如何正确分析判断结构设计电算结果

如何正确分析判断结构设计电算结果

李志锋

(北京义盛建筑设计所 北京 101300 IndustrialConstructionVol137,Supplement,2007

工业建筑 2007年第37卷增刊429)

摘 要:结合SATWE软件的参数输入,通过对计算结果进行分析,判断出其正确与否。确定是否需要对设计方案或输入数据进行修改,以及应从哪些方面进行修改,使下一步的设计更加有针对性。从而避免设计工作中的盲目性,提高工作效率和设计的准确性。

关键词:建筑结构设计 计算结果 分析 判断

HOWTOANALYSEANDJUDGETHESTRUCTURALDESIGN CALCULATIONRESULTSOFBUILDING LiZhifeng

(ArchitecturalDesignInstituteofBeijingYisheng Beijing 101300)

Abstract:ThenecessityonanalysisandidentificationofcalculationresultsforbuildingdesignisexplainedwiththeSATWEstructuralsoftware,whichcanavoidtheblindnessofthedesign,andimproveworkingefficiencyandaccuracyofthedesign1

Keywords:structuraldesignforbuilding calculatingresult analysis identification 作 者:李志锋 男 1975年10月出生 国家一级注册结构工程师 收稿日期:2007-01-25

目前,采用计算机软件尤其是采用一体化计算机软件进行结构分析和设计非常普遍。工程计算软件的出现,使工程师们摆脱了烦琐的手工计算,可以通过更为精确的方法来计算结构的各项指标。但是工程师们在熟练掌握软件操作技能的同时,还必须了解其所建计算模型与真实结构之间的差异。目前建筑结构计算均采用计算机进行,一个工程需要输入大量的数据,出错机会非常多。如果原始数据有问题就会导致计算结果产生错误。因此,对计算参数输入的正确性、计算结果的合理性、可靠性的判断非常必要。其中输入正确的计算参数尤为必要。本文就结合SATWE计算软件为例简要介绍一下计算参数输入时注意的一些问题以及如何判断计算结果的合理性、可靠性。 1 计算参数输入

SATWE是应现代多、高层建筑发展要求专门为多高层建筑设计而研制的空间组合结构有限元分析软件。SATWE采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件,用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。该软件现在工程上使用相当普遍,如果模型、参数输入错误,将得出不正确的计算结果,影响整个结构的安全,故参数正确输入非常重要。以下几项SATWE中的参数在平常工程设计中容易输入错误,

应予以注意,其他结构计算软件也可参考。 1)混凝土重度

一般情况下,钢筋混凝土重度取25.0kN/m3当考虑构件表面粉刷重量后,混凝土重度宜取27～30kN/m3。一般多层混凝土框架可取27.0kN/m3。

如果不想让程序计算梁、柱的自重荷载,该参数可为0.有不少设计人员取25.0kN/m3,但在其他方面没有考虑构件表面粉刷重量,从而引起结构重力荷载偏小,地震作用偏小,结构安全度降低。

2)钢材重度

一般情况下,钢材重度取78.0kN/m3。当考虑构件表面装修层重量后,钢材重度可比78.0kN/m3适当增大后采用。

3)墙元细分最大控制长度对于一般工程取2.0m,对于框支剪力墙结构1.5m或1.0m。注意区分一般工程和框支剪力墙结构。

4)恒、活荷载计算信息

这是竖向力计算控制参数。[模拟施工加载1]是考虑竖向恒载分层加载,逐层找平因素影响的一种算法。[模拟施工加载2]是将竖向构件(柱、墙)的刚度放大10倍后再做[模拟施工加载1]的算法。采用[模拟施工加载2]时,计算出的传给基础的力较为均匀合理,可以避免墙轴力远大于柱轴力的不合理情形。由于竖向构件的刚度放大,将使得水平梁的两端竖向位移差减小,这样就削弱了楼面荷载因刚度不匀而导致的应力重分配,所以[模拟施工加载2]的荷载分配结果,更接近于手算结果。对一般的多、高层建筑取[模拟施工加载1],依据见《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)5.1.9条;高层建筑进行重力荷载作用效应分析时,柱、墙轴向变形宜考虑施工过程的影响。施工过程的模拟可根据需要采用适当的简化方法。当进行框剪结构或框-筒结构基础计算时,取[模拟施工加载2]。对框剪结构建议在进行上部结构计算时采用[模拟施工加载1],在进行基础计算时采用[模拟施工加载2]。

5)体型分段数

多、高层结构立面变化较大,不同区段内的体型系数可能不同,软件限定体型系数为三段。若建筑物立面体型无变化时填1。对于基础梁与上部结构共同分析计算的多层框架或地下室顶板不作为上部结构嵌固端的高层来说,可将体型分段数填为2,同时将±0.000以下的体型系数填为0,以去掉±0.000以下部分的风荷载。这点容易忽视。

6)各段体型系数

高层按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)3.2.5条取值,一般高宽比H/B不大于4的矩形、方形、十字形平面建筑取1.3。其他按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)表7.3.1取值。

7)结构规则性信息

按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)3.4.2条的规定判断具体结构的规

则性。一般而言,可根据楼层最大位移与平均位移之比判断,若该值超过位移比下限1.2较多,则应认为不规则。

8)梁柱重叠部分简化为刚域

“不作为刚域”是将梁柱重叠部分作为梁长度的一部分进行计算,而“作为刚域”是将梁柱重叠部分作为柱宽度进行计算。此项选择对结构的刚度、周期、位移、梁的内力计算等均会产生一定的影响,尤其是梁的弯矩值。一般而言,对于异形柱结构,宜采用“梁柱重叠部分简化为刚域”,对于矩形柱结构,可以将其作为一种安全储备而不选择它。

9)考虑偶然偏心

偶然偏心指的是由偶然因素引起的结构质量分布的变化,会导致结构固有振动特性的变化,因而结构在相同地震作用下的反应也将发生变化。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)3.3.3条:计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。单向地震计算时选[是],双向地震计算时选[否]。不过要注意根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)4.3.5条规定,计算位移比时必须考虑偶然偏心的影响;但根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)4.6.3条注的规定,计算楼层层间最大位移与层高之比时不考虑偶然偏心的影响。考虑偶然偏心计算时,对结构的荷载、周期、竖向位移、风荷载作用下的位移及结构的剪重比没有影响,而对结构的地震力和地震力下的位移有较大增长,平均增大18.5%,对梁柱配梁平均增大2%～3%。

10)考虑双向地震作用

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)5.1.1条第3款:质量和刚度分布明显不对称的结

构,应计入双向地震作用下的扭转影响;《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)3.3.3条条文说明:当计算双向地震作用时,可不考虑质量偶然偏心的影响。对于多层结构而言,如果比较规则,可以通过《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)5.2.5条(剪重比的要求)来考虑结构的扭转和偶然偏心。对于高层结构来说,如果结构比较规则,应考虑偶然偏心,不必考虑双向地震作用;对于不规则结构,不论多层还是高层均应考虑双向地震作用,此时可不考虑偶然偏心。

11)计算振型个数

一般情况下为3的倍数,应不小于9,多塔时应≥12,对高层建筑可先取15,多层建筑可取3n(n为结构模型的层数)。需要注意的是:指定的振型数不能超过结构的固有振型总数,否则会导致程序计算结果异常;对于B级高度的高层建筑和复杂高层建筑结构,《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)5.1.13条第2款还有要求:抗震计算时,宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应,振型数不应小于15,对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。不论何种结构类型,工程师应保证各地震方向的振型参与质量都超过总质量的90%作为选取足够的结构计算振型数的唯一判断条件。有效质量的参与数见SATWE试算后的WZQ1OUT文件。

12)柱墙设计时活荷载

作用在楼面上的活荷载,不可能以标准值的大小同时布满在所有楼面上,因此在设计梁、墙、柱和基础时,还要考虑实际荷载沿楼面分布的差异情况,也即在确定梁、墙、柱和基础的荷载标准值时,还应按楼面活荷载标准值乘以折减系数后取用,故建筑结构在进行柱、墙设计时,应对其承受的活荷载进行 折减。点选后,程序根据《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2001)4.1.2条2款对活载折减。需要注意的是,在PM模块的“楼面荷载传导计算”中也有“荷载折减”。两处若都选折减,则荷载折减系数会累加,即在PM中折减过的荷载会在SATWE中再次折减,这样会导致结构不安全。

13)梁端负弯矩调幅系数

在竖向荷载作用下,考虑框架梁端塑性变形内力重分布,对梁端负弯矩进行调幅,并相应增加跨中正弯矩。梁端负弯矩调幅系数可在0.8～1.0范围内取值,依据详见“高规”5.2.3条。装配整体式框架梁梁端负弯矩取0.7～0.8;现浇框架梁梁端负弯矩取0.8～0.9,一般取0.85即可。

14)梁设计弯矩增大系数

通过此参数可调整梁的设计弯矩(正负设计弯矩均增大),提高其安全储备。一般可取1.0～1.3。此外,当已考虑了梁端负弯矩调幅后宜填1,因梁端负弯矩既已调幅减小,就不应该再乘以放大系数,这点有的设计人员还是乘以比1大的放大系数,导致用钢量的增大。

15)层刚度比计算

“剪切刚度”按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)附录E.0.1建议的方法;

“剪弯刚度”按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)附录E.0.2建议的方法;

“地震剪力与地震层间位移的比值”按《建筑抗 震设计规范》 (JGJ3-2002)3.4.2和3.4.3条文说明中建议的方法。

对于大多数一般的结构应选择“地震剪力与地震层间位移的比值”算法;对于多层结构可以选择“剪切刚度”算法;对于有斜支撑的钢结构可以选择“剪弯刚度”算法。一般按“地震剪力与地震层间位移的比值”计算刚度比最容易通过。当转换层位于1层时,用户应该采用“剪切刚度”算法来计算层刚度;当转换层位置大于1层时,用户应该采用“剪弯刚度”算法计算层刚度,来求转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比和判断其比值是否满足“高规”的 要求;若采用“地震剪力与地震层间位移的比值”算 法计算层刚度,所得的转换层上部与下部结构的刚度比结果明显偏小,是偏于不安全的。对于转换层设置在3层及3层以上时,除了采用“剪弯刚度”算法处,工程师还要采用“地震剪力与地震层间位移的比值”算法再计算一次层刚度,从而进行转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%的下限控制。

2 计算结果的分析判断

模型和参数输入正确后进行结构计算得出结果,结构工程师需要以力学概念和丰富的工程经验入手,从结构整体和局部两方面对计算结果进行判断:该结果是

否可信?是否合理?只有确认其可靠性后,方可用于工程设计。以下从11个方面阐述这个问题,希望对大家有所帮助。

2.1 周期

周期的大小与结构在地震中的反应有密切关系。通过分析周期的大小是否在经验公式的范围内,从而可判断出结构的刚度是否合适。如果有异常,需要检查结构截面尺寸、布置和输入数据。尤其需要注意的是结构自振周期应与场地土的卓越周期错开,避免共振造成灾害。下面给出按正常设计,非耦联计算地震作用时,结构周期的大致范围,即:

框架结构 T1=(0.12～0.15)n 框剪结构 T1=(0.08～0.12)n 剪力墙结构 T1=(0.04～0.08)n 筒中筒结构 T1=(0.06～0.10)n T2 =(1/5～1/3)T1 T3=(1/7～1/5)T2

其中:n为结构计算层数。

耦连计算地震作用时,其第一周期剪重比也应在常规范围之内,但不能简单地与非耦连时计算比较,因其振型较为复杂,地震底部剪力与非耦连计算结果相近或略小。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3-2002)4.3.5条规定提出的Tt/T1(周期比)比值要求,主要是为了控制结构扭转效应,减小扭转对结构产生的不利影响。程序不会自动给出周期比,需要用户根据WZQ1OUT文件给出的各振型下周期手动计算。周期比超限时,一般主要是结构抗扭刚度不足,需调整结构方案加大抗扭刚度。

2.2 地震力

就是要控制楼层最小地震剪力,保证结构的安全。《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001)第5.2.5条规定了不同烈度下楼层的最小地震剪力系 数,目的就是为了此。为了使结构有较好的安全性,结构总水平地震作用应控制在合适的范围内,参照一些经验资料,剪重比γv=FEK/G的经验范围如表1所示:

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