論述如何運用設計軟件進行建筑結構設計
關鍵詞:SATWE 參數 指標
摘要:本文以SATWE為例,討論了建筑結構在運用設計軟件設計時,如何依據現行國家規范正確地進行參數設置,并根據計算結果判斷各項設計指標的合理性。
現今,在建筑結構設計中,計算機輔助設計已經非常普及,如何正確運用設計軟件進行結構設計,以滿足現行國家規范的要求,是每個設計人員都非常關心的問題。下面以SATWE為例進行討論。
1 完成整體參數的正確設置
設計計算開始以前,設計人員應該首先對軟件參數進行正確設置。在一個工程中其中一些參數是關系到整體計算結果的,只有正確設置,才能保證其計算結果的正確性。這些參數包括振型組合數、最大地震力作用方向和結構基本周期等。
(1)振型組合數是軟件在做抗震計算時考慮振型的數量。該值取值太小不能正確反映結構的實際情況,使計算結果失真;取值太大,不僅浪費時間,還可能使計算結果發生畸變。一般情況是振型數的多少與結構層數及結構自由度有關,當結構層數較多或結構層剛度突變較大時,振型數應當取得多些。振型組合數是否取值合理,可以看軟件計算書中的x,y向的有效質量系數是否大于0.9。具體操作是,首先根據工程實際情況及設計經驗預設一個振型數計算后考察有效質量系數是否大于0.9,若小于0.9,可逐步加大振型個數,直到x,y兩個方向的有效質量系數都大于0.9為止。必須指出的是,結構的振型組合數并不是越大越好,其最大值不能超過結構得總自由度數。(2)最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用,結構地震反應的大小也各不相同,那么必然存在某個角度是結構地震反應最不利方向。設計軟件可以自動計算出最大地震力作用方向并在計算結果中輸出,設計人員如發現該角度絕對值大于15度,應將該數值回填到軟件的“水平力與整體坐標夾角”選項里并重新計算,以體現最不利地震作用方向的影響。(3)結構基本周期是計算風荷載的重要指標。設計人員如果不能事先知道其準確值,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“結構基本周期”選項,重新計算即可。
2 確定整體結構的合理性
整體結構的合理性是現行規范特別強調的內容。現行規范用于控制結構整體性的指標主要有: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)周期比是控制結構扭轉效應的重要指標。它的目的是使抗側力構件的平面布置更有效更合理,使結構不至出現過大的扭轉。《高規》第4.3.5條對結構周期比做了規定。如果周期比不滿足規范的要求,說明該結構的扭轉效應明顯,設計人員需要調整抗側力構件的平面布置。
設計軟件通常不直接給出結構的周期比,需要設計人員根據計算結果自行判定第一扭轉(平動)周期。以下介紹實用周期比計算方法:1)扭轉周期與平動周期的判斷:從計算結果中找出所有扭轉系數大于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:從中選出數值最大的扭轉(平動)周期,查看軟件的“結構整體空間振動簡圖”,看該周期值所對應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(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的振型為結構整體振動的值即為第一扭轉(平動)周期;3)周期比計算:第一扭轉周期除以第一平動周期。
(2)位移比(層間位移比)是控制結構平面不規則性的重要指標。其限值在《建筑抗震設計規范》和《高規》中均有明確的規定,這里不再贅述。需要指出的是,現行規范中的位移比限值是按剛性板假定做出的,如果在結構模型中設定了彈性板,則必須在軟件參數設置時選擇“對所有樓層強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行后續配筋的計算。
(3)剛度比是控制結構豎向不規則的重要指標。根據《抗震規范》和《高規》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的層間位移比。正確認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鍵:1)剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉換結構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換結構;3)地震力與層間位移比是執行《抗震規范》第3.4.2條和《高規》4.3.5條的相關規定,通常絕大多數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構豎向不規則的重要指標。其限值可參考《抗震規范》和《高規》的規定。
(5)剛重比是結構剛度與重力荷載之比。它是控制結構整體穩定性的重要因素,也是影響重力二階效的主要參數。該值如果不滿足要求,則可能引起整體結構失穩倒塌。
(6)剪重比是抗震設計中非常重要的參數。在長期作用下,地震影響系數下降較快,由此計算出來的水平地震作用下的結構效應可能太小。而對于長周期結構,地震動態作用下的地面加速度和位移可能對結構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確的計算。因此,出于安全考慮,規范規定了各樓層水平地震力的最小值,該值如果不滿足要求,則說明結構有可能出現比較明顯的薄弱部位,必須進行調整。
3 結語
上述以外,設計軟件還會按照規范的要求對整體結構地震作用進行調整,如最小地震剪力調整、特殊結構地震作用下內力調整、0.2Q0調整、強柱弱梁與強剪弱彎調整等等,因程序可以完成這些調整,這里不再贅述。
參考文獻
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