SATWE 參數(shù)選取及合理性判斷總結(jié)

任雁飛

（中國輕工業(yè)西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710001）

引言

在混凝土多、高層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，我們經(jīng)常使用PKPM 系列軟件中的SATWE 模塊進(jìn)行電算，而計算參數(shù)的合理選取對保證結(jié)構(gòu)安全，控制含鋼量及混凝土用量指標(biāo)作用非常明顯。本人根據(jù)自己在設(shè)計中的實踐經(jīng)驗及對規(guī)范和設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)，總結(jié)了如下幾個方面，供大家學(xué)習(xí)和參考：

一、總信息中幾個重要參數(shù)的合理取值

在結(jié)構(gòu)整體計算前，我們要進(jìn)入SATWE 中的前處理界面，對總體參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置，這樣才能保證計算的合理性和經(jīng)濟(jì)性。除了風(fēng)荷載信息和地震信息這些在規(guī)范中明確規(guī)定的參數(shù)外，總體參數(shù)還包括：周期折減系數(shù)、振型數(shù)、剛性樓板假定以及考慮偶然偏心及地震作用扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這些參數(shù)在計算前很難估計準(zhǔn)確，需要經(jīng)過多次試算才能得到。下面對這些指標(biāo)逐一進(jìn)行闡述。

（一）周期折減系數(shù)

結(jié)構(gòu)整體計算分析時，只考慮主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件（梁、柱、剪力墻等）的剛度，沒有考慮非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件（非承重砌體墻）的剛度，因而計算的自振周期較實際的偏長，結(jié)構(gòu)計算剛度就會小于實際剛度，由計算剛度求得的結(jié)構(gòu)自振周期大于實際周期，按這一周期計算的地震力就會偏小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分析偏于不安全。針對此情況，應(yīng)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）4.3.16 及4.3.17 的規(guī)定，計算各振型結(jié)構(gòu)自振周期時應(yīng)考慮非承重墻體的剛度影響予以折減。規(guī)范建議取值：框架結(jié)構(gòu)可取0.6～0.7；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)可取0.7～0.8；框架-核心筒結(jié)構(gòu)可取0.8～0.9；剪力墻結(jié)構(gòu)可取0.8～1.0。具體折減數(shù)值應(yīng)根據(jù)填充墻的多少及其對結(jié)構(gòu)整體剛度影響的強(qiáng)弱來確定，總體原則是砌體墻多取小值，砌體墻少則取大值。

（二）振型數(shù)

地震力的振型組合個數(shù)，規(guī)范并沒有明確要求，振型數(shù)主要與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)形式有關(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)也應(yīng)相應(yīng)取得多些。當(dāng)不考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算時，至少應(yīng)取3。當(dāng)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時，最好大于等于9。一般可按2～3 倍樓層數(shù)取值?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）5.1.13 對B 級高度的高層結(jié)構(gòu)及復(fù)雜高層尚規(guī)定振型數(shù)不應(yīng)小于15，對多塔樓結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓樓數(shù)的9倍?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》GB50011-2010（2016年版））5.2.2 條文說明指出：振型個數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%所需的振型數(shù)。但是，振型數(shù)并非越多越好，指定的振型數(shù)不能超過結(jié)構(gòu)固有振型的總數(shù)，否則會造成地震作用異常。對采用全樓強(qiáng)制剛性樓板假定的計算，由于每塊剛性樓板只有三個有效動力自由度，所以當(dāng)振型組合數(shù)已增加至結(jié)構(gòu)層數(shù)的3 倍，其有效質(zhì)量仍不能滿足要求時，此時不再增加振型數(shù)，應(yīng)考慮方案的合理性。

（三）全樓強(qiáng)制剛性樓板假定

結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用全樓強(qiáng)制剛性樓板假定，此時樓板平面內(nèi)剛度無限大，平面外剛度為0，這樣將大大減少結(jié)構(gòu)的自由度，使計算簡化，但此時平均位移計算才是準(zhǔn)確的，這是因為位移參數(shù)公式是在樓板作為樓層質(zhì)點這個假定下才能使用。所以當(dāng)用SATWE 計算位移時，需選擇全樓強(qiáng)制剛性樓板假定，其他的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計不選擇此項，故應(yīng)分兩次計算，在全樓剛性假定下計算位移比、周期比、剛度比等控制比值，在真實條件下完成其他計算。目前pkpm 軟件已經(jīng)可以實現(xiàn)全樓強(qiáng)制剛性樓板假定的包絡(luò)計算，只要勾選“僅整體指標(biāo)采用”這一選項，軟件就可以自動完成“強(qiáng)剛”和“非強(qiáng)剛”兩個模型的計算，并在結(jié)果中提供強(qiáng)剛模型的整體指標(biāo)（包括位移比、周期比、剛度比等）及非強(qiáng)剛模型完整的分析和設(shè)計結(jié)果。但是對于大跨度、大空間的空曠結(jié)構(gòu)，如體育場館、影劇院等，橫向抗側(cè)移剛度很差，采用剛性樓板假定會帶來較大的計算誤差，因此，對于這類結(jié)構(gòu)就不宜進(jìn)行剛性樓板假定，這時要采用彈性方法計算。

（四）考慮偶然偏心及地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）中4.3 節(jié)規(guī)定，質(zhì)量與剛度分布明顯不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計算雙向水平地震下的扭轉(zhuǎn)影響，其他情況，應(yīng)計算單向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。同時規(guī)定，計算單向地震作用時應(yīng)考慮偶然偏心的影響。這是因為結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，不對稱，結(jié)構(gòu)的荷載分布和取值、構(gòu)件布置不均勻、不對稱，各層質(zhì)心、剛心不重合，地震時就會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而且在地震動力反應(yīng)過程中，由于實際地震地面扭轉(zhuǎn)運動的影響，在現(xiàn)有條件下采用附加偶然偏心作用計算是一種較為實用而簡便的方法。歐美等國家和地區(qū)的抗震規(guī)范也都規(guī)定計算地震作用時應(yīng)考慮附加偶然偏心，偶然偏心距的取值多為0.05L?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）3.7.3 條注規(guī)定，抗震設(shè)計時，樓層位移計算可不考慮偶然偏心的影響。同時在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）條文說明4.3.3 節(jié)所解釋，當(dāng)計算雙向地震作用時，可不考慮偶然偏心的影響，但應(yīng)與單向地震作用考慮偶然偏心的計算結(jié)果進(jìn)行比較，取不利的情況進(jìn)行設(shè)計。也就是說，在采用《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）公式4.3.10-7和公式4.3.10-8計算時，其中的“Sx”和“Sy”應(yīng)采用無偶然偏心的地震作用效應(yīng)EX、EY；采用《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）公式4.3.10-5 計算時，其中的“Sj”和“Sk”應(yīng)采用單向地震作用考慮偶然偏心的計地震作用效應(yīng)EXM、EYM 進(jìn)行比較，取不利的情況進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計時，本人會同時選取“考慮偶然偏心”和“考慮雙向地震作用”，讓程序?qū)煞N情況都進(jìn)行位移計算，并參與內(nèi)力組合，取不利的情況進(jìn)行設(shè)計。

二、計算結(jié)果的整體性判斷

整體結(jié)構(gòu)的合理性是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的核心部分，整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性也是當(dāng)下規(guī)范體系特別強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容，無論采用何種結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置都應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和承載力分布，符合概念設(shè)計的要求。在工程設(shè)計中，設(shè)計人員必須認(rèn)認(rèn)真真地執(zhí)行計算，一步一步地調(diào)整，經(jīng)過“計算—調(diào)整—再計算—再調(diào)整”的多次反復(fù)的計算調(diào)整過程，才能使結(jié)構(gòu)達(dá)到相對的最佳。這些整體控制指標(biāo)包括周期比、位移比、層間位移角以及剛重比?，F(xiàn)將這幾個重要控制指標(biāo)逐一進(jìn)行分析。

（一）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)。對周期比進(jìn)行控制主要是為了限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，以此限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更合理。多次震害表明，過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。實驗證明，當(dāng)Tt與T1較接近時，由于振動耦聯(lián)的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將明顯增大。故抗震計算中，應(yīng)采取必要措施減少Tt/T1值，使結(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）3.4.5 條規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A 級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9。周期比控制不是要求結(jié)構(gòu)足夠剛，而且要求結(jié)構(gòu)承載力布局合理，設(shè)計中，當(dāng)不滿足周期比的上限值要求時，應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，基本做法就是增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件（主要是沿第一振型轉(zhuǎn)角方向）的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件（主要是沿第三振型轉(zhuǎn)角方向）的剛度。

（二）位移比

位移比是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的重要指標(biāo)，限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的另一措施是限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免質(zhì)量與剛度的過大偏心。在規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）大于樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.2 倍則為平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）3.4.5 規(guī)定：在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，A 級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2 倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5 倍。當(dāng)位移比不滿足規(guī)范要求時，應(yīng)改變結(jié)構(gòu)平面布置，減少結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的偏心距，調(diào)整時，可以在程序中找到位移最大的節(jié)點，加強(qiáng)該節(jié)點對應(yīng)的墻、柱等構(gòu)件的剛度，也可找出位移最小的節(jié)點削弱其剛度。

（三）層間位移角

正常使用條件下，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求，樓層位移控制便是一個宏觀的側(cè)向剛度指標(biāo)。為便于工程應(yīng)用，規(guī)范采用了按彈性方法計算的風(fēng)荷載和多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比Δu/h，即層間位移角作為控制指標(biāo)。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010(2016年版)5.5.1 規(guī)定結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角不應(yīng)大于1/550（鋼筋混凝土框架）、1/800（鋼筋混凝土框架-抗震墻、板柱-抗震墻、框架-核心筒）、1/1000（鋼筋混凝土抗震墻、筒中筒、鋼筋混凝土框支層）?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》GB50011-2010(2016年版)條文說明5.5.1 也說明了采用層間位移角作為衡量結(jié)構(gòu)變形能力從而判別是否滿足建筑功能要求的指標(biāo)是合理的。

（四）剛重比

剛重比是結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)，主要是為限制結(jié)構(gòu)豎向布置不規(guī)則，避免結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變，形成薄弱層。結(jié)構(gòu)的剛度和重力荷載之比稱為剛重比。它是影響重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)，且重力二階效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)剛重比的降低呈雙曲線關(guān)系增加。高層建筑在重力荷載作用下產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性很小，但在風(fēng)荷載或水平地震作用下，若重力二階效應(yīng)過大則會引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，故控制好結(jié)構(gòu)的剛重比，就可以控制結(jié)構(gòu)不致失穩(wěn)、倒塌。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）5.4.1及5.4.4 規(guī)定，對于剪切型的框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)剛重比大于10 時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以滿足；當(dāng)剛重比大于20 時，可以不考慮重力二階效應(yīng)。對于彎剪型的剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)，當(dāng)剛重比大于1.4 時，結(jié)構(gòu)能夠保持整體穩(wěn)定；當(dāng)剛重比大于2.7 時，可以不考慮重力二階效應(yīng)。剛重比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的剛度相對于重力荷載過小，應(yīng)改變結(jié)構(gòu)布置，加強(qiáng)墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。

三、總結(jié)

建筑結(jié)構(gòu)整體設(shè)計是極為重要的環(huán)節(jié)，構(gòu)件計算不超筋，并不代表截面過大，浪費材料，不能為了節(jié)省材料而減小構(gòu)件截面，構(gòu)件的截面大小會直接影響結(jié)構(gòu)的剛度，從而結(jié)構(gòu)整體的周期比、位移比、地震力等一系列參數(shù)都會受到影響，所以結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)深入理解規(guī)范體系中各控制參數(shù)的實質(zhì)意義，并應(yīng)當(dāng)熟練掌握調(diào)整各參數(shù)的方法，這樣有助于提高結(jié)構(gòu)整體控制的效率，也有助于使結(jié)構(gòu)更加合理。在結(jié)構(gòu)方案合理的前提下，對結(jié)構(gòu)整體計算參數(shù)進(jìn)行合理化取值，確保結(jié)構(gòu)安全的同時，還能有效控制主體鋼筋及混凝土的用量，降低土建成本，有著重要意義。以上內(nèi)容是大家做設(shè)計時經(jīng)常會遇到并拿出來討論的共性問題，本人在此做出總結(jié)，希望對結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計提供一定參考。