如何运用设计软件进行建筑结构设计

      【摘 要】本文以SATWE为例，讨论了建筑结构在运用设计软件设计时，如何依据现行国家规范正确地进行参数设置，并根据计算结果判断各项设计指标的合理性。 

　　【关键词】SATWE；参数；指标 

　　现今，在建筑结构设计中，计算机辅助设计已经非常普及，如何正确运用设计软件进行结构设计，以满足现行国家规范的要求，是每个设计人员都非常关心的问题。下面以SATWE为例进行讨论。 

　　1.完成整体参数的正确设置 

　　设计计算开始以前，设计人员应该首先对软件参数进行正确设置。在一个工程中其中一些参数是关系到整体计算结果的，只有正确设置，才能保证其计算结果的正确性。这些参数包括振型组合数、最大地震力作用方向和结构基本周期等。 

　　（1）振型组合数是软件在做抗震计算时考虑振型的数量。该值取值太小不能正确反映结构的实际情况，使计算结果失真；取值太大，不仅浪费时间，还可能使计算结果发生畸变。一般情况是振型数的多少与结构层数及结构自由度有关，当结构层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数应当取得多些。振型组合数是否取值合理，可以看软件计算书中的x，y向的有效质量系数是否大于0.9。具体操作是，首先根据工程实际情况及设计经验预设一个振型数计算后考察有效质量系数是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型个数，直到x，y两个方向的有效质量系数都大于0.9为止。必须指出的是，结构的振型组合数并不是越大越好，其最大值不能超过结构得总自由度数。（2）最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用，结构地震反应的大小也各不相同，那么必然存在某个角度是结构地震反应最不利方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算结果中输出，设计人员如发现该角度绝对值大于15度，应将该数值回填到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。（3）结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员如果不能事先知道其准确值，可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，重新计算即可。 

　　2.确定整体结构的合理性 

　　整体结构的合理性是现行规范特别强调的内容。现行规范用于控制结构整体性的指标主要有：周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比等。 

　　（1）周期比是控制结构扭转效应的重要指标。它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效更合理，使结构不至出现过大的扭转。《高规》第4.3.5条对结构周期比做了规定。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员需要调整抗侧力构件的平面布置。 

　　设计软件通常不直接给出结构的周期比，需要设计人员根据计算结果自行判定第一扭转（平动）周期。以下介绍实用周期比计算方法：1）扭转周期与平动周期的判断：从计算结果中找出所有扭转系数大于0.5的平动周期，按周期值从大到小排列。同理，将所有平动系数大于0.5的平动周期值从大到小排列；2）第一周期的判断：从中选出数值最大的扭转（平动）周期，查看软件的“结构整体空间振动简图”，看该周期值所对应的振型的空间振动是否为整体振动，如果其仅仅引起局部振动，则不能作为第一扭转（平动）周期，要依次查看每一个周期，至到找出不仅周期值较大而且其对应的振型为结构整体振动的值即为第一扭转（平动）周期；3）周期比计算：第一扭转周期除以第一平动周期。 

　　（2）位移比（层间位移比）是控制结构平面不规则性的重要指标。其限值在《建筑抗震设计规范》和《高规》中均有明确的规定，这里不再赘述。需要指出的是，现行规范中的位移比限值是按刚性板假定做出的，如果在结构模型中设定了弹性板，则必须在软件参数设置时选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”，以便计算出正确的位移比。在位移比满足要求后再去掉该选择来进行后续配筋的计算。 

　　（3）刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。根据《抗震规范》和《高规》的要求，软件提供了三种刚度比的计算方式，分别是剪切刚度，剪弯刚度和地震力与相应的层间位移比。正确认识这三种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键：1）剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定；2）剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构；3）地震力与层间位移比是执行《抗震规范》第3.4.2条和《高规》4.3.5条的相关规定，通常绝大多数工程都可以用此法计算刚度比。 

　　（4）层间受剪承载力之比也是控制结构竖向不规则的重要指标。其限值可参考《抗震规范》和《高规》的规定。 

　　（5）刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效的主要参数。该值如果不满足要求，则可能引起整体结构失稳倒塌。 

　　（6）剪重比是抗震设计中非常重要的参数。在长期作用下，地震影响系数下降较快，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构，地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，但采用振型分解法时无法对此作出准确的计算。因此，出于安全考虑，规范规定了各楼层水平地震力的最小值，该值如果不满足要求，则说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位，必须进行调整。 

　　3.结语 

　　上述以外，设计软件还会按照规范的要求对整体结构地震作用进行调整，如最小地震剪力调整、特殊结构地震作用下内力调整、0.2Q0调整、强柱弱梁与强剪弱弯调整等等，因程序可以完成这些调整，这里不再赘述。 [科] 

　　【参考文献】 

　　[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2001）（2008年版）中国建筑工业出版社，2008. 

　　[2]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）中国建筑工业出版社，2002. 

　　[3]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）用户手册及技术条件中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部，2008，10. 

　　[4]PKPM结构软件若干常见问题剖析.中国建筑工业出版社，2009.