建筑结构设计新规范与软件SATWE的合理应用.docx

1、建筑结构设计新规范与软件SATWE的合理应用一、前言：随着建筑结构新规范全面颁布，新规范在工程设计已全面开始，这对于如何在工程设计中正确应用理解规范条文，正确选择设计软件及合理选取设计参数显得尤为重要。二、明确几个概念：1、“多塔结构”与“分缝结构”的区别：（1）“塔”的概念：这里的塔是个工程概念，指的是四边都有迎风面且在水平荷载作下可独自变行的建筑体部。将多个塔建在同一个大底盘体部上，叫多塔结构。（2）多塔结构的定义：对与大底盘多塔结构、巨型框架结构，如果把裙房部分按塔的形式切开计算，则裙房部分误差较大，且各塔的相互影响无法考虑。因此，程序采用了分块平面内无限刚的假定以减少自由度，且同时考虑

2、塔与塔的相互影响。对于多塔结构，各刚性楼板的信息程序自动定义。但其包含区域需由用户定义。（3）分缝结构：在一个大的建筑体部里，因设伸缩缝、沉降缝、抗震缝，分成了若干小的建筑体部，叫分缝结构。分缝结构与多塔结构区别是四边中有的边不是迎风面。（4）对分缝结构各块要分开计算。（5）多塔结构新规范条文注意事项：第一扭转周期与第一平动周期的比值限值、最大位移平动位移的比值限值，对多塔结构特别注意，目前程序是不对的，不能直接采用，必须将多塔结构分搭计算，方可判断两者的比值。2、“刚性楼板”与“弹性楼板”（1）刚性楼板是是指平面内设定为刚度无限大，内力计算时不考虑平面内外变形，与板厚无关，程序默认楼板为刚性

3、楼板。（2）弹性楼板：必须以房间为单元进行定义，与板厚有关，分以下三种情况：弹性楼板6：程序真实考虑楼板平面内、外刚度对结构的影响，采用壳单元，原则上适用于所有结构。但采用弹性楼板6计算时，楼板和梁共同承担平面外弯矩，其结果梁的配筋偏小，楼板承担的平面外弯矩计算配筋又未考虑，此外计算工做量大，因此该模型仅适用板柱结构。弹性楼板3：程序设定楼板平面内刚度为无限大，而仅考虑平面外刚度对结构的影响，采用壳单元，因此该模型仅适用厚板结构。弹性膜：程序真实考虑楼板平面内刚度，而假定平面外刚度为零。采用膜剪切单元，因此该模型适用钢楼板结构。注意：（1）弹性楼板仅适用于高层钢筋混凝土结构。（2）不适用于多层

4、钢筋混凝土结构及钢结构建筑。（3）多层钢筋混凝土结构及钢结构建筑中存在有弹性楼板时，可近似的按开洞处理，但要注意人工将荷载分配到周边梁上。3、有关振型的几个概念（1）振型参与系数：每个质点质量与其在某一振型中相应坐标乘积之和与该振型的主质量（或者说该模态质量）之比，即为该振型参与系数。（2）振型的有效质量：这个概念只对于串联刚片系有效（即基于刚性楼板假定的，不适用于一般结构），某一振型的某一方向的有效质量为各个质点质量与该质点在该一振型中相应方向对应坐标乘积之和的平方。（3）有效质量系数：如果计算时只取了几个振型，那么这几个振型的有效质量之和与总质量之比即为有效质量系数。用于判断参与参与振型数

5、足够与否，并将用于程序。（4）振型参与质量：某一振型的主质量（或者说该模态质量）乘以该振型的参振型与系数的平方，即为该振型的振型参与质量。（5）振型参与质量系数：由于有效质量系数只适用于刚性楼板假定，高规5.1.13条及抗规5.2.2条文说明，提出了用振型参与质量系数来判断参与振型数足够与否的方法。即选定振型个数的振型参与质量之和与总质量之比即为振型参与质量系数。这种方法适用于刚性楼板假定，也适用于弹性楼板。4、总刚与侧刚的概念（1）总刚：就是用结构的总刚阵和与之相对的质量阵按振型叠加法求解结构的周期及振型。结构的总刚阵即为结构静力分析时形成的结构总刚度矩阵。自由度数为N的高层结构，结构的总刚

6、度矩阵为N阶方矩阵，若定义有较大范围多的弹性楼板或有较多的不与楼板相连构件时，可准确分析出结构每层每根构件的空间反应，可发现结构的刚度突变部位，连接薄弱的构件以及数据有误的部位。缺点是计算量大，费时长。（2）侧刚：在高层结构分析中，为了提高分析效率，对于引入楼板平面内无限刚或分块无限刚，平面外刚度为零的假定后，采用一种简化计算方法，可已大大降低结构的自由度，使得结构每层只有3个独立的平动自由度，这就是侧刚的方法。优点是分析效率高，误差在允许范围。（3）若平面没有布置弹性楼板且没有不与楼板相连构件的工程，总刚、侧刚的结果是一致的。5、抗震措施与抗震构造措施概念（1）抗震措施：是指除地震作用计算和

7、抗力计算以外的设计内容，包括建筑总体布置，结构选型，地基抗液化措施，考虑概念设计要求对地震作用效应（内力及变形）的调整，以及各种构造措施。（2）抗震构造措施：是指根据抗震概念设计的原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分所采取的细部构造，如钢筋锚固、塔接，混凝土保护层，最小配筋率等。“抗震措施”涵盖了“抗震构造措施”，请注意：抗震等级划分属“抗震措施”。6、有关高层建筑超限的审查规定：建设部第111号令2002年7月25日颁发超限高层建筑工程抗震设防管理规定，所谓的超限高层建筑，是指：超出现行规范、规程的适应高度和适应结构类型的高层建筑工程，体型特别不规则的建筑工程，高位转换层（8度3层以上、

8、7度5层以上）及有关规范、规程规定应当进行抗震专项审查的高层建筑。注意：取消了对于高宽比超限时审查要求，高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定及经济合理性的宏观控制。弹性楼板6：程序真实考虑楼板平面内、外刚度对结构的影响，采用壳单元，原则上适用于所有结构。但采用弹性楼板6计算时，楼板和梁共同承担平面外弯矩，其结果梁的配筋偏小，楼板承担的平面外弯矩计算配筋又未考虑，此外计算工作量大，因此该模型仅适用板柱结构。弹性楼板3：程序设定楼板平面内刚度为无限大，而仅考虑平面外刚度对结构的影响，采用壳单元，因此该模型仅适用厚板结构。这对于SATWE参数中，梁的刚度取值是否为1.三、设计参数的合理选取1、抗

9、震等级的确定：钢筋混凝土房屋应根据烈度、结构类型和房屋高度的不同分别按抗规6.1.2条或高规4.8条确定本工程的抗震等级。但需注意以下几点：（1）上述抗震等级是“丙”类建筑，如果是“甲”、“乙”、“丁”类建筑则需按规范要求对抗震等级进行调整。（2）接近或等于分界高度时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件慎重确定抗震等级。（3）当转换层=3及以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部的抗震墙等级宜按抗规6.1.2条或高规4.8条查的抗震等级提高一级采用，已为特一级时可不调整。（4）短肢剪力墙结构的抗震等级也应按抗规6.1.2条或高规4.8条查的抗震等级提高一级采用但注意对多层短肢剪力墙结构可不提高。（

10、5）注意：钢结构、砌体结构没有抗震等级。计算时可选“5”，不考虑抗震构造措施。2、振型组合数的选取：在计算地震力时，振型个数的选取应是振型参与质量要达到总质量90%以上所需要振型数。但要注意以下几点：（1）振型个数不能超过结构固有振型总数，因一个楼层最多只有三个有效动力自由度，所以一个楼层也就最多可选3个振型。如果所选振型个数多于结构固有的振型总数，则会造成地震力计算异常。（2）对于进行耦联计算的结构，所选振型数应大于9个，多塔结构应更多些，但要注意应是3的倍数。（3）对于一个结构所选振型的多少，还必需满足有效质量参与系数大于90%.在WZQ.OUT文件里查看。3、主振型的判断；（1）对于刚度

11、均匀的结构，在考虑扭转耦联计算时，一般来说前两个或前几个振型为其主振型。（2）对于刚度不均匀的复杂结构，上述规律不一定存在，此时应注意查看SATWE文本文件“周期、振型、地震力”WZQ.OUT.程序输出结果中，给出了输出各振型的基底剪力总值，据此信息可以判断出那个振型是X向或Y向的主振型，同时可以了解那个振型对基底剪力的贡献大小。4、地震力、风力的作用方向：结构的参考坐标系建立以后，所求的地震力、风力总是沿着坐标系的方向作用。但设计者注意以下几种情况：（1）设计应注意查看SATWE文本文件“周期、振型、地震力”WZQ.OUT.输出结果中给出了地震作用的最大方向是否与设计假定一致，对于大于150

12、度时，应将此方向输入重新计算。（2）对于有斜交抗侧力构件的结构，当大于等于150度时，应分别计算各抗力构件方向的水平地震力。此处所指交角是指与设计输入时，所选择坐标系间的夹角。（3）对于主体结构中存在有斜向放置的梁、柱时，也要分别计算各抗力构件方向的水平地震力。5、周期折减系数：高规3.3.17条规定：当非承重墙体为填充砖墙时，高层建筑结构的计算自振周期折减系数，可按下列规定取值。（1）框架结构0.6-0.7；框架剪力墙结构0.7-0.8；剪力墙结构0.9-1.0；短肢剪力墙结构0.8-0.9.（2）请大家注意：周期折减是强制性条文，但减多少则不是强制性条文，这就要求在折减时慎重考虑，既不能太

13、多，也不能太少，因为折减不仅影响结构内力，同时还影响结构的位移。6、活荷载质量调整系数：该参数即为荷载组合系数。可按抗规5.1.3条取值。注意该调整系数只改变楼层质量，不改变荷载总值，即对竖向荷载作用下的内力计算无影响。7、关于柱长度计算系数混规7.3.11条规定了三种情况下柱计算长度的选取，设计者应根据实际情况区别对待。程序默认是7.3.11-2情况。8、关于阻尼比：不同的结构有不同的阻尼比，设计者应区别对待：钢筋混凝土结构：0.05；小于12层钢结构：0.03；大于12层钢结构：0.035；钢结构：0.05。9、关于梁的几个调整系数（1）刚度调整系数Bk：梁的刚度调整，主要是考虑现浇楼板对

14、梁的刚度贡献，楼板与梁按T形梁共同工作。而程序是按矩形算，故可考虑梁的刚度放大。一般可取1.52.0，在SATWE调整信息中应将中梁刚度放大系数取2.0。但对于预制楼板、板柱结构的等代梁取1.0，注意刚度调整系数对连梁不起作用。（连梁有专门的连梁刚度折减系数）（2）梁端负弯矩调整系数：框架梁在竖向荷载作用下梁端负弯矩调整系数，是考虑梁的塑性内力重分布。通过调整使梁端负弯矩减小，跨中正弯矩加大（程序自动加）。梁端负弯矩调整系数一般取0.85.注意：1、程序隐含钢梁为不调幅梁。2、不要将梁跨中弯矩放大系数与其混淆。（3）梁弯矩放大系数Bm：当不计算活载或不考虑活载不利布置时，可通过此参数调正梁在恒

15、、活载作用下的跨中正弯矩，一般取1.1-1.2.在选用时注意：如果活载考虑不利布置时则此系数取1.0.（4）连梁刚度折减系数BLz：主要是指那些与剪力墙一端或两端平行连接的梁，由于梁两端往往变位差很大，剪力就会很大，所以很可能出现超筋。这就要求连梁在进入塑性状态后，允许其卸载给剪力墙，而剪力墙的承载力往往较大，因此这样的内力重分布是可以的。一般取0.55-0.7.注意：如连梁的跨高比大于等于5时，建议按梁输入，因此时梁往往是受弯为主，刚度不应折减。（5）梁扭矩折减系数Tb：是针对新规范的梁抗扭设计而设的，由于目前梁在整体结构中的扭转问题研究的还不多，楼板对梁平面外究竟有多大约束作用，还不十分清

16、楚，所以程序给出的范围较大0.4-1.0，建议取0.4.注意：程序规定对于不与刚性楼板相连的梁及弧梁不起作用。10、关于顶部小塔楼放大系数：（1）对于顶部带有小塔楼的结构，在动力分析中，可能会出现鞭梢效应，即二次共振，这对结构很不利。实际计算过程中。如果参与振型选的足够多，则可不再调整顶部小塔楼的地震力。如果参与振型选的不够多时，则可按下列要求调整顶部小塔楼的地震力：计算模型振型个数放大系数非耦联3=NMODE63.0非耦联6=NMODE=91.5耦联9=NMODE123.0耦联12=NMODE=161.5（2）对于顶层带有空旷大房间或轻钢结构的房屋，不宜视为突出屋面的小塔楼，并采用底部剪力法

17、乘以增大系数的方法计算地震作用效应，而应视为结构体系的一部分，用振型分解法计算。11、关于质量偶然偏心：国外多数抗震规范认为，需要考虑由于施工、使用等因素所引起的质量偶然偏心或地震地面运动扭转分量的不利影响。我国新规范也考虑了这一因素。（1）高规3.3.3条要求：计算单向地震作用时应考虑质量偶然偏心的影响，每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值可取建筑物总长的5%；而抗规5.2.3条要求规则结构不进行扭转耦联计算时，平行于地震作用方向的两个边榀，其地震作用效应乘以增大系数。新程序按高规执行，主要是因为：考虑耦联对任何结构都适用；依靠程序自行确定边榀框架也较困难。（2）对于不规则结构必须选此项，主

18、要用来判断结构平面的规则性，见高规4.3.5条。特别注意此时，必须对所有楼层强制采用“刚性假定”，执行这一开关后，所计算的地震力、杆件内力均不能用，仅仅用来判断楼层的最大水平位移与层间位移比值。注意：对一个不规则结构，带弹性板的结构应计算两遍。一是强制楼板“刚性假定”控制位移，二是按真实情况计算地震力、杆件内力。12、关于双向地震的扭转效应：（1）抗规5.1.1条及高规3.3.2条要求：质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响，现在程序是按主方向的弯矩、剪力和轴力按0.85开平方。即：S2XY=SX2+（0.85SY）2.S2YX=SY2+（0.85SX）2.

19、（2）当计算双向水平地震作用下的扭转影响时，程序允许同时考虑质量偶然偏心及双向地震作用，此时仅对无偏心的地震作用效应进行双向水平地震作用计算。当然两者也可不同时考虑。（3）高规3.3.3条要求：“计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响”；而条文说明：“当计算双向地震作用时，可不考虑质量偶然偏心的影响”。13、关于楼层刚计算方法的选取：程序给出了三种计算方法，三种计算方法可能给出差别较大的刚度比，所以设计应根据工程的实际情况做出正确选择，可按下列原则选取：（1）剪切刚度：即高规附录E.0.1建议的方法。对于底层大空间层数为层时，可近似采用转换层上、下结构的等效剪切刚度比表示转换层上、下结构的刚度

20、变化。此时可近似只考虑剪切变形的影响，适用于多层（砌体、底框），不带转换层的剪力墙结构也宜选用此项。（2）剪弯刚度：即高规附录E.0.2建议的方法（是按有限元法，通过加单位力计算的）。对于底层大空间层数大于一层时，可近似采用转换层上、下结构的等效剪切刚度比表示转换层上、下层的刚度变化，此时同时考虑结构剪切变形和弯曲变形的影响，适用于带斜撑的钢结构、不带转换层的框架剪力墙结构也宜选用此项。（3）地震剪力与地震层间位移比值：即抗规建议的方法。适用于其它多层结构。注意：1、上述三种方法计算刚度的含义是不同的，差异较大。如果仅有一个标准层的简单框架结构，按方法1、2计算各层的刚度都相同，按方法3计算各

21、层的刚度不相同。2、对于高位转换层（8度三层、7度五层以上），建议人工按高规附录E.0.2分别建两个模型计算。14、关于P效应：重力二阶效应一般称为P效应，在建筑结构分析中指的是竖向荷载的侧移效应。当结构发生水平位移时，竖向荷载就会出现垂直于变形后的的竖向轴线分量，这个分量将增大水平位移量，同时也会增大相应的内力，这在本质上是一种几何非线性效应。设计者可根据需要选择考虑或不考虑P效应。注意：（1）这里考虑的是针对结构原始刚度计算的P效应，与混规7.3.12条考刚度折减的要求是完全不同的。（2）只有高层钢结构和不满足高规5.4.1条的高层混凝土结构才需要考虑P效应对应水平力作用下结构内力和位移的

22、不利影响。（3）计算完后设计可打开SATWE文本文件“结构设计信息输出文件WMASS.OUT文件”，查看是否满足要求。（4）高厚比超限的钢筋混凝土的设计者应特别注意。15、关于上部结构嵌固端的选取：高规5.2.7条规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固层时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍，而规范中设计内力调整系数所对应的底层即指嵌固层楼板。因此，正确选取嵌固层就成为结构整体计算是否正确的关键。但是目前程序还不能自动判断嵌固层位置，这就需要设计者人工干预。SATWE提供了两种考虑基础回填土对结构约束作用的方法：（1）方法一：输入基础回填土对结构约束的相对刚度，即输入基础

23、回填土对结构约束刚度与地下室抗侧移侧移刚度的比值，若取该参数为0，则认为基础回填土对结构没有约束作用，即结构在基础底板处嵌固。若取该参数为5，则认为结构的地下室部分基本没有位移，即相当于认为结构在地下室顶板处嵌固。（2）方法二：指定地下室水平嵌固层数。如对一个有M层地下室的结构，可指定m（m=M）层地下室没有水平位移。（3）首先按实有地下室层数进行第一次计算，先假设回填土对地下室抗侧移侧移刚度的比值为3，然后打开SATWE文本文件“结构设计信息输出文件WMASS.OUT文件”，查看地下结构与地上一层抗侧移侧移刚度的比值，如果地下结构与地上一层抗侧移侧移刚度的比值2.0，则可认为结构在地下室顶板

24、处嵌固。如果。地下结构与地上一层抗侧移侧移刚度的比值2.0，则可认为地上结构不能完全嵌固在地下室顶板处，此时建议将嵌固下移至基础底板处。注意：1、结构的侧刚是结构自身固有的特性，不会因地下室层数的变化而变化。2、当地下室顶板不能作为嵌固上部结构时，单纯将地下室结构加入到上部结构进行计算，即认为嵌固层位置在地下顶板以下或更低，则可能造成结构内力与位移计算结果不符合实际，有时甚至导致薄弱层位置变化等，因此在设计时应将两种计算结果进行比较，取最不利结果作为设计依据。3、设计时应注意无论计算是否考虑地下室外回填土对结构的约束作用，地下室外墙在计算时均未考虑土压力的作用。和用户手册有矛盾，请测试关于阻尼

25、比：不同的结构有不同的阻尼比：钢筋混凝土结构：0.05；小于12层钢结构：0.03；大于12层钢结构：0.035；钢结构：0.05。按GB50011-20018.2.2：小于12层钢结构：0.035；大于12层钢结构：0.02；罕遇地震下的钢结构：0.05。四、地震作用的调整1.最小地震剪力调整抗规5.2.5条规定，抗震验算时，结构任一楼层的水平地震的剪重比不应小于表5.2.5给出的最小地震剪力系数，此条程序自动调整，无须人工干预。但建议设计者注意查看SATWE文本文件“周期、地震力及振型输出文件WZQ.OUT”，目的是从中可判断薄弱层所在楼层。2.0.2Q.的调整系数对于框架剪力墙结构，一般

26、剪力墙的刚度很大，剪力墙吸收了大量的地震力，而框架所承担的地震力很小。对于框架部分，如果按这样的地震力进行设计，在剪力墙开裂后会很不安全，所以需要让框架部分承担至少20%的基底剪力和按框架剪力墙分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值，以增加框架的安全度，但在考虑调整时还须注意以下几点：a.对柱少剪力墙多的框架剪力墙结构，让框架梁柱承担20%的基底剪力会使放大系数过大，以致梁柱无法设计。所以20%的调整一般只用于主体结构，一旦结构内收则不应往上调整。b.若考虑调整后框架梁柱内力增加过大，可调整文件中的放大系数，程序将按WV02Q.OUT中的系数调整。c.0.20调整的放大系数只

27、针对框架梁柱的弯矩及剪力，不调整轴力。d.对于侧向刚度沿竖向分布不均匀的框架剪力墙结构，如多塔结构或大底盘结构，已不在抗规6.2.13条规定的范围内，对这类结构进地调整时需特别注意。e.程序对框剪结构，依据规范要求进行0.2调整，设计者可以指定调整楼层范围，同时，也可人工干预调整系数。3.竖向不规则结构地震作用效应调整抗规3.4.3条及高规5.1.14条规定：楼层侧向刚度小于上层的70%或其上三层平均值的80%时，其薄弱层地震剪力应乘以1.15的增大系数。设计者应注意：此条要求设计者必须指出薄弱层所在楼层，然后程序将根据设计者指定的薄弱层层号，将这些楼层地震作用的内力乘以1.15的增大系数。4

28、.特殊构件地震力调整系数（1）。转换梁在地震作用下的内力调整：高规10.2.23条规定：转换梁在特一级、一级、二级抗震设计时，地震作用下的内力分别放大1.8、1.5、1.25倍。设计时注意：设计必须在特殊构件定义时人工定义了转换梁，则程序会自动对其进行调整。（2）。框支柱在地震作用下的内力调整：高规10.2.7条规定也要调整，设计时注意：设计必须在特殊构件定义时人工定义了框支柱，则程序会自动对其进行调整。由于调整系数往往很大，为了避免异常情况，程序给出一个控制开关，设计者可决定是否对与框支柱相连的框架梁的弯矩剪力进行调整。（3）。另外对于“不调幅的梁”、“铰接梁”、“滑动支座梁”、“刚性梁”、

29、“铰接件”、“铰接支撑”、“弹性楼板”、“临空墙”等均需人工定义。5.其它构件地震力调整系数如果整个结构的抗震等级确定，则（除特殊要求构件外）各构件的设计内力调整均由程序自动完成，不需人工干预。五、结构整体性能的控制对于一个建筑结构设计，主要需从以下几个方面对结构整体性能进行控制：1、水平位移限值（层间位移）高规4.6.3条按弹性方法计算楼层层间最大位移与层高之比/h宜符合以下规定：高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比/h不宜大于表4.6.3的限值；高度等于或大于250m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比/h的限值不宜大于1/500；高度在150m250m之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比/h的限值按本条第一款和第二款的限值线性插入取用。题点注意：a.楼层层间最大位移以楼层最大的水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形。b.抗震设计时，本条规定的楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。2.位移比控制高规4.3.5条规定，结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和结构层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。