多层框架房屋STAWE结构整体计算时设计参数合理选取的几点思考

摘要：多层框架房屋结构设计中如何确保工程项目的安全性和经济性，在结构整体计算中的参数选取对其有着极为重要的作用。本文主要从以下几点，针对多层框架房屋结构整体计算进行了简单思考。

关键词：多层框架房屋结构设计；安全性；合理性；经济性

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，结构设计计算软件的成熟，结构工程师们越来越依赖结构软件的计算，虽然我国设计行业已经实行注册制度，但现阶段设计人员业务素质良莠不济，有的设计人员只知道按软件默认的参数设置进行计算，各类参数与实际情况不符合，对计算结果不能做出合理的判断，这在很大程度上为建筑工程埋下了安全隐患，而且还造成了经济浪费。在设计中，要以规范为标准，按工程实际情况，合理取舍计算参数，对所有计算结果的分析和判断，保证其数据的正确性、合理性以及科学性，待所有的数据都合理取舍后，再进行结构设计。

在目前结构计算普遍采用PKPM结构计算软件的情况下，为了保证结构计算的合理性和有效性，准确地分析和选择计算信息中各项参数显得尤为重要。多层框架房屋结构设计中如何确保工程项目的安全性和经济性，在结构整体计算中的参数选取对其有着极为重要的作用。本文主要从以下几点，针对多层框架房屋结构整体计算设计参数进行梳理分析。

1、水平力的夹角参数

实际上是指水平力与整体坐标之间的夹角参数，建筑物的整体坐标建立以后，认为风荷载和地震力总是沿着坐标轴方向作用，将建筑物沿顺时针方向旋转一个角度，使结构在设定的坐标系下，风荷载和地震力作用下，处于最不利的受力状态下。计算结果表明，在水平力夹角不是零的情况下，结果在结构整体计算中应该选择总刚度分析方法，则结构本身的周期、振型等固有特性不会改变，也就是结构的周期值、各周期振型的平动系数、扭转系数不变，但是平动系数的两个方向的分量有所改变；如果在结构整体计算中选择侧刚分析方法，结构模型的侧向刚度将随之改变，结构的周期和振型也会发生变化，因此建议在结构整体结构计算时，在各种情况下均采用总刚分析方法，不应采用侧刚分析方法。地震作用具有不确定性和不可预知性，不可能按人的意志，作用方向与结构坐标平行，因此必然存在一个角度使得结构的地震反应最大。在结构计算中先按00角计算，可以再SATWE软件计算结果文件WZO.OUT中查到的地震作用最不利的方向角，如果这个角度大于15°时，应将这个角度输入到“水平力的夹角”选项中，并重新进行结构整体计算，以体现最不利的地震作用影响。

2、结构基本周期

基本周期是指结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间，基本周期应该取决于建筑物的结构形式，各种结构形式都是定数，结构的基本周期可采用结构力学方法计算，对于比较规则的结构，也可以采用近似方法计算。荷载规范附录F提供了近似计算公式，SATWE软件隐含的结构基本周期T_就是按照近似公式计算的，与结构分析后输出的真实计算周期值在多数情况下差别较大，影响了风荷载的准确计算，特别在较高风压地区影响更为明显。为了获得较准确的脉动增大系数和风振系数，从而准确地计算风荷载标准值，应将输出文件WZQ.OUT中查到的计算基本自振周期值代入，再重新进行结构整体计算。在WZQ.OUT文件中，绝不能简单地将排列在第一位的振型作为第一平动为主的振型，一般来说，可以直接以PKPM程序输出的“周期、地震力与振型输出文件”WZO.OUT文件中扭转因子比例来判断，即：扭转因子大于50%的振型为以扭转为主的振型。那么，依振型1、2、3……的顺序，你就可以找到第一个扭转振型了，显然，第一个以平动为主的振型也就是第一个扭转因子不大于50%的振型，但是这里要注意，从概念上讲，并不能绝对地说只要排列在第一位且扭转因子不大于50%的振型，就一定是以平动为主的第一振型！尽管对多数一般结构来说不会出现这个问题，但是对于某些扭转不利的结构，还要看其X、Y两方向基底地震剪力大小才能判定，X、Y方向的基底地震剪力之和较大的振型才为第一振型。例如这样一个结构，程序计算结果显示，第一、第二振型均是平动振型，第三振型为扭转振型，但是第一和第二振型扭转因子比例中，X、Y值比较接近或扭振成分较高，就要查看X、Y方向地震剪力值，看看对应于第一、第二振型的X、Y两方向基底地震剪力之和谁大？很有可能出现这样的结果，对应于第二振型的地震剪力之和大于第一振型的！那么，以平动为主的第一振型就不是前面程序给出的排列在第一位的那个振型了。

工程实例（T形平面）：

可以看到，该工程虽然在排列上似乎应该是第一振型以平动为主，但是比较了X、Y方向的基低地震剪力发现，第一振型对应的剪力5109.76+2.16

3、刚性楼板假定

根据抗震规范要求，在计算结构的位移比、周期比、层刚度比时，应选择对全楼强制采用刚性楼板假定，即假定楼板在平面内刚度无限大，在平面外刚度为零。由于忽略了楼板平面外的刚度，使结构总刚度偏小。为此，规范建议用楼面梁刚度增大系数来近似考虑楼板平面外刚度的影响。SATWE软件除刚性楼板假定外，还推出了弹性楼板3、弹性楼板6、弹性膜的计算假定，我们应根据工程实际情况，合理地选择楼板计算假定。对于楼板平面形状比较规则的普通结构，可以选用刚性楼板假定；对于楼板平面有较大凹凸、楼板开洞较大而使楼板有较大削弱等情况，在结构整体计算时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型。对于一项工程，可整体采用一种楼板假定，也可以对不同部位采用不同的楼板假定。

4、梁刚度放大系数

在结构整体计算时，钢筋混凝土框架梁是按矩形截面输入并计算的，在刚性楼板假定条件下，无法考虑楼板对结构的贡献。因此规范规定，在结构进行内力和位移计算时，可通过采用梁刚度增大的方法来近似考虑楼板对结构刚度的增大作用。楼面梁刚度增大系数可根据楼板的厚度、梁截面尺寸和梁间距等因素，取1.3～2.0。当梁截面较小而楼板相对较厚时，可取大值；当梁截面较大而楼板相对较薄时，可取小值。确定梁刚度放大系数以后，软件程序会自动区分中间榀框架梁和边榀框架梁，两侧均与刚性楼板相连的框架梁，其增大系数为BK：仅一侧与刚性楼板相连的框架梁，其增大系数为[1.0+（BR-1.0）/2]。

5、梁端弯矩调幅系数和梁活荷载内力增大系数

弯矩调幅法是钢筋混凝土结构考虑塑性内力重分布的一种方法。根据混凝土结构设计规范5.4.3条规定，钢筋混凝土梁支座的负弯矩调幅幅度不宜大于25%；弯矩调整后的梁端截面相对受压区高度不应超过0.35，且不宜小于0.10。梁端弯矩调幅系数仅对竖向荷载作用下的梁端弯矩进行调幅，不对水平荷载或水平地震作用下的梁端弯矩进行调整。通过调整，适当减少梁端负弯矩，相应增大跨中弯矩。梁端调幅系数Bl的取值范围可为B1=0.8-0.9，在取值范围内时，梁端截面开裂宽度可控制在规范允许的最大裂缝限制内，通常一般工程B1=0.85。梁活荷载内力增大系数只针对梁上活荷载满布的情况，考虑到满布荷载计算的梁的活荷载弯矩偏小，程序设置梁活荷载内力增大系数来提高梁的安全性，一般工程建议取值1.1～1.2。如果已考虑荷载不利组合，则梁活荷载内力放大系数取1.0。

6、模拟施工荷载

在SATWE软件的竖向荷载计算信息中，软件一共提供了四种模拟施工加载的计算方法。①一次性加载方式，这种计算方法是假定结构施工已经完成，然后将荷载一次性地加到结构上。这种方法与工程实际情况不同，容易造成结构竖向位移偏大，框架梁端负弯矩偏小，目前情况下，已很少采用一次性加载方式来进行结构整体计算。②模拟施工加载1方式，也是假定施工已经完成，然后再将荷载分层加到结构上，这种加载方式与实际情况仍有差别，但结构的竖向位移有所改善，是比较常用的施工模拟加载方式，比较适用于低层结构。③模拟施工加载2方式，与模拟施工加载1相比，主要区别在于其先讲结构的竖向构件刚度放大10倍，然后再按模拟施工加载1方式进行加载，目的是消弱竖向荷载按构件刚度的重分配，使竖向构件的轴力比较均匀，接近手工计算结果。④模拟施工加载3方式，这种加载方式比较真实地模拟结构竖向荷载的加载过程，先分层计算各层刚度后，再分层加载，计算结果更符合工程实际。因此，在进行结构整体计算时，应优先选择模拟施工加载3方式来进行结构的竖向荷载计算，以保证结构的安全。

7、计算振型数

采用振型分解反应谱法进行结构地震作用计算时，为了提高地震作用和作用效应的分析精度，对结构整体计算时的计算振型数提出要求。根据抗震规范5.2.2条文说明指出，振型分解反应谱法所需要的振型数一般可取振型参与质量达到总质量的90%时所需的振型数。抗震设计时，对一般结构计算振型数不应少于9；对多塔楼结构，整体计算时计算振型数不应少于塔楼数的9倍。当结构计算采用刚性楼板假定时，计算振型数至少取3，但不得大于结构楼层数的3倍。因为每块刚性楼板具有两个独立的水平平动自由度和一个独立的转动自由度，即每块刚性楼板只有3个独立的自由度数。如果输入的计算振型数已经较大，其振型参与质量仍少于总质量的90%，则应认真分析，是结构方案不合理还是计算模型不当，或是其他原因。

8、结构周期折减系数

SATWE软件在计算结构的内力和位移时，只考虑了结构主要构件的刚度，没有考虑非承重构件的刚度，因而结构的计算自振周期较实际自振周期长。抗震设计时，若以结构的计算周期来计算地震作用，将使结构的地震剪力偏小，使结构偏于不安全。为此，抗震规范13.2.1条和高规4.3.14条规定，抗震设计时，结构的计算自振周期应考虑非承重结构的刚度的影响而予以折减。结构的周期折减系数不改变结构的自振特性，只改变结构的地震影响系数，从而改变结构的地震剪力。

9、结束语

在运用结构整体计算软件时，作为结构设计工程师应理解各项参数的含义，正确选择合理的参数值，认真分析和选择计算结构，确保计算结果符合结构实际状况，确保结构计算的安全性、合理性、经济性。