簡(jiǎn)介： 新規(guī)范對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，結(jié)構(gòu)計(jì)算更加復(fù)雜多樣，因此不可能一次完成，而應(yīng)當(dāng)從整體到局部、分層次完成。主要計(jì)算過程可以分為四步進(jìn)行：整體參數(shù)計(jì)算，整體合理性計(jì)算，構(gòu)件優(yōu)化計(jì)算和抗震性能驗(yàn)算。每步計(jì)算中又包含多次試算，在上一步計(jì)算取得合理結(jié)果以后，方可進(jìn)行下一步計(jì)算，以便使結(jié)構(gòu)計(jì)算過程科學(xué)化，提高設(shè)計(jì)工作效率。
關(guān)鍵字：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 計(jì)算步驟 探討
新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在結(jié)構(gòu)可靠度、設(shè)計(jì)計(jì)算、配筋構(gòu)造方面均有重大更新和補(bǔ)充，特別是對(duì)抗震及結(jié)構(gòu)的整體性，規(guī)則性作出了更高的要求，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可能一次完成。如何正確運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，以滿足新規(guī)范的要求，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員都非常關(guān)心的問題。以SATWE軟件為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟的討論，對(duì)一個(gè)典型工程而言，使用結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分四步較為科學(xué)。
1．完成整體參數(shù)的正確設(shè)定
計(jì)算開始以前，設(shè)計(jì)人員首先要根據(jù)新規(guī)范的具體規(guī)定和軟件手冊(cè)對(duì)參數(shù)意義的描述，以及工程的實(shí)際情況，對(duì)軟件初始參數(shù)和特殊構(gòu)件進(jìn)行正確設(shè)置。但有幾個(gè)參數(shù)是關(guān)系到整體計(jì)算結(jié)果的，必須首先確定其合理取值，才能保證后續(xù)計(jì)算結(jié)果的正確性。這些參數(shù)包括振型組合數(shù)、最大地震力作用方向和結(jié)構(gòu)基本周期等，在計(jì)算前很難估計(jì)，需要經(jīng)過試算才能得到。
(1)振型組合數(shù)是軟件在做抗震計(jì)算時(shí)考慮振型的數(shù)量。該值取值太小不能正確反映模型應(yīng)當(dāng)考慮的振型數(shù)量，使計(jì)算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還可能使計(jì)算結(jié)果發(fā)生畸變。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.13-2條規(guī)定，抗震計(jì)算時(shí)，宜考慮平扭藕聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不宜小于15，對(duì)多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓的9倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90％。一般而言，振型數(shù)的多少于結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)自由度有關(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(shí)，振型數(shù)應(yīng)當(dāng)取得多些，如有彈性節(jié)點(diǎn)、多塔樓、轉(zhuǎn)換層等結(jié)構(gòu)形式。振型組合數(shù)是否取值合理，可以看軟件計(jì)算書中的x，y向的有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9。具體操作是，首先根據(jù)工程實(shí)際情況及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一個(gè)振型數(shù)計(jì)算后考察有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型個(gè)數(shù)，直到x,y兩個(gè)方向的有效質(zhì)量系數(shù)都大于0.9為止。必須指出的是，結(jié)構(gòu)的振型組合數(shù)并不是越大越好，其最大值不能超過結(jié)構(gòu)得總自由度數(shù)。例如對(duì)采用剛性板假定得單塔結(jié)構(gòu)，考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)作用時(shí)，其振型不得超過結(jié)構(gòu)層數(shù)的3倍。如果選取的振型組合數(shù)已經(jīng)增加到結(jié)構(gòu)層數(shù)的3倍，其有效質(zhì)量系數(shù)仍不能滿足要求，也不能再增加振型數(shù)，而應(yīng)認(rèn)真分析原因，考慮結(jié)構(gòu)方案是否合理。
（2）最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用，結(jié)構(gòu)地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某各角度使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)值最大的最不利地震作用方向。設(shè)計(jì)軟件可以自動(dòng)計(jì)算出最大地震力作用方向并在計(jì)算書中輸出，設(shè)計(jì)人員如發(fā)祥該角度絕對(duì)值大于15度，應(yīng)將該數(shù)值回填到軟件的“水平力與整體坐標(biāo)夾角”選項(xiàng)里并重新計(jì)算，以體現(xiàn)最不利地震作用方向的影響。
（3）結(jié)構(gòu)基本周期是計(jì)算風(fēng)荷載的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)人員如果不能事先知道其準(zhǔn)確值，可以保留軟件的缺省值，待計(jì)算后從計(jì)算書中讀取其值，填入軟件的“結(jié)構(gòu)基本周期”選項(xiàng)，重新計(jì)算即可。
上述的計(jì)算目的是將這些對(duì)全局有控制作用的整體參數(shù)先行計(jì)算出來，正確設(shè)置，否則其后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差別很大。
2.確定整體結(jié)構(gòu)的合理性
整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性是新規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)內(nèi)容。新規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。它的目的是使抗側(cè)力的構(gòu)件的平面布置更有效更合理，使結(jié)構(gòu)不至出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)。也就是說，周期比不是要求就構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理�！陡咭�(guī)》第4.3.5條對(duì)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之比的要求給出了規(guī)定。如果周期比不滿足規(guī)范的要求，說明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)人員需要增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。
設(shè)計(jì)軟件通常不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)計(jì)算書中周期值自行判定第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期。以下介紹實(shí)用周期比計(jì)算方法：1)扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期的判斷：從計(jì)算書中找出所有扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5的平動(dòng)周期，按周期值從大到小排列。同理，將所有平動(dòng)系數(shù)大于0.5的平動(dòng)周期值從大到小排列；2）第一周期的判斷：從列隊(duì)中選出數(shù)值最大的扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期，查看軟件的“結(jié)構(gòu)整體空間振動(dòng)簡(jiǎn)圖”，看該周期值所對(duì)應(yīng)的振型的空間振動(dòng)是否為整體振動(dòng)，如果其僅僅引起局部振動(dòng)，則不能作為第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期，要從隊(duì)列中取出下一個(gè)周期進(jìn)行考察，以此類推，直到選出不僅周期值較大而且其對(duì)應(yīng)的振型為結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)的值即為第一扭轉(zhuǎn)（平動(dòng)）周期；3)周期比計(jì)算：將第一扭轉(zhuǎn)周期值除以第一平動(dòng)周期即可。
（2）位移比（層間位移比）是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。其限值在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高規(guī)》中均有明確的規(guī)定，不再贅述。需要指出的是，新規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出的，如果在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)定了彈性板，則必須在軟件參數(shù)設(shè)置時(shí)選擇“對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”，以便計(jì)算出正確的位移比。在位移比滿足要求后，再去掉“對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定的選擇，以彈性樓板設(shè)定進(jìn)行后續(xù)配筋計(jì)算。
此外，位移比的大小是判斷結(jié)構(gòu)是否規(guī)則的重要依據(jù)，對(duì)選擇偶然偏心，單向地震，雙向地震下的位移比，設(shè)計(jì)人員應(yīng)正確選用。
（3）剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。根據(jù)《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》的要求，軟件提供了三種剛度比的計(jì)算方式，分別是剪切剛度，剪彎剛度和地震力與相應(yīng)的層間位移比。正確認(rèn)識(shí)這三種剛度比的計(jì)算方法和適用范圍是剛度比計(jì)算的關(guān)鍵：1）剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及對(duì)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；3)地震力與層間位移比是執(zhí)行《抗震規(guī)范》第3.4.2條和《高規(guī)》4.3.5條的相關(guān)規(guī)定，通常絕大多數(shù)工程都可以用此法計(jì)算剛度比，這也是軟件的缺省方式。
（4）層間受剪承載力之比也是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。其限值可參考《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》的有關(guān)規(guī)定。
（5）剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素，也是影響重力二階效的主要參數(shù)。該值如果不滿足要求，則可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視。
（6）剪重比是抗震設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。規(guī)范之所以規(guī)定剪重比，主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，由此計(jì)算出來的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。而對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，地震動(dòng)態(tài)作用下的地面加速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)具有更大的破壞作用，但采用振型分解法時(shí)無(wú)法對(duì)此作出準(zhǔn)確的計(jì)算。因此，出于安全考慮，規(guī)范規(guī)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(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位，必須進(jìn)行調(diào)整。
除以上計(jì)算分析以外，設(shè)計(jì)軟件還會(huì)按照規(guī)范的要求對(duì)整體結(jié)構(gòu)地震作用進(jìn)行調(diào)整，如最小地震剪力調(diào)整、特殊結(jié)構(gòu)地震作用下內(nèi)力調(diào)整、0.2Q0調(diào)整、強(qiáng)柱弱梁與強(qiáng)剪弱彎調(diào)整等等，因程序可以完成這些調(diào)整，就不再詳述了。
3 對(duì)單構(gòu)件作優(yōu)化設(shè)計(jì)
前幾步主要是對(duì)結(jié)構(gòu)整體合理性的計(jì)算和調(diào)整，這一步則主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件內(nèi)力和配筋計(jì)算，包括梁，柱，剪力墻軸壓比計(jì)算，構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)等。
（1）軟件對(duì)混凝土梁計(jì)算顯示超筋信息有以下情況：1）當(dāng)梁的彎矩設(shè)計(jì)值M大于梁的極限承載彎矩Mu時(shí)，提示超筋；2）規(guī)范對(duì)混凝土受壓區(qū)高度限制：
四級(jí)及非抗震：ξ≤ξb
二、三級(jí)：ξ≤0.35（ 計(jì)算時(shí)取AS ’＝0.3 AS ）
一級(jí)： ξ≤0.25（ 計(jì)算時(shí)取AS ’＝0.5 AS ）
當(dāng)ξ不滿足以上要求時(shí)，程序提示超筋；3)《抗震規(guī)范》要求梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率2.5%，當(dāng)大于此值時(shí)，提示超筋；4）混凝土梁斜截面計(jì)算要滿足最小截面的要求，如不滿足則提示超筋。
（2）剪力墻超筋分三種情況：1）剪力墻暗柱超筋：軟件給出的暗柱最大配筋率是按照4%控制的，而各規(guī)范均要求剪力墻主筋的配筋面積以邊緣構(gòu)件方式給出，沒有最大配筋率。所以程序給出的剪力墻超筋是警告信息，設(shè)計(jì)人員可以酌情考慮；2）剪力墻水平筋超筋則說明該結(jié)構(gòu)抗剪不夠，應(yīng)予以調(diào)整；3）剪力墻連梁超筋大多數(shù)情況下是在水平地震力作用下抗剪不夠。規(guī)范中規(guī)定允許對(duì)剪力墻連梁剛度進(jìn)行折減，折減后的剪力墻連梁在地震作用下基本上都會(huì)出現(xiàn)塑性變形，即連梁開裂。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行剪力墻連梁設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮其配筋是否滿足正常狀態(tài)下極限承載力的要求。
（3）柱軸壓比計(jì)算： 柱軸壓比的計(jì)算在《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》中的規(guī)定并不完全一樣，《抗震規(guī)范》第6.3.7條規(guī)定，計(jì)算軸壓比的柱軸力設(shè)計(jì)值既包括地震組合，也包括非地震組合，而《高規(guī)》第6.4.2條規(guī)定，計(jì)算軸壓比的柱軸力設(shè)計(jì)值僅考慮地震作用組合下的柱軸力。軟件在計(jì)算柱軸壓比時(shí)，當(dāng)工程考慮地震作用，程序僅取地震作用組合下的的柱軸力設(shè)計(jì)值計(jì)算；當(dāng)該工程不考慮地震作用時(shí)，程序才取非地震作用組合下的柱軸力設(shè)計(jì)值計(jì)算。因此設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一個(gè)工程，計(jì)算地震力和不計(jì)算地震力其柱軸壓比結(jié)果會(huì)不一樣。
（4）剪力墻軸壓比計(jì)算：為了控制在地震力作用下結(jié)構(gòu)的延性，新的《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》對(duì)剪力墻均提出了軸壓比的計(jì)算要求。需要指出的是，軟件在計(jì)算斷指剪力墻軸壓比時(shí)，是按單向計(jì)算的，這與《高規(guī)》中規(guī)定的短肢剪力墻軸壓比按雙向計(jì)算有所不同，設(shè)計(jì)人員可以酌情考慮。
（5）構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)：計(jì)算結(jié)構(gòu)不超筋，并不表示構(gòu)件初始設(shè)置的截面和形狀合理，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)，使構(gòu)件在保證受力要求的德條件下截面的大小和形狀合理，并節(jié)省材料。但需要注意的是，在進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以保證整體結(jié)構(gòu)合理性為前提，因?yàn)闃?gòu)件截面的大小直接影響到結(jié)構(gòu)的剛度，從而對(duì)整體結(jié)構(gòu)的周期、位移、地震力等一系列參數(shù)產(chǎn)生影響，不可盲目減小構(gòu)件截面尺寸，使結(jié)構(gòu)整體安全性降低。
4. 滿足規(guī)范抗震措施的要求
在施工圖設(shè)計(jì)階段，還必須滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求。《混凝土規(guī)范》、《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》對(duì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造提出了非常詳盡的規(guī)定，這些措施是很多震害調(diào)查和抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，也是保證結(jié)構(gòu)安全的最后一道防線，設(shè)計(jì)人員不可麻痹大意。
（1）設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行施工圖配筋計(jì)算時(shí)，要求輸入合理的歸并系數(shù)、支座方式、鋼筋選筋庫(kù)等，如一次計(jì)算結(jié)果不滿意，要進(jìn)行多次試算和調(diào)整。
（2）生成施工圖以前，要認(rèn)真輸入出圖參數(shù)，如梁柱鋼筋最小直徑、框架頂角處配筋方式、梁挑耳形式、柱縱筋搭接方式，箍筋形式，鋼筋放大系數(shù)等，以便生成符合需要的施工圖。軟件可以根據(jù)允許裂縫寬度自動(dòng)選筋，還可以考慮支座寬度對(duì)裂縫寬度的影響。
（3）施工圖生成以后，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)仔細(xì)驗(yàn)證各特殊或薄弱部位構(gòu)件的最小縱筋直徑、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度、鋼筋搭接錨固長(zhǎng)度、配筋方式等是否滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求。規(guī)范這一部分的要求往往是以黑體字寫出，屬于強(qiáng)制執(zhí)行條文，萬(wàn)萬(wàn)不可以掉以輕心。
（4）最后設(shè)計(jì)人員還應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，對(duì)計(jì)算機(jī)生成的配筋結(jié)果作合理性審核，如鋼筋排數(shù)、直徑、架構(gòu)等，如不符合工程需要或不便于施工，還要做最后的調(diào)整計(jì)算。
