摘要：目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中普遍使用PKPM結(jié)構(gòu)平面計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系列軟件。在復(fù)雜和高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中又以SATWE結(jié)構(gòu)空間有限元分析設(shè)計(jì)軟件為最常用。本文總結(jié)在使用SATWE做框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中常遇到的疑問，結(jié)合自己的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出自己的幾點(diǎn)看法。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；SATWE參數(shù)設(shè)置；
Abstract:ThestructureofthedesignprocessofthewidespreaduseofflatcomputerstructuredesignofPKPMseriessoftware.Inthecomplexandhigh-riseframestructuredesigninSATWEspacefiniteelementanalysisforthestructuredesignsoftwareforthemostcommonlyused.ThispapersummarizesthecommonlyencounteredintheuseofSATWEframestructureinthedesignprocessofdoubt,combinedwithmyownexperienceinengineeringdesignputforwardsomeownviews.
Keywords:structure;design;SATWEparametersetting;
TU318
本論文僅針對已經(jīng)長期使用的PKPM系列軟件2011.03.03版本作為討論對象。
在長期的設(shè)計(jì)工作中目前各設(shè)計(jì)院普通使用的結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)軟件就是PKPM結(jié)構(gòu)平面計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系列軟件。在復(fù)雜和高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中又以SATWE結(jié)構(gòu)空間有限元分析設(shè)計(jì)軟件為最常用。在設(shè)計(jì)過程中使用SATWE遇到不少疑問并總結(jié)出自己的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
SATWE結(jié)構(gòu)空閑有限元分析設(shè)計(jì)軟件是中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部應(yīng)現(xiàn)代高層建筑發(fā)展的要求，專門為高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而開發(fā)的基于殼元理論的三維組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。其核心是解決剪力墻和樓板的模型化問題，盡可能地減小其模型化誤差，提高分析精度，使分析結(jié)果能夠更好地反映出高層結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)。
在計(jì)算參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析的過程中遇到過如下幾點(diǎn)疑問并總結(jié)出自己的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出處理方案。
疑問1：SATWE總信息中“水平力與整體坐標(biāo)夾角（度）”和地震信息中“斜交抗側(cè)力構(gòu)件方向附加地震數(shù)及相應(yīng)角度”的區(qū)別和處理？
SATWE總信息中“水平力與整體坐標(biāo)夾角（度）”，該參數(shù)為地震作用力向和風(fēng)荷載作用方向與結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)的夾角，逆時針為正。如地震沿著不同方向作用，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的大小一般也不相同，那么必然存在某個角度使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最為強(qiáng)烈，這個方向就稱為最不利地震作用方向。從嚴(yán)格意義上來講，規(guī)范中所講的主軸是指地震沿該軸方向作用時，結(jié)構(gòu)只發(fā)生沿該軸方向的側(cè)移而不發(fā)生扭轉(zhuǎn)位移的軸線。當(dāng)結(jié)構(gòu)不規(guī)則時，地震作用的主軸作用方向就不一定是0o或者90o，如最大地震力方向與主軸夾角較大時，應(yīng)輸入該角度考慮最不利作用方向的影響。
抗規(guī)5.1.1條規(guī)定，“有斜交抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，當(dāng)相交角度大于15度時，應(yīng)分別計(jì)算各抗側(cè)力構(gòu)件方向的水平地震作用。”結(jié)合規(guī)范條款，“斜交抗側(cè)力構(gòu)件方向附加地震數(shù)及相應(yīng)角度”應(yīng)是根據(jù)結(jié)構(gòu)的平面形狀來填寫的，比如你是矩形的，因?yàn)閮蓚�方向已經(jīng)是正交的，和PKPM默認(rèn)的兩個地震力方向重合了，PKPM計(jì)算的已經(jīng)是地震作用的最大方向了，所以這里的附加地震數(shù)及相應(yīng)角度都不用填寫了，但如果你的結(jié)構(gòu)平面是“_/”樣的，有一個角度的，假如是45度吧，那么你就需要填寫附加地震數(shù)及角度了（大于15度時），因?yàn)槟闾钜粋�角度，PKPM自動計(jì)算這個角度及與這個角度正交的另一個角度，所以這里你需要填寫1，角度寫45度，這樣“_/”型的平面形狀就計(jì)算了斜交抗側(cè)力構(gòu)件，就是說把最不利方向的地震力計(jì)算了，出來的結(jié)果也是考慮了最不利情況，同樣如果你的結(jié)構(gòu)平面形狀中有其他形狀的，要看斜交抗側(cè)力構(gòu)件與X軸正方向的夾角，填進(jìn)去就行了。個人認(rèn)為填好這個斜交抗側(cè)力構(gòu)件及角度之后，第一條中說的水平力與整體坐標(biāo)夾角就不用填寫了，因?yàn)橐呀?jīng)計(jì)算了斜交抗側(cè)力構(gòu)件。
結(jié)合上述分析并結(jié)合工作總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，SATWE總信息中“水平力與整體坐標(biāo)夾角（度）”在未進(jìn)行第一次結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時取默認(rèn)值0；地震信息中“斜交抗側(cè)力構(gòu)件方向附加地震數(shù)及相應(yīng)角度”根據(jù)結(jié)構(gòu)的平面形狀填寫。結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析后根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果WZQ.OUT中“地震作用最大的方向”，當(dāng)?shù)卣鹆Ω环较蚪嵌却笥?5度時候，SATWE總信息中“水平力與整體坐標(biāo)夾角（度）”應(yīng)填入相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力復(fù)算。（根據(jù)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)，一般遇到的普通型式的結(jié)構(gòu)平面形式，地震作用最大的方向角度大于15度的情況是很少發(fā)生的，如果出現(xiàn)大于15度的情況，建議第一步是調(diào)整一下結(jié)構(gòu)體系布局，主體框架柱、框架梁主受力方向和大小的配合。）
疑問2：“考慮偶然偏心”和“考慮雙向地震作用”參數(shù)的選擇？
抗規(guī)5.1.1條規(guī)定，“質(zhì)量和剛度分布明顯不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響；其它情況，應(yīng)允許采用調(diào)整地震作用效應(yīng)的方法計(jì)入扭轉(zhuǎn)影響。”
高規(guī)3.3.3條規(guī)定，“結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑、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。”
結(jié)合規(guī)范條款和工作總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)一般性建筑僅計(jì)算單向地震作用時，可考慮偶然偏心的影響。對于高層建筑即便是均勻、對稱的結(jié)構(gòu)，也應(yīng)考慮偶然偏心影響，偶然偏心對結(jié)構(gòu)的影響是比較大的，特別是對于邊長較大結(jié)構(gòu)的影響是很明顯的。對于質(zhì)量和剛度分布明顯不對稱的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮雙向地震作用的影響。在實(shí)際操作中，一般性建筑可考慮偶然偏心的影響；高層建筑當(dāng)層間位移比小于1.2時應(yīng)考慮偶然偏心的影響，當(dāng)層間位移比大于1.2時應(yīng)考慮雙向地震作用。上述兩參數(shù)不建議同時勾選。
疑問3：計(jì)算書WZQ.OUT周期分析及處理方式
考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時的振動周期(秒)、X,Y方向的平動系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)
振型號周期轉(zhuǎn)角平動系數(shù)(X+Y)扭轉(zhuǎn)系數(shù)
11.798588.990.98(0.00+0.98)0.02
21.6523172.480.63(0.62+0.01)0.37
31.61219.210.40(0.39+0.01)0.60
上述參數(shù)是我剛做的一個項(xiàng)目的部分計(jì)算書，具體設(shè)計(jì)分析如下：
抗規(guī)3.5.3條第3小條，“結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近。”1號振型和2號振型平動系數(shù)分別為0.98和0.63，均為平動；3號振型平動系數(shù)為0.40，為扭轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意控制第一振型為平動，動力學(xué)認(rèn)為結(jié)構(gòu)的第一周期應(yīng)該是出現(xiàn)該振形時所需要的能量最小，第二周期所需要的能量次之，依次往后推。按照動力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)第一周期只與結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量、剛度和邊界條件有關(guān)，與外界力沒有關(guān)系，地震只是提供一個激振力，基底剪力是反映這個激振效果的一個指標(biāo)，這個除了以上的條件外，同時就跟地震參數(shù)有關(guān)，比如加速度的值，而結(jié)構(gòu)最容易出現(xiàn)振動的振型就應(yīng)該是第一振型，這個振型所需要的能量最小，最容易發(fā)生。這個就很容易理解為什么扭轉(zhuǎn)振型不能太靠前，起碼不能出現(xiàn)再第一振型。
1號振型、2號振型、3號振型周期分別為1.7985秒、1.6523秒、1.6121秒；1號振型、2號振型為平動，3號振型為扭轉(zhuǎn)。取第1平動周期1.7985秒，第1扭轉(zhuǎn)周期1.6121秒比較，1.6121/1.7985=0.8963
在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到各參數(shù)不滿足抗規(guī)和高規(guī)要求的情況，總結(jié)起來如下兩種情況：
第一或第二振型為扭轉(zhuǎn)；
周期比大于0.9。
結(jié)合設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)提出如下調(diào)整方式：
針對第一或第二振型為扭轉(zhuǎn)的調(diào)整方式。
1.1、結(jié)構(gòu)的剛度（包括側(cè)移剛度和扭轉(zhuǎn)剛度）與對應(yīng)周期成反比關(guān)系，即剛度越大周期越小，剛度越小周期越大；結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度貢獻(xiàn)最大。
1.2、當(dāng)?shù)谝徽裥蜑榕まD(zhuǎn)時，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于其兩個主軸（第二振型轉(zhuǎn)角方向和第三振型轉(zhuǎn)角方向，一般都靠近X軸和Y軸）的側(cè)移剛度過小，此時宜沿兩主軸適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，并適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度。
1.3、當(dāng)?shù)诙裥蜑榕まD(zhuǎn)時，說明結(jié)構(gòu)沿兩個主軸方向的側(cè)移剛度相差較大，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對其中一主軸（第一振型轉(zhuǎn)角方向）的側(cè)移剛度是合理的；但相對于另一主軸（第三振型轉(zhuǎn)角方向）的側(cè)移剛度則過小，此時宜適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿“第三振型轉(zhuǎn)角方向”的剛度，并適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（主要是沿第一振型轉(zhuǎn)角方向）的剛度。
特意注意：在進(jìn)行上述調(diào)整的同時，應(yīng)注意使周期比滿足規(guī)范的要求；當(dāng)?shù)谝徽裥蜑榕まD(zhuǎn)時，周期比肯定不滿足規(guī)范的要求；當(dāng)?shù)诙裥蜑榕まD(zhuǎn)時，周期比較難滿足規(guī)范的要求。
上述疑問和處理方式是本人在設(shè)計(jì)過程中遇到并總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，如有不對之處還請指正。
