建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計計算步驟

　　簡介： 新規(guī)范對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，結(jié)構(gòu)計算更加復(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。主要計算過程可以分為四步進行：整體參數(shù)計算，整體合理性計算，構(gòu)件優(yōu)化計算和抗震性能驗算。每步計算中又包含多次試算，在上一步計算取得合理結(jié)果以后，方可進行下一步計算，以便使結(jié)構(gòu)計算過程科學(xué)化，提高設(shè)計工作效率。
　　關(guān)鍵字：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 計算步驟 探討
　　新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范在結(jié)構(gòu)可靠度、設(shè)計計算、配筋構(gòu)造方面均有重大更新和補充，特別是對抗震及結(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)計不可能一次完成。如何正確運用設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，以滿足新規(guī)范的要求，是每個設(shè)計人員都非常關(guān)心的問題。以SATWE軟件為例，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算步驟的討論，對一個典型工程而言，使用結(jié)構(gòu)軟件進行結(jié)構(gòu)計算分四步較為科學(xué)。
　　1．完成整體參數(shù)的正確設(shè)定計算開始以前，設(shè)計人員首先要根據(jù)新規(guī)范的具體規(guī)定和軟件手冊對參數(shù)意義的描述，以及工程的實際情況，對軟件初始參數(shù)和特殊構(gòu)件進行正確設(shè)置。但有幾個參數(shù)是關(guān)系到整體計算結(jié)果的，必須首先確定其合理取值，才能保證后續(xù)計算結(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，在計算前很難估計，需要經(jīng)過試算才能得到。
　?。?）振型組合數(shù)是軟件在做抗震計算時考慮振型的數(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，使計算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費時間，還可能使計算結(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，抗震計算時，宜考慮平扭藕聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不宜小于15，對多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓的9倍，且計算振型數(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，振型數(shù)應(yīng)當(dāng)取得多些，如有彈性節(jié)點、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)工程實際情況及設(shè)計經(jīng)驗預(yù)設(shè)一個振型數(shù)計算后考察有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型個數(shù)，直到x，y兩個方向的有效質(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，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。
　?。?）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)計軟件可以自動計算出最大地震力作用方向并在計算書中輸出，設(shè)計人員如發(fā)祥該角度絕對值大于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”選項里并重新計算，以體現(xiàn)最不利地震作用方向的影響。
　　（3）結(jié)構(gòu)基本周期是計算風(fēng)荷載的重要指標(biāo)。設(shè)計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，待計算后從計算書中讀取其值，填入軟件的“結(jié)構(gòu)基本周期”選項，重新計算即可。
　　上述的計算目的是將這些對全局有控制作用的整體參數(shù)先行計算出來，正確設(shè)置，否則其后的計算結(jié)果與實際差別很大。
　　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。
　?。?）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，而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理?！陡咭?guī)》第4.3.5條對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第*自振周期Tt與平動為主的第*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)計軟件通常不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比，需要設(shè)計人員根據(jù)計算書中周期值自行判定第*扭轉(zhuǎn)（平動）周期。以下介紹實用周期比計算方法：
　　1）扭轉(zhuǎn)周期與平動周期的判斷：從計算書中找出所有扭轉(zhuǎn)系數(shù)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(shù)大于0.5的平動周期值從大到小排列；
　　2）第一周期的判斷：從列隊中選出數(shù)值最大的扭轉(zhuǎn)（平動）周期，查看軟件的“結(jié)構(gòu)整體空間振動簡圖”，看該周期值所對應(yīng)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*扭轉(zhuǎn)（平動）周期，要從隊列中取出下一個周期進行考察，以此類推，直到選出不僅周期值較大而且其對應(yīng)的振型為結(jié)構(gòu)整體振動的值即為第*扭轉(zhuǎn)（平動）周期；
　　3）周期比計算：將第*扭轉(zhuǎn)周期值除以第*平動周期即可。
　　（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“對所有樓層強制采用剛性樓板假定的選擇，以彈性樓板設(shè)定進行后續(xù)配筋計算。
　　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)，對選擇偶然偏心，單向地震，雙向地震下的位移比，設(shè)計人員應(yīng)正確選用。
　?。?）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)識這三種剛度比的計算方法和適用范圍是剛度比計算的關(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算剛度比，這也是軟件的缺省方式。
　?。?）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)計人員的足夠重視。
　?。?）剪重比是抗震設(shè)計中非常重要的參數(shù)。規(guī)范之所以規(guī)定剪重比，主要是因為長期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，由此計算出來的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。而對于長周期結(jié)構(gòu)，地震動態(tài)作用下的地面加速度和位移可能對結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確的計算。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，必須進行調(diào)整。
　　除以上計算分析以外，設(shè)計軟件還會按照規(guī)范的要求對整體結(jié)構(gòu)地震作用進行調(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、強柱弱梁與強剪弱彎調(diào)整等等，因程序可以完成這些調(diào)整，就不再詳述了。
　　3 對單構(gòu)件作優(yōu)化設(shè)計前幾步主要是對結(jié)構(gòu)整體合理性的計算和調(diào)整，這一步則主要進行結(jié)構(gòu)單個構(gòu)件內(nèi)力和配筋計算，包括梁，柱，剪力墻軸壓比計算，構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計等。
　?。?）軟件對混凝土梁計算顯示超筋信息有以下情況：
　　1）當(dāng)梁的彎矩設(shè)計值M大于梁的極限承載彎矩Mu時，提示超筋；
　　2）規(guī)范對混凝土受壓區(qū)高度限制：
　　四級及非抗震：ξ≤ξb
　　二、三級：ξ≤0.35（ 計算時取AS ‘＝0.3 AS ）
　　一級： ξ≤0.25（ 計算時取AS ‘＝0.5 AS ）
　　當(dāng)ξ不滿足以上要求時，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，提示超筋；
　　4）混凝土梁斜截面計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)定允許對剪力墻連梁剛度進行折減，折減后的剪力墻連梁在地震作用下基本上都會出現(xiàn)塑性變形，即連梁開裂。設(shè)計人員在進行剪力墻連梁設(shè)計時，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）柱軸壓比計算： 柱軸壓比的計算在《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，計算軸壓比的柱軸力設(shè)計值既包括地震組合，也包括非地震組合，而《高規(guī)》第6.4.2條規(guī)定，計算軸壓比的柱軸力設(shè)計值僅考慮地震作用組合下的柱軸力。軟件在計算柱軸壓比時，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)計值計算；當(dāng)該工程不考慮地震作用時，程序才取非地震作用組合下的柱軸力設(shè)計值計算。因此設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)，對于同一個工程，計算地震力和不計算地震力其柱軸壓比結(jié)果會不一樣。
　?。?）剪力墻軸壓比計算：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》對剪力墻均提出了軸壓比的計算要求。需要指出的是，軟件在計算斷指剪力墻軸壓比時，是按單向計算的，這與《高規(guī)》中規(guī)定的短肢剪力墻軸壓比按雙向計算有所不同，設(shè)計人員可以酌情考慮。
　　（5）構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計：計算結(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)計人員還應(yīng)進行構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計，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，在進行截面優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)以保證整體結(jié)構(gòu)合理性為前提，因為構(gòu)件截面的大小直接影響到結(jié)構(gòu)的剛度，從而對整體結(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)計經(jīng)驗的總結(jié)，也是保證結(jié)構(gòu)安全的最后一道防線，設(shè)計人員不可麻痹大意。
　?。?）設(shè)計軟件進行施工圖配筋計算時，要求輸入合理的歸并系數(shù)、支座方式、鋼筋選筋庫等，如一次計算結(jié)果不滿意，要進行多次試算和調(diào)整。
　?。?）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)允許裂縫寬度自動選筋，還可以考慮支座寬度對裂縫寬度的影響。

　?。?）施工圖生成以后，設(shè)計人員還應(yīng)仔細(xì)驗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)長度、鋼筋搭接錨固長度、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，屬于強制執(zhí)行條文，萬萬不可以掉以輕心。

　?。?）最后設(shè)計人員還應(yīng)根據(jù)工程的實際情況，對計算機生成的配筋結(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)整計算。