面,提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)。二是增大對(duì)雙筋梁受壓區(qū)鋼筋面積,受拉區(qū)鋼筋面積不變,使梁受壓區(qū)高度減小,從而使ξ減小。

(2)柱軸壓比計(jì)算:柱軸壓比越小說明結(jié)構(gòu)的延性越好,柱軸壓比越大說明結(jié)構(gòu)的剛度越大,結(jié)構(gòu)的側(cè)移越大抗震性能越差。要確定合理的軸壓比必須滿足:N/fcA≤n(n=0.7、0.8、0.9)。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。當(dāng)軸壓比不滿足要求時(shí),一般可增大柱截面,提高柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)或增大地震作用折減系數(shù)來加以改善。

(3)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。

4 滿足規(guī)范強(qiáng)制執(zhí)行條文的要求

(1)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行施工圖配筋計(jì)算時(shí),要求輸入合理的歸并系數(shù)、支座方式、鋼筋選筋庫等,如一次計(jì)算結(jié)果不滿意,要進(jìn)行多次試算和調(diào)整。

(2)生成施工圖以前,要認(rèn)真輸入出圖參數(shù),如梁柱鋼筋最小直徑、框架頂角處配筋方式、梁挑耳形式、柱縱筋搭接方式,箍筋形式,鋼筋放大系數(shù)等,以便生成符合需要的施工圖。軟件可以根據(jù)允許裂縫寬度自動(dòng)選筋,還可以考慮支座寬度對(duì)裂縫寬度的影響。

(3)施工圖生成以后,設(shè)計(jì)人員還應(yīng)仔細(xì)驗(yàn)證各特殊或薄弱部位構(gòu)件的最小縱筋直徑、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度、鋼筋搭接錨固長(zhǎng)度、配筋方式等是否滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求。規(guī)范這一部分的要求往往是以黑體字寫出,屬于強(qiáng)制執(zhí)行條文,萬萬不可以掉以輕心。

(4)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況,對(duì)計(jì)算機(jī)生成的配筋結(jié)果作合理性審核,如鋼筋排數(shù)、直徑、架構(gòu)等,如不符合工程需要或不便于施工,還要做最后的調(diào)整計(jì)算。

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