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新規(guī)范下的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟探討(一)

2010-10-12 18:11  來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)  【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  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(mǎn)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(wèn)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(kāi)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(guò)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!陡邔咏ㄖ炷两Y(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(shū)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(shū)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(shū)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(lái),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(guò)大的扭轉(zhuǎn)。也就是說(shuō),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(mǎn)足規(guī)范的要求,說(shuō)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(shū)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(shū)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(lèi)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(mǎn)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(mǎn)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(lái)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(mǎn)足要求,則說(shuō)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。

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