[摘要]：在結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件日益普及的今天,人們對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的依賴性也越來越大,有時(shí)甚至過分地相信計(jì)算軟件,往往無法監(jiān)控其計(jì)算和處理的全過程，概念設(shè)計(jì)的作用由此凸顯。設(shè)計(jì)人員必須具備清晰的結(jié)構(gòu)概念，合理簡(jiǎn)化模型，并對(duì)所使用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的基本假定、計(jì)算模型和適用范圍有所了解,并從整體上控制結(jié)構(gòu)性能,這樣才能保證結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)、合理。
　　[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算模型設(shè)計(jì)參數(shù)合理性判別
　　1常用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件
　　一個(gè)好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)包含概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造措施等方面組成，而概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中又屬先行者且貫穿始終，概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)的靈魂。由于種種原因,目前的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件總是存在著一定的局限性、適用性和近似性,并非萬能。如:結(jié)構(gòu)的模型化誤差;非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響;樓板對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響;溫度變化在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的應(yīng)力;回填土對(duì)地下室約束相對(duì)剛度比;地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的相互作用等等都會(huì)使計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生偏差。正是因?yàn)槿绱?結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)對(duì)所用計(jì)算軟件的基本假定、力學(xué)模型及其適用范圍有所了解,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析判斷確認(rèn)其正確、合理、有效后方可用于工程設(shè)計(jì)。
　　目前,常用的結(jié)構(gòu)分析模型可分為兩大類:第一類為平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同分析模型;另一類為三維空間有限元分析模型。日常設(shè)計(jì)中常用的幾種結(jié)構(gòu)分析軟件如下：
　　ETABS軟件。它是由美國(guó)Berkeley地震工程研究中心開發(fā)的高層建筑三維專用有限元分析軟件,其特點(diǎn)是采用空間桿單元模擬梁、柱、支撐構(gòu)件,采用膜元模型來模擬剪力墻,樓板可采用平面內(nèi)無限剛假定、分塊無限剛假定和彈性假定。ETABS采用空間協(xié)同工作體系,是準(zhǔn)三維分析程序。其主要優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行編制,使用起來比較方便。不足之處是它并非完全三維空間分析程序,協(xié)同工作假定帶來一定的計(jì)算誤差,同時(shí),對(duì)剪力墻的模型化假定也使得分析結(jié)果偏柔。
　　90年代中期出現(xiàn)的SAP2000軟件。SAP2000以空間桿單元模擬梁、柱、支撐,以殼元模擬剪力墻。可以進(jìn)行線性靜、動(dòng)力反應(yīng)分析,也可以進(jìn)行非線性靜、動(dòng)力反應(yīng)分析、推覆分析和P-Δ效應(yīng)分析等，適用范圍廣泛。但SAP2000價(jià)格昂貴、前后處理工作量大且與我國(guó)規(guī)范不相符合,在我國(guó)的應(yīng)用和推廣受到一定的制約，近兩年這一情況得以改善，引用面在逐漸擴(kuò)大。
　　中國(guó)建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM設(shè)計(jì)軟件（又稱PKPMCAD），一套集建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備（給排水、采暖、通風(fēng)空調(diào)、電氣）設(shè)計(jì)于一體的集成化CAD系統(tǒng)。它在國(guó)內(nèi)的通用性使其在設(shè)計(jì)行業(yè)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。其SATWE模塊是專門為多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,適用于各種復(fù)雜體型的高層鋼筋混凝土框架、框剪、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等,也適用于混凝土-鋼混合結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也應(yīng)用最為廣泛。所以我們著重討論此軟件的應(yīng)用。
　　2SATWE分析模型與關(guān)鍵控制參數(shù)
　　中國(guó)建筑科學(xué)研究院的SATWE是用墻元來模擬剪力墻，其墻元是在板殼單元的基礎(chǔ)上構(gòu)造出的一種通用墻元,它采用靜力凝聚原理將由于墻元的細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去,將其剛度凝聚到邊界節(jié)點(diǎn)上,從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度,而且墻元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有空間全部6個(gè)自由度,可以方便地與任意空間梁、柱單元連接,而無需任何附加約束,同時(shí)也降低了剪力墻的幾何描述和板殼單元?jiǎng)澐值碾y度,提高了分析效率。SATWE剪力墻模型既有平面內(nèi)剛度,又有平面外剛度,樓板既可以按彈性考慮,也可按剛性板考慮,這是一種接近實(shí)際情況的模型。但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師使用時(shí)應(yīng)該從整體上來把握和控制結(jié)構(gòu)體系的各項(xiàng)性能,對(duì)內(nèi)力異常的構(gòu)件或部位,從明確的結(jié)構(gòu)概念出發(fā)來分析和處理,從而確保結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性。具體如下:
　　1)剪重比控制:
　　剪重比，指結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力與該層及其上各層總重力荷載代表值的比值,一般是指底層水平剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值之比。主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性。《高規(guī)》表3.3.13及《抗規(guī)》表5.2.5規(guī)定了最小值。它在某種程度上反映了結(jié)構(gòu)的剛?cè)岢潭取＜糁乇葢?yīng)在一個(gè)比較合理的范圍內(nèi),以保證結(jié)構(gòu)整體剛度的適中。剪重比太小,說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏柔,在水平荷載或水平地震作用下將產(chǎn)生過大的水平位移或?qū)娱g位移;剪重比太大,說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏剛,會(huì)引起很大的地震內(nèi)力,不經(jīng)濟(jì)。
　　2)位移比控制:
　　位移比是指樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)的平均值之比。主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免形成扭轉(zhuǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。《抗規(guī)》3.4.3條規(guī)定：構(gòu)件最大位移和層間位移不大于兩端位移的1.5倍。《高規(guī)》4.3.5條規(guī)定：構(gòu)件最大位移和層間位移A類不大于平均位移的1.5倍。B類不大于平均位移的1.4倍。位移比的大小是反映結(jié)構(gòu)平面規(guī)則與否的重要依據(jù),它是結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對(duì)關(guān)系,而非其絕對(duì)大小,它的目的是使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的布置更有效、更合理。
　　3)周期比控制:
　　周期比是指結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動(dòng)為主的第一周期T1的比值,其主要目的是控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來不利影響。《高規(guī)》第4.3.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比，
　　A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。目前SATWE程序不能直接輸出，需自行計(jì)算。在二個(gè)平動(dòng)一個(gè)扭轉(zhuǎn)構(gòu)成的三個(gè)方向因子中，當(dāng)轉(zhuǎn)因子大于0.5，可視為該振型以扭轉(zhuǎn)為主。周期比實(shí)際上反映了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和側(cè)向剛度之間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系,同時(shí)也反映了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置的合理性和有效性。
　　4)層剛度比控制:
　　主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。地震剪力和層間位移的比值《抗規(guī)》3.4.2及3.4.3條、《高規(guī)》4.4.2均規(guī)定：樓層側(cè)向剛度不小于上層的70%，或上三層平均剛度的80%。層剛度比較直觀地反映了結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度沿豎向分布的均勻程度,它是衡量結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則與否的重要標(biāo)志。
　　3SATWE設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選取
　　合理的應(yīng)用SATWE軟件,使選擇參數(shù)更符合規(guī)范條文及實(shí)際工程就變得尤為重要。
　　3.1抗震等級(jí)確定
　　(1)規(guī)范中抗震等級(jí)均指”丙”類建筑，如果是”甲”、”乙”、”丁”則需按規(guī)范要求對(duì)抗震等級(jí)進(jìn)行調(diào)整：例如醫(yī)院。
　　(2)接近或等于高度分界時(shí)，應(yīng)結(jié)合房屋不規(guī)則程度及場(chǎng)地、地基條件適當(dāng)確定抗震等級(jí)：
　　(3)當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)置在3層及3層以上時(shí)，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震墻等級(jí)宜按《抗規(guī)》6.1.2條或《高規(guī)》4.8條查得的抗震等級(jí)提高一級(jí)采用，已為特一級(jí)時(shí)可不再提高。
　　(4)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)也應(yīng)按《抗規(guī)》6.1.2條或《高規(guī)》4.8條查得的抗震等級(jí)提高一級(jí)采用。但注意對(duì)多層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)可不提高。
　　(5)需注意：鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)沒有抗震等級(jí)，計(jì)算時(shí)可選”5”不考慮抗震構(gòu)造措施。
　　3.2振型組合數(shù)的選取
　　在計(jì)算地震力時(shí)，振型個(gè)數(shù)的選取應(yīng)使振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90％以上所需的振型數(shù)。同時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
　　(1)振型數(shù)不能超過結(jié)構(gòu)固有的振型總數(shù)，因一個(gè)樓層最多只有三個(gè)有效動(dòng)力自由度，所以一個(gè)樓層也就最多可選3個(gè)振型。如果所選振型多于結(jié)構(gòu)固有的振型總數(shù)則會(huì)造成地震力計(jì)算異常。
　　(2)對(duì)于進(jìn)行藕聯(lián)計(jì)算的結(jié)構(gòu)，所選振型數(shù)應(yīng)大于9個(gè)，多塔結(jié)構(gòu)應(yīng)更多些，但要注意應(yīng)是3的倍數(shù)。
　　3.3地震力與風(fēng)力作用方向
　　(1)設(shè)計(jì)應(yīng)注意查看SATWE文本文件“周期、振型、地震力”WZQOUT，程序輸出結(jié)果中給出了地震作用的最大方向是否與設(shè)計(jì)假定一致，對(duì)于交角≥150日寸應(yīng)將此方向輸入重新計(jì)算。
　　(2)對(duì)于主體結(jié)構(gòu)中存在有斜向放置的梁、柱時(shí)，也要分別計(jì)算各抗力構(gòu)件方向的水平地震力。
　　3.4周期折減系數(shù)
　　周期折減是強(qiáng)制性條文，但折減多少則不是強(qiáng)制性條文，這就要求在折減時(shí)慎重考慮，即不能折得太多，也不能折得太少，因?yàn)檎蹨p不僅影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，同時(shí)還影響結(jié)構(gòu)的位移。例如：填充墻為輕質(zhì)墻的框架就可以少折點(diǎn)。
　　3.5活荷載折減系數(shù)
　　活荷折減系數(shù)使用時(shí)應(yīng)注意軟件默認(rèn)的是按住宅取用的，當(dāng)不屬于這種情況(如工業(yè)設(shè)計(jì)時(shí))時(shí)應(yīng)按規(guī)范取用。
　　3.6關(guān)于柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)
　　現(xiàn)在實(shí)際工程中有的柱連續(xù)走兩到三層計(jì)算時(shí)應(yīng)注意把每層的柱取相同的計(jì)算長(zhǎng)度，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)不真實(shí)。
　　3.7關(guān)于梁的幾個(gè)調(diào)整系數(shù)
　　(1)針對(duì)梁剛度的凋整系數(shù)Bk，對(duì)于預(yù)制樓板，板柱體系的等代梁則取1．0。注意此放大系數(shù)對(duì)連梁不起作用。
　　(2)對(duì)于負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)Bt要注意：a、程序隱含規(guī)定鋼梁為不調(diào)幅的梁；b、不要將梁跨中彎矩增大系數(shù)與其混淆。
　　(3)梁彎矩放大系數(shù)Bm，選用時(shí)應(yīng)注意，如果考慮活載不利布置時(shí)此系數(shù)應(yīng)取為1．0，否則配筋量將增大15％左右。
　　(4)連梁剛度折減系數(shù)Blz要注意如果連梁的跨高比≥5時(shí)，建議按框架梁輸入，因此時(shí)梁往往是受彎為主。剛度不應(yīng)折減。
　　(5)梁扭矩折減系數(shù)程序規(guī)定對(duì)于不與剛性樓板相連的梁及弧梁，此系數(shù)不起作用。
　　3.8關(guān)于偶然質(zhì)量偏心
　　對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)必須選此項(xiàng)，主要用來判斷結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性，見《高規(guī)》4．3．5條。特別注意此時(shí)，必須對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用”剛性假定”，執(zhí)行這一開關(guān)后所計(jì)算的地震力、桿件內(nèi)力均不能用，僅僅用來判斷樓層的最大水平位移與層間位移比值。注意：對(duì)一個(gè)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，帶有彈性樓板的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)算兩遍，一是強(qiáng)樓板剛性控制位移；二是按真實(shí)情況計(jì)算地震力、桿件內(nèi)力。
　　3.9關(guān)于雙向地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)
　　《高規(guī)》3．3．3條要求：“計(jì)算單向地震力時(shí)應(yīng)考慮偶然偏心的影響：而條文說明當(dāng)計(jì)算雙向地震作用時(shí)，可不考慮質(zhì)量偶然偏心的影響”。
　　3.10關(guān)于樓層剛度的計(jì)算方法的選取
　　程序給出了三種計(jì)算方法，三種計(jì)算方法給出差別較大的剛度比，所以設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況做出正確選擇，可按下列原則選取：
　　(1)剪切剛度：即《高規(guī)》附錄E．0．1建議的方法，對(duì)于底層大空間層數(shù)為一層時(shí)，可近似采用轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比表示轉(zhuǎn)換層上、下層的剛度變化。此時(shí)可近似只考慮剪切變形的影響，適用于多層(砌體、磚混底框)，不帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)也宜選用此項(xiàng)。
　　(2)剪彎剛度：即《高規(guī))附錄E．0．2建議的方法(是按有限元法，通過加單位力來計(jì)算的)，對(duì)于底層大空問層數(shù)大于一層時(shí)，可近似采用轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效剪彎剛度比表示轉(zhuǎn)換層上、下層的剛度變化。此時(shí)同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)剪切變形和彎曲變形的影響，適用于帶斜撐的鋼結(jié)構(gòu)，不帶轉(zhuǎn)換層的框架一剪力墻結(jié)構(gòu)也宜選用此項(xiàng)。
　　(3)地震剪力與地震層問位移比值：即《抗規(guī)》建議的方法，適用于其它多層建筑結(jié)構(gòu)。注意：a、上述三種方法計(jì)算的剛度含義是不同的，差異較大，如僅有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層的簡(jiǎn)單框架結(jié)構(gòu)，按方法1，2計(jì)算各層的剛度都相同，按方法3計(jì)算各層的剛度不相同。b、對(duì)高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(8度三層以上，7度五層以上)，建議人工按《高規(guī)》附錄E．0．2分別建兩個(gè)模計(jì)算。
　　3.11關(guān)于上部結(jié)構(gòu)嵌固端的選取
　　《高規(guī)》5．2．7條規(guī)定：當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固層時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的2倍，而規(guī)范中設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)所對(duì)應(yīng)的底層即指嵌固層樓板。因此，正確選取嵌固層就成為結(jié)構(gòu)整體計(jì)算是否正確的關(guān)。
　　2．12彈性樓板的選取
　　對(duì)于各種樓板的應(yīng)用范圍可采用如下方法確定：
　　(1)彈性樓板6假定，一般用于板柱結(jié)構(gòu)和板柱抗震墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算。
　　(2)彈性樓板3假定是針對(duì)厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換厚板提出的。
　　(3)彈性膜假定，主要針對(duì)空曠的工業(yè)廠房和體育場(chǎng)館結(jié)構(gòu)、樓板局部開大洞結(jié)構(gòu)、樓板平面較長(zhǎng)或有較大凹人以及平面弱連接結(jié)構(gòu)等。
　　4結(jié)語
　　總之，抗震分析是建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的一個(gè)重要方面，僅憑計(jì)算分析是不能保證結(jié)構(gòu)安全的,抗震概念設(shè)計(jì)就成為抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分,它應(yīng)該貫穿于結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和細(xì)部構(gòu)造的全過程。1)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),選擇合適的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件,并應(yīng)了解軟件的基本假定、計(jì)算模型和適用范圍。2)根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的特點(diǎn),對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)采取必要的技術(shù)處理,使計(jì)算模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能地接近,以滿足工程設(shè)計(jì)精度的要求。計(jì)算軟件只是工具，從整體上把握結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能,才能真正用好工具，做出合格的設(shè)計(jì)。
　　參考文獻(xiàn)
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