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

陳萬杰

【摘 要】本文以SATWE為例，討論了建筑結(jié)構(gòu)在運(yùn)用設(shè)計軟件設(shè)計時，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)計算結(jié)果判斷各項設(shè)計指標(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)計中，計算機(jī)輔助設(shè)計已經(jīng)非常普及，如何正確運(yùn)用設(shè)計軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以滿足現(xiàn)行國家規(guī)范的要求，是每個設(shè)計人員都非常關(guān)心的問題。下面以SATWE為例進(jìn)行討論。

1.完成整體參數(shù)的正確設(shè)置

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

（1）振型組合數(shù)是軟件在做抗震計算時考慮振型的數(shù)量。該值取值太小不能正確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，使計算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費(fèi)時間，還可能使計算結(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，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)計經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一個振型數(shù)計算后考察有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型個數(shù)，直到x，y兩個方向的有效質(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，那么必然存在某個角度是結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最不利方向。設(shè)計軟件可以自動計算出最大地震力作用方向并在計算結(jié)果中輸出，設(shè)計人員如發(fā)現(xiàn)該角度絕對值大于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”選項里并重新計算，以體現(xiàn)最不利地震作用方向的影響。（3）結(jié)構(gòu)基本周期是計算風(fēng)荷載的重要指標(biāo)。設(shè)計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，待計算后從計算書中讀取其值，填入軟件的“結(jié)構(gòu)基本周期”選項，重新計算即可。

2.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?，F(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)?！陡咭?guī)》第4.3.5條對結(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)計人員需要調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置。

設(shè)計軟件通常不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比，需要設(shè)計人員根據(jù)計算結(jié)果自行判定第一扭轉(zhuǎn)（平動）周期。以下介紹實(shí)用周期比計算方法：1）扭轉(zhuǎn)周期與平動周期的判斷：從計算結(jié)果中找出所有扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5的平動周期，按周期值從大到小排列。同理，將所有平動系數(shù)大于0.5的平動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）周期，查看軟件的“結(jié)構(gòu)整體空間振動簡圖”，看該周期值所對應(yīng)的振型的空間振動是否為整體振動，如果其僅僅引起局部振動，則不能作為第一扭轉(zhuǎn)（平動）周期，要依次查看每一個周期，至到找出不僅周期值較大而且其對應(yīng)的振型為結(jié)構(gòu)整體振動的值即為第一扭轉(zhuǎn)（平動）周期；3）周期比計算：第一扭轉(zhuǎn)周期除以第一平動周期。

（2）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)計規(guī)范》和《高規(guī)》中均有明確的規(guī)定，這里不再贅述。需要指出的是，現(xiàn)行規(guī)范中的位移比限值是按剛性板假定做出的，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)置時選擇“對所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”，以便計算出正確的位移比。在位移比滿足要求后再去掉該選擇來進(jìn)行后續(xù)配筋的計算。

（3）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)識這三種剛度比的計算方法和適用范圍是剛度比計算的關(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算剛度比。

（4）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。

（5）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。

（6）剪重比是抗震設(shè)計中非常重要的參數(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。而對于長周期結(jié)構(gòu)，地震動態(tài)作用下的地面加速度和位移可能對結(jié)構(gòu)具有更大的破壞作用，但采用振型分解法時無法對此作出準(zhǔn)確的計算。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。

3.結(jié)語

上述以外，設(shè)計軟件還會按照規(guī)范的要求對整體結(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。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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[3]多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件（墻元模型）用戶手冊及技術(shù)條件中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部，2008，10.

[4]PKPM結(jié)構(gòu)軟件若干常見問題剖析.中國建筑工業(yè)出版社，2009.