建筑工程結構設計計算步驟

　　簡介： 新規范對建筑結構設計提出了更高的要求，結構計算更加復雜多樣，因此不可能一次完成，而應當從整體到局部、分層次完成。主要計算過程可以分為四步進行：整體參數計算，整體合理性計算，構件優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果以后，方可進行下一步計算，以便使結構計算過程科學化，提高設計工作效率。
　　關鍵字：建筑結構設計 計算步驟 探討
　　新的建筑結構設計規范在結構可靠度、設計計算、配筋構造方面均有重大更新和補充，特別是對抗震及結構的整體性，規則性作出了更高的要求，使結構設計不可能一次完成。如何正確運用設計軟件進行結構設計計算，以滿足新規范的要求，是每個設計人員都非常關心的問題。以SATWE軟件為例，進行結構設計計算步驟的討論，對一個典型工程而言，使用結構軟件進行結構計算分四步較為科學。
　　1．完成整體參數的正確設定計算開始以前，設計人員首先要根據新規范的具體規定和軟件手冊對參數意義的描述，以及工程的實際情況，對軟件初始參數和特殊構件進行正確設置。但有幾個參數是關系到整體計算結果的，必須首先確定其合理取值，才能保證后續計算結果的正確性。這些參數包括振型組合數、最大地震力作用方向和結構基本周期等，在計算前很難估計，需要經過試算才能得到。
　?。?）振型組合數是軟件在做抗震計算時考慮振型的數量。該值取值太小不能正確反映模型應當考慮的振型數量，使計算結果失真；取值太大，不僅浪費時間，還可能使計算結果發生畸變。《高層建筑混凝土結構技術規程》5.1.13-2條規定，抗震計算時，宜考慮平扭藕聯計算結構的扭轉效應，振型數不宜小于15，對多塔結構的振型數不應小于塔樓的9倍，且計算振型數應使振型參與質量不小于總質量的90％。一般而言，振型數的多少于結構層數及結構自由度有關，當結構層數較多或結構層剛度突變較大時，振型數應當取得多些，如有彈性節點、多塔樓、轉換層等結構形式。振型組合數是否取值合理，可以看軟件計算書中的x，y向的有效質量系數是否大于0.9.具體操作是，首先根據工程實際情況及設計經驗預設一個振型數計算后考察有效質量系數是否大于0.9，若小于0.9，可逐步加大振型個數，直到x，y兩個方向的有效質量系數都大于0.9為止。必須指出的是，結構的振型組合數并不是越大越好，其最大值不能超過結構得總自由度數。例如對采用剛性板假定得單塔結構，考慮扭轉藕聯作用時，其振型不得超過結構層數的3倍。如果選取的振型組合數已經增加到結構層數的3倍，其有效質量系數仍不能滿足要求，也不能再增加振型數，而應認真分析原因，考慮結構方案是否合理。
　?。?）最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用，結構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構地震反應值最大的最不利地震作用方向。設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，設計人員如發祥該角度絕對值大于15度，應將該數值回填到軟件的“水平力與整體坐標夾角”選項里并重新計算，以體現最不利地震作用方向的影響。
　?。?）結構基本周期是計算風荷載的重要指標。設計人員如果不能事先知道其準確值，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“結構基本周期”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先行計算出來，正確設置，否則其后的計算結果與實際差別很大。
　　2.確定整體結構的合理性整體結構的科學性和合理性是新規范特別強調內容。新規范用于控制結構整體性的主要指標主要有：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。
　?。?）周期比是控制結構扭轉效應的重要指標。它的目的是使抗側力的構件的平面布置更有效更合理，使結構不至出現過大的扭轉。也就是說，周期比不是要求就構足夠結實，而是要求結構承載布局合理。《高規》第4.3.5條對結構扭轉為主的第*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定。如果周期比不滿足規范的要求，說明該結構的扭轉效應明顯，設計人員需要增加結構周邊構件的剛度，降低結構中間構件的剛度，以增大結構的整體抗扭剛度。
　　設計軟件通常不直接給出結構的周期比，需要設計人員根據計算書中周期值自行判定第*扭轉（平動）周期。以下介紹實用周期比計算方法：
　　1）扭轉周期與平動周期的判斷：從計算書中找出所有扭轉系數大于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：從列隊中選出數值最大的扭轉（平動）周期，查看軟件的“結構整體空間振動簡圖”，看該周期值所對應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（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的振型為結構整體振動的值即為第*扭轉（平動）周期；
　　3）周期比計算：將第*扭轉周期值除以第*平動周期即可。
　?。?）位移比（層間位移比）是控制結構平面不規則性的重要指標。其限值在《建筑抗震設計規范》和《高規》中均有明確的規定，不再贅述。需要指出的是，新規范中規定的位移比限值是按剛性板假定作出的，如果在結構模型中設定了彈性板，則必須在軟件參數設置時選擇“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，以彈性樓板設定進行后續配筋計算。
　　此外，位移比的大小是判斷結構是否規則的重要依據，對選擇偶然偏心，單向地震，雙向地震下的位移比，設計人員應正確選用。
　　（3）剛度比是控制結構豎向不規則的重要指標。根據《抗震規范》和《高規》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的層間位移比。正確認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鍵：
　　1）剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉換結構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換結構；
　　3）地震力與層間位移比是執行《抗震規范》第3.4.2條和《高規》4.3.5條的相關規定，通常絕大多數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構豎向不規則的重要指標。其限值可參考《抗震規范》和《高規》的有關規定。
　?。?）剛重比是結構剛度與重力荷載之比。它是控制結構整體穩定性的重要因素，也是影響重力二階效的主要參數。該值如果不滿足要求，則可能引起結構失穩倒塌，應當引起設計人員的足夠重視。
　?。?）剪重比是抗震設計中非常重要的參數。規范之所以規定剪重比，主要是因為長期作用下，地震影響系數下降較快，由此計算出來的水平地震作用下的結構效應可能太小。而對于長周期結構，地震動態作用下的地面加速度和位移可能對結構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確的計算。因此，出于安全考慮，規范規定了各樓層水平地震力的最小值，該值如果不滿足要求，則說明結構有可能出現比較明顯的薄弱部位，必須進行調整。
　　除以上計算分析以外，設計軟件還會按照規范的要求對整體結構地震作用進行調整，如最小地震剪力調整、特殊結構地震作用下內力調整、0.2Q0調整、強柱弱梁與強剪弱彎調整等等，因程序可以完成這些調整，就不再詳述了。
　　3 對單構件作優化設計前幾步主要是對結構整體合理性的計算和調整，這一步則主要進行結構單個構件內力和配筋計算，包括梁，柱，剪力墻軸壓比計算，構件截面優化設計等。
　　（1）軟件對混凝土梁計算顯示超筋信息有以下情況：
　　1）當梁的彎矩設計值M大于梁的極限承載彎矩Mu時，提示超筋；
　　2）規范對混凝土受壓區高度限制：
　　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ξ不滿足以上要求時，程序提示超筋；
　　3）《抗震規范》要求梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率2.5%，當大于此值時，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。
　?。?）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，而各規范均要求剪力墻主筋的配筋面積以邊緣構件方式給出，沒有最大配筋率。所以程序給出的剪力墻超筋是警告信息，設計人員可以酌情考慮；
　　2）剪力墻水平筋超筋則說明該結構抗剪不夠，應予以調整；
　　3）剪力墻連梁超筋大多數情況下是在水平地震力作用下抗剪不夠。規范中規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塑性變形，即連梁開裂。設計人員在進行剪力墻連梁設計時，還應考慮其配筋是否滿足正常狀態下極限承載力的要求。
　?。?）柱軸壓比計算： 柱軸壓比的計算在《高規》和《抗震規范》中的規定并不完全一樣，《抗震規范》第6.3.7條規定，計算軸壓比的柱軸力設計值既包括地震組合，也包括非地震組合，而《高規》第6.4.2條規定，計算軸壓比的柱軸力設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計值計算；當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計值計算。因此設計人員會發現，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果會不一樣。
　　（4）剪力墻軸壓比計算：為了控制在地震力作用下結構的延性，新的《高規》和《抗震規范》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》中規定的短肢剪力墻軸壓比按雙向計算有所不同，設計人員可以酌情考慮。
　　（5）構件截面優化設計：計算結構不超筋，并不表示構件初始設置的截面和形狀合理，設計人員還應進行構件優化設計，使構件在保證受力要求的德條件下截面的大小和形狀合理，并節省材料。但需要注意的是，在進行截面優化設計時，應以保證整體結構合理性為前提，因為構件截面的大小直接影響到結構的剛度，從而對整體結構的周期、位移、地震力等一系列參數產生影響，不可盲目減小構件截面尺寸，使結構整體安全性降低。
　　4. 滿足規范抗震措施的要求在施工圖設計階段，還必須滿足規范規定的抗震措施要求?！痘炷烈幏丁?、《高規》和《抗震規范》對結構的構造提出了非常詳盡的規定，這些措施是很多震害調查和抗震設計經驗的總結，也是保證結構安全的最后一道防線，設計人員不可麻痹大意。
　?。?）設計軟件進行施工圖配筋計算時，要求輸入合理的歸并系數、支座方式、鋼筋選筋庫等，如一次計算結果不滿意，要進行多次試算和調整。
　?。?）生成施工圖以前，要認真輸入出圖參數，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，鋼筋放大系數等，以便生成符合需要的施工圖。軟件可以根據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，設計人員還應仔細驗證各特殊或薄弱部位構件的最小縱筋直徑、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密區長度、鋼筋搭接錨固長度、配筋方式等是否滿足規范規定的抗震措施要求。規范這一部分的要求往往是以黑體字寫出，屬于強制執行條文，萬萬不可以掉以輕心。

　?。?）最后設計人員還應根據工程的實際情況，對計算機生成的配筋結果作合理性審核，如鋼筋排數、直徑、架構等，如不符合工程需要或不便于施工，還要做最后的調整計算。