基于SATWE計(jì)算結(jié)果的混凝土構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔亞男，單俊鴻，王 飛

(河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，方案優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的系統(tǒng)工程，它真正體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)合理前處理的概念，對(duì)結(jié)構(gòu)造價(jià)有著關(guān)鍵影響，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格遵守“經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、合理”的原則，把握優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性，確定合理的結(jié)構(gòu)方案，主動(dòng)采用科學(xué)的控制方法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 整體分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之前，首先要確保依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的具體規(guī)定以及pkpm軟件手冊(cè)對(duì)參數(shù)意義的描述，考慮工程實(shí)際，將軟件中包含的初始參數(shù)以及特殊構(gòu)件已經(jīng)正確設(shè)置，否則對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化毫無(wú)意義。其中振型組合數(shù)、最大地震力作用方向和結(jié)構(gòu)基本周期計(jì)算之前很難估計(jì)，需要先進(jìn)行試算取得合理取值，才能保證計(jì)算結(jié)果不失真。

1.1 振型組合數(shù)

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，取值不合理會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《抗震規(guī)范》)振型數(shù)量取值做出了說明。一般而言，振型數(shù)目與結(jié)構(gòu)層數(shù)以及結(jié)構(gòu)的自由度有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)層剛度突變(彈性節(jié)點(diǎn)、多塔樓、轉(zhuǎn)換層等結(jié)構(gòu)形式)較大時(shí)，振型數(shù)應(yīng)多取一些［1］、［2］。操作方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一個(gè)組合數(shù)，計(jì)算直至兩個(gè)方向的質(zhì)量系數(shù)均大于0.9為止。結(jié)構(gòu)的振型組合數(shù)并非越大越好，輸入的最大值不能超過結(jié)構(gòu)的總自由度。

1.2 最大地震力作用方向

在pkpm中參數(shù)輸入中，最大地震力作用方向的缺省值是0，計(jì)算完結(jié)構(gòu)受力后，需要確認(rèn)其數(shù)值。如果計(jì)算書中地震作用最大的方向的絕對(duì)值如果大于15°，需要重新輸入軟件進(jìn)行計(jì)算。

1.3 結(jié)構(gòu)基本周期

結(jié)構(gòu)基本周期對(duì)風(fēng)荷載的計(jì)算有很大影響。由于不能事先確定，一般先利用軟件中的缺省值進(jìn)行試算，之后在計(jì)算書中找到計(jì)算周期值，回代到“結(jié)構(gòu)基本周期”選項(xiàng)，重新進(jìn)行計(jì)算。只有將模型中的參數(shù)正確設(shè)置，才能保證計(jì)算結(jié)果合理可靠。

2 混凝土構(gòu)件配筋及鋼構(gòu)件驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

2.1 混凝土梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁顯示超筋有以下情況:(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，ξ不滿足規(guī)范要求;(3)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不宜大于2.5%，這種情況下可能提示超筋;(4)混凝土梁斜截面的計(jì)算必須滿足規(guī)范最小截面的要求，否則提示超筋［2］。混凝土梁宜處于單筋受力狀態(tài)，如果計(jì)算結(jié)果為雙筋受力狀態(tài)，最好加大梁截面尺寸，重新計(jì)算。梁配筋不超限的情況下，梁的經(jīng)濟(jì)配筋率一般為0.6% ～0.15%，簡(jiǎn)略計(jì)算構(gòu)件配筋率，如有調(diào)整空間，可以修改截面尺寸，盡量滿足經(jīng)濟(jì)配筋率。梁上部通長(zhǎng)筋，應(yīng)盡量選用較細(xì)鋼筋，可減少梁的裂縫，并且還可以減少鋼筋錨固長(zhǎng)度，如選擇14 mm、16 mm或18 mm。

2.2 剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

剪力墻顯示超筋有以下情況:(1)剪力墻暗柱超筋，軟件對(duì)暗柱的最大配筋率限制是按照4%控制的，而規(guī)范要求剪力墻主筋的配筋面積以邊緣構(gòu)件方式給出，沒有限制最大配筋率。所以程序給出的剪力墻超筋是警告信息，需要酌情考慮;(2)剪力墻水平筋超筋說明該結(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［5］。規(guī)范中允許對(duì)剪力墻連梁的剛度進(jìn)行折減，經(jīng)過折減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。對(duì)剪力墻計(jì)算軸壓比是為了控制在地震力作用下結(jié)構(gòu)的延性，規(guī)范提出了剪力墻軸壓比的計(jì)算要求。《高規(guī)》中規(guī)定的短肢剪力墻軸壓比按雙向計(jì)算，而軟件在計(jì)算斷指剪力墻軸壓比時(shí)，是按單向計(jì)算的，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。

2.3 混凝土柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

柱軸壓比計(jì)算:柱子軸壓比超限，需要加大柱子截面尺寸，柱的經(jīng)濟(jì)配筋率一般為0.8% ～2%，不要超過最小配筋率太多。軸壓比的計(jì)算在《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》中的規(guī)定不一致，《抗震規(guī)范》第6.3.6條規(guī)定，計(jì)算軸壓比的柱軸力設(shè)計(jì)值既包括地震組合和非地震組合，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。對(duì)于同一個(gè)工程，兩種計(jì)算方法結(jié)果不一樣，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該予以考慮。

3 周期 振型 地震力

3.1 結(jié)構(gòu)的周期

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)的自振周期在考慮折減系數(shù)后需控制在一定的合理范圍內(nèi)。如結(jié)構(gòu)的基本自振周期(即第一周期)大致為:框架結(jié)構(gòu) T1≈ (0.12 ～0.15)n，一般為 0.3 s～0.9 s;框剪和框筒結(jié)構(gòu)T1≈ (0.08～0.12)n;剪力墻和筒中筒結(jié)構(gòu) T1≈(0.04 ～0.06)n(n為建筑物的總層數(shù))。

第二周期、第三周期與第一周期的關(guān)系大致為，T2≈(1/3 ～1/5)T1，T3≈(1/5 ～1/7)T1。計(jì)算周期偏長(zhǎng)，代表結(jié)構(gòu)過“軟”，所承擔(dān)的地震剪力偏小，說明抗側(cè)力構(gòu)件(柱、墻)截面太小或布置不當(dāng);若周期偏短，代表結(jié)構(gòu)過“剛”，所承擔(dān)的地震力偏大，說明抗側(cè)力構(gòu)件截面太大或墻的布置太多或墻的剛度太大(宜設(shè)置結(jié)構(gòu)洞減小其剛度)［4］。如果抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸、布置都很正常，如果自振周期偏差太大，需要重新檢查輸入數(shù)據(jù)是否有誤。對(duì)20層以上的高層建筑結(jié)構(gòu)，如果一切正常，其基本自振周期一般在2.0～3.0之間(次長(zhǎng)周期)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要增加地震力(調(diào)整系數(shù)取1.5～1.8)重新計(jì)算。另外就是控制結(jié)構(gòu)的周期比，周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)，目的是更有效更合理的布置抗側(cè)力的構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)不至出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)。《高規(guī)》第3.4.5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，從而增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。軟件并不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)計(jì)算書自行判定。實(shí)用周期比計(jì)算方法是:(1)扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期的判斷。在計(jì)算書中找出所有扭轉(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(jiǎn)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)，如果僅僅引起局部振動(dòng)，不能作為第一扭轉(zhuǎn)(平動(dòng))周期，然后從中取出下一個(gè)周期進(jìn)行考察，以此類推，直至選出位置［3］～［5］;(3)周期比計(jì)算:將第一扭轉(zhuǎn)周期值除以第一平動(dòng)周期即可。利用以上的方法就可以計(jì)算出周期比。

3.2 振型曲線

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要觀察結(jié)構(gòu)的位移大致曲線查驗(yàn)是否合理?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的位移曲線，具有剪切梁的特征，位移越往上增長(zhǎng)越慢，呈內(nèi)收型曲線;剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線，具有懸臂彎曲梁的特征，位移越往上增長(zhǎng)越快，呈外彎型曲線;框剪結(jié)構(gòu)及框筒結(jié)構(gòu)的位移曲線，介于以上兩者之間，呈反S型曲線、中部接近為直線［6］。對(duì)于豎向剛度和質(zhì)量比較均勻的結(jié)構(gòu)，如果計(jì)算正常，其振型曲線應(yīng)是比較連續(xù)光滑的曲線，不應(yīng)有大進(jìn)大出、大的凹凸曲折，否則需要檢查模型及參數(shù)輸入正確與否。

3.3 地震力

結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震力大小可用底部總剪力與結(jié)構(gòu)總質(zhì)量之比(剪質(zhì)比)來(lái)衡量。層數(shù)多、剛度小的結(jié)構(gòu)，其剪質(zhì)比偏小，宜適當(dāng)增大構(gòu)件截面或提高結(jié)構(gòu)剛度，從而增大地震力以保證結(jié)構(gòu)的安全;反之，地震力過大，宜適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)剛度，以取得合理的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)［7］～［9］。對(duì)框剪結(jié)構(gòu)，還要分析剪力墻部分所承受的地震傾覆力矩是否大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%，以檢查其框架部分的抗震等級(jí)確定的是否合適。

3.4 層間位移

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)。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。此外，對(duì)選擇偶然偏心，單向地震，雙向地震下的位移比，設(shè)計(jì)人員應(yīng)正確選用?？拐鹨?guī)范中規(guī)定了層間彈性位移角和層間彈塑性位移角限值，實(shí)際上為了控制層間水平位移不至過大，避免帶來(lái)結(jié)構(gòu)的P－Δ效應(yīng)［8］。如果計(jì)算結(jié)果顯示層間位移角超限，首先檢查基本數(shù)據(jù)正確與否，其次查看數(shù)據(jù)結(jié)果中位移角是普遍偏大還是局部偏大還是某層偏大，然后根據(jù)上面的結(jié)果采取相應(yīng)措施，比如調(diào)整柱子剪力墻截面，增加結(jié)構(gòu)剛度(如結(jié)構(gòu)拐角部位)等。

4 重要指標(biāo)查詢判定

4.1 剛度比

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)規(guī)范的要求，軟件提供了三種計(jì)算剛度比的方法，分別是剪切剛度、剪彎剛度和與地震力相應(yīng)的層間位移比。計(jì)算的關(guān)鍵在于正確把握這三種剛度比的計(jì)算方法和適用范圍。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;剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

4.2 層間受剪承載力之比

此參數(shù)也是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)，可參考《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》查詢其限值。

4.3 剛重比

剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是影響重力二階效的主要參數(shù)，也是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素。該值如果不滿足要求，可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)引起重視。

4.4 剪重比

剪重比是抗震設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。規(guī)定剪重比的目的在于結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，由此計(jì)算出來(lái)的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。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會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成更大的破壞，但采用振型分解法時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判斷。因此，規(guī)范規(guī)定了各樓層水平地震力的最小值，如果該值不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)束語(yǔ)

其他參數(shù)本文不再詳述。通過對(duì)以上參數(shù)修改校對(duì)模型，可以對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行合理優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)布置安全科學(xué)，降低工程成本，因此對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，不能完全依賴計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)。最終要對(duì)配筋作出合理性審核，不管是結(jié)構(gòu)平面布置與截面形式，還是鋼筋排數(shù)、直徑、架構(gòu)等，都要進(jìn)行仔細(xì)推敲，如果配置不合理或不便于施工的，還要做最后的調(diào)整計(jì)算，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最大程度的優(yōu)化。

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