浅谈建筑结构设计中的电算

来源:用户上传      作者:

　　摘要:在建筑结构设计计算过程中，总信息中参数的正确设定和电算结果正确的判断至关重要。本文对总信息中的参数的设定,及建筑结构规范中用于控制结构整体性的主要指标作了阐述,供相关人员参考。
　　关键词：总信息参数;周期比、位移比、刚度比、剪重比
　　结构计算复杂多样，我们应根据规范要求对建筑结构进行合理的设计，从整体到局部、分层次完成。在建筑结构设计计算过程中总信息中参数的正确设定和电算结果正确的判断至关重要。
　　1.总信息中参数的正确设定：前提条件、很重要，否则计算无意义。
　　1）混凝土容重宜取26～30：填写混凝土容重时，应考虑建筑粉刷或装饰面层的重量，且梁、柱、剪力墙截面尺寸越小容重越大，如贴面砖、花岗石，容重还要加大，设计人应综合考虑本工程梁、柱、剪力墙的截面尺寸大小及面层材料，确定一个较合适的混凝土容重值。
　　2）周期折减系数：应予以折减，否则会导致地震作用偏小，应根据本工程填充墙的多少来确定周期折减系数值，填充墙多取小值，填充墙少取大值，《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3―2002》3.3.16条规定“计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减”是强制性条文，一般框架结构取0.6～0.9；剪力墙结构取0.9～1，剪力墙结构中如是全剪力墙（即无非承重墙体的）结构，周期折减系数才取1，一般其折减系数也应小于1；框剪结构取0.7～0.9。
　　3）计算结构的周期、位移、层刚度比时，应采用刚性楼板假定。如楼板开有大洞或楼板不连续，应再按弹性楼板计算结构内力。
　　4）振型组合数、最大地震力作用方向和结构基本周期等，在计算前很难估计，需要经过试算才能得到。
　　①振型组合数是软件在做抗震计算时考虑振型的数量。该值取值太小不能正确反映模型应当考虑的振型数量，使计算结果失真；取值太大，不仅浪费时间，还可能使计算结果发生畸变。《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13-2条规定，抗震计算时，宜考虑平扭藕联计算结构的扭转效应，振型数不宜小于15，对多塔结构的振型数不应小于塔楼的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90％。一般而言，振型数的多少于结构层数及结构自由度有关，当结构层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数应当取得多些，如有弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式。振型组合数是否取值合理，可以看软件计算书中的x，y向的有效质量系数是否大于0.9。具体操作是，首先根据工程实际情况及设计经验预设一个振型数计算后考察有效质量系数是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型个数，直到x,y两个方向的有效质量系数都大于0.9为止。必须指出的是，结构的振型组合数并不是越大越好，其最大值不能超过结构得总自由度数。如采用刚性楼板假定时，平动时的振型数不应大于计算层数，耦联时的振型数不应大于计算层数的3倍。然而当按弹性楼板计算时，振型数可超过上述限值。
　　例如对采用刚性板假定的单塔结构，考虑扭转藕联作用时，其振型不得超过结构层数的3倍。如果选取的振型组合数已经增加到结构层数的3倍，其有效质量系数仍不能满足要求，也不能再增加振型数，而应认真分析原因，考虑结构方案是否合理。
　　②最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用，结构地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某各角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出，设计人员如发现该角度绝对值大于15度，应将该数值回填到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。
　　③结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员如果不能事先知道其准确值，可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，重新计算即可。
　　上述的计算目的是将这些对全局有控制作用的整体参数先行计算出来，正确设置，否则其后的计算结果与实际差别很大。
　　5）梁刚度增大系数：中梁2、边梁1.5（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3―2002》5.2.2条规定1.3～2.0），否则计算结果中的地震作用会偏小。
　　6）梁端弯矩调幅系数：0.8～0.9（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3―2002》5.2.2条），一般可填0.85。如规定梁端弯矩不调幅，是不大恰当的，因为这样一来会更加容易引起梁端负弯矩钢筋过大、根数过多，影响混凝土浇筑，且配筋率更容易超过2.5％（强制性条文）及梁下部钢筋与梁端负弯矩钢筋的比值不满足规范要求（强制性条文），再者，梁端负弯矩一般均比梁跨中下部弯矩大得较多，试举一例：梁端负弯矩800kN.m，梁跨中弯矩400kN.m，如取梁端弯矩调幅系数0.85，则梁跨中弯矩应为400+800×0.15=400+420=520kN.m，如不考虑梁端弯矩调幅，梁跨中弯矩增大1.2倍，则梁跨中弯矩为400×1.2=480＜520kN.m，使梁下部钢筋偏小，不妥，因为地震作用时，梁端的负弯矩会有往梁中转移的可能，如梁端弯矩不调幅，就会增加地震时的不安全因素。
　　7）梁端弯矩考虑柱宽影响标志：当已填梁端弯矩调幅系数，则不宜再考虑柱宽作为刚域对梁端负弯矩的折减。
　　8）梁跨中弯矩增大系数：1～1.4，一般可填1，配筋时再酌情加大1.2～1.4倍。如程序设定为“梁弯矩增大系数”，即正、负弯矩都增大，则应填1，如设定考虑负弯矩调辐后又将负弯矩增大是不合理的。。
　　9）梁扭矩折减系数：0.4，填扭矩刚度折减对梁扭矩的折减效果较小。
　　10）连梁刚度折减系数：0.5～0.55（《建筑抗震设计规范GB 50011―2001》6.2.13条2款、《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3―2002》5.2.1条都规定不宜小于0.5）。
　　11）0.2Q0力调整：框剪结构对框架柱必须调整。
　　12）小塔楼地震作用放大系数：SATWE、TAT： 平动时3～5振型：≤3，6～9振型时：≤1.5，耦联时9～11振型：≤3，12～15振型时：≤1.5；TBSA：不放大。
　　13）基本风压：取50年一遇，高≥60m及对风敏感的结构取100年一遇，基本风压值见荷载规范。
　　14）地面粗糙度：D（4）类（密集高层市区）慎用，只有当本工程的四周均有高于本工程的建筑物时，才可填D（4）类。
　　15）风载体型分段数：应分段，一般可每隔3层左右分1段，如多、高层建筑，只填1段，则风载偏大。有些电算程序（如SATWE、TAT）规定最多只能分3段。
　　16）混凝土保护层厚度：梁25（混凝土C20时30），柱30。
　　 17）P-△效应：高层建筑应考虑（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3―2002》5.4.1条、5.4.2条）。多层建筑要考虑，应是可以的。
　　18）偶然偏心：高层建筑计算单向地震时应考虑偶然偏心（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3―2002》3.3.3条），按双向地震计算时就可不考虑偶然偏心了。
　　19）活载应考虑不利组合。
　　20）活载折减系数：如SATWE、TAT等程序内定的折减系数系按《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》表4.1.2编制，千万注意只适用《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》表4.1.1中的1（1）项房屋，即住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园，对其它房屋一概不适用，否则（如对商业用房、多层厂房）就违反了强制性条文。

　　21）混凝土结构中柱计算长度计算原则：宜填“有侧移”，因为框架结构、剪力墙结构、框剪结构等都是有侧移的，如填“无侧移”，似乎无道理。
　　22）平动与耦联：一般取耦联，但有时平动也有可能比耦联不利。
　　23）柱配筋计算原则：单偏压与双偏压，二者计算结果有时差别较大，应分别按单偏压、双偏压作两次计算，按大值配筋。
　　24）当抗震设防类别为乙类时，计算地震烈度不提高，但抗震措施应提高1度，如抗震等级应按提高1度查表，轴压比限制值也减小了，抗震构造措施也提高了，如砌体拉墙筋长度也增大了，等等。这里应注意的是把地震烈度提高1度计算，是不正确的。
　　25）地下室全连在一起，上面设缝分为几个独立的结构单元，可不按多塔结构计算。一幢房子的屋面上有几个出屋面的楼、电梯间，更不是多塔结构。
　　2.电算结果正确的判断可以确定整体结构的合理性：
　　建筑结构规范中用于控制结构整体性的主要指标主要有：周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比、轴压比等。
　　1）周期比是控制结构扭转效应的重要指标。它的目的是使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理，使结构不至出现过大的扭转。也就是说，周期比不是要求就构足够结实，而是要求结构承载布局合理。《高规》第4.3.5条对结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比的要求给出了规定。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员需要增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。
　　设计软件通常不直接给出结构的周期比，需要设计人员根据计算书中周期值自行判定第一扭转（平动）周期。以下介绍实用周期比计算方法：1)扭转周期与平动周期的判断：从计算书中找出所有扭转系数大于0.5的平动周期，按周期值从大到小排列。同理，将所有平动系数大于0.5的平动周期值从大到小排列；2）第一周期的判断：从列队中选出数值最大的扭转（平动）周期，查看软件的“结构整体空间振动简图”，看该周期值所对应的振型的空间振动是否为整体振动，如果其仅仅引起局部振动，则不能作为第一扭转（平动）周期，要从队列中取出下一个周期进行考察，以此类推，直到选出不仅周期值较大而且其对应的振型为结构整体振动的值即为第一扭转（平动）周期；3)周期比计算：将第一扭转周期值除以第一平动周期即可。
　　2）位移比（层间位移比）是控制结构平面不规则性的重要指标。其限值在《建筑抗震设计规范》和《高规》中均有明确的规定。需要指出的是，规范中规定的位移比限值是按刚性板假定作出的。
　　3）刚度比主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2，高规4.4.2；根据《抗震规范》和《高规》的要求，一般软件提供的三种刚度比的计算方式，分别是剪切刚度，剪弯刚度和地震力与相应的层间位移比。正确认识这三种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键：a）剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定；b)剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构；c)地震力与层间位移比是执行《抗震规范》第3.4.2条和《高规》4.3.5条的相关规定，通常绝大多数工程都可以用此法计算刚度比，这也是软件的缺省方式。
　　刚度比不满足时的调整方法：如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求，计算软件会自动将该楼层定义为薄弱层，并按高规5.1.14将该楼层地震剪力放大1.15倍；还可以可适当降低本层层高和加强本层墙、柱或梁的刚度，适当提高上部相关楼层的层高和削弱上部相关楼层墙、柱或梁的刚度。
　　4）层间受剪承载力之比也是控制结构竖向不规则的重要指标。其限值可参考《抗震规范》和《高规》的有关规定。
　　5）刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效的主要参数。该值如果不满足要求，则可能引起结构失稳倒塌，应当引起设计人员的足够重视。可通过人工调整改变结构布置，加强墙、柱等竖向构件的刚度。
　　6）剪重比是抗震设计中非常重要的参数。主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，规范规定了各楼层水平地震力的最小值，这个要求如同最小配筋率的要求，该值如果不满足要求，则说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位，必须进行调整。
　　剪重比不满足时的调整方法：i程序可直接按抗规5.2.5自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪力，以满足剪重比要求。ii还可按下列三种情况进行调整：a）当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚度；b）当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度以取得合适的经济技术指标；c）当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，可在软件的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数增大地震作用，以满足剪重比要求。
　　7）轴压比主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.7和6.4.6，高规 6.4.2和7.2.14。轴压比不满足时，可增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度。
　　

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-600632.htm