多高層結(jié)構(gòu)軟件SAWE及A應(yīng)用

多高層結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE及TAT應(yīng)用淺析摘要:根據(jù)鋼鋼筋混凝土多多高層結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),,依據(jù)規(guī)范,對(duì)多高層結(jié)結(jié)構(gòu)分析軟件件SATWEE和TAT的應(yīng)應(yīng)用中如何選選擇合適的計(jì)計(jì)算模型、地地震作用計(jì)算算方法的選取取、計(jì)算參數(shù)數(shù)的合理輸入入及如何調(diào)整整電算結(jié)果等等有關(guān)問題的的處理提出了了建議,可供工程設(shè)計(jì)計(jì)參考。關(guān)鍵詞:多高層層結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)分析軟軟件;計(jì)算機(jī)輔助助設(shè)計(jì);電算結(jié)果調(diào)調(diào)整。1前言目前,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)人員在進(jìn)行行多高層鋼筋筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般般都采用由中中國(guó)建筑研究究院所研制的的結(jié)構(gòu)分析軟軟件PKPMM進(jìn)行計(jì)算,PKPM是目前國(guó)內(nèi)內(nèi)較為權(quán)威的的結(jié)構(gòu)分析軟軟件，它具有有通俗易懂,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)準(zhǔn)確,操作簡(jiǎn)單,省時(shí)省力,可以大大提提高工作效率率。但通過長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)發(fā)現(xiàn),由于設(shè)計(jì)人人員對(duì)軟件編編制原理理解解不透徹,加上檢查不不嚴(yán),可能會(huì)產(chǎn)生生一些人為的的失誤,導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)錯(cuò)誤,從而影響到到工程質(zhì)量。由由于結(jié)構(gòu)分析析軟件的高效效性,有些設(shè)計(jì)人人員可能過分分依賴電算結(jié)結(jié)果,尤其是一些些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不不足的工程人人員。曾有結(jié)結(jié)構(gòu)專家警告告:“誤用計(jì)算機(jī)機(jī)造成的結(jié)構(gòu)構(gòu)破壞而引起起的災(zāi)難只是是一個(gè)時(shí)間問問題?！币虼?電算結(jié)果還還需要進(jìn)一步步分析判斷和和校核,并進(jìn)行調(diào)整整。所有這些些工作都必須須建立在熟練練掌握規(guī)范,,有扎實(shí)的結(jié)結(jié)構(gòu)分析知識(shí)識(shí)背景的基礎(chǔ)礎(chǔ)之上。在多多高層鋼筋混混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)中,“概念設(shè)計(jì)”仍然占到很很重要的地位位,有時(shí)甚至比比計(jì)算更重要要。本文結(jié)合合工程實(shí)踐就就結(jié)構(gòu)分析軟軟件PKPM中的結(jié)構(gòu)空空間有限元分分析設(shè)計(jì)軟件件和結(jié)構(gòu)三維分分析與設(shè)計(jì)軟軟件在應(yīng)用中中所遇到的有關(guān)關(guān)問題作以下下探討。2結(jié)構(gòu)分析模模型的正確簡(jiǎn)簡(jiǎn)化和選取多高層結(jié)構(gòu)空間間有限元分析析與設(shè)計(jì)中,,剪力墻和樓樓板模型的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化是關(guān)鍵,,針對(duì)不同的的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)應(yīng)選擇相應(yīng)的的簡(jiǎn)化模型。TAT軟件采用薄壁桿件理論,其中梁、柱均采用簡(jiǎn)化的空間桿單元,剪力墻則采用空間薄壁桿單元,即把彼此相連在一起的剪力墻模型化為一個(gè)薄壁柱單元,把上下層剪力墻洞口間的部分模型簡(jiǎn)化為一個(gè)連系梁?jiǎn)卧?允許開裂,并可以進(jìn)行剛度折減的梁?jiǎn)卧?。在形成剛性體后再加入剛性樓板的位移協(xié)調(diào)矩陣,引入了樓板無限剛性假設(shè),大大減少了結(jié)構(gòu)自由度。由于此模型假定薄壁桿件的斷面保持平截面,實(shí)際上忽略了各墻肢的次要變形,增大了結(jié)構(gòu)剛度。另一方面,對(duì)于剪力墻上的洞口,空間桿系程序只能作為梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析,將實(shí)際結(jié)構(gòu)中連梁對(duì)墻肢的一段連續(xù)約束簡(jiǎn)化為點(diǎn)約束,削弱了結(jié)構(gòu)剛度。連梁越高,則削弱越大;連梁越多,則削弱越大。所以,計(jì)算時(shí)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度是增大還是削弱要看墻肢與連梁的比例。另外,TAT計(jì)算結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層時(shí),因?yàn)閷?shí)際結(jié)構(gòu)剪力墻與轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的連接是連續(xù)的線連接(不考慮墻厚的話),作用于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的力是不均勻分布力,而桿系模型只能簡(jiǎn)化為一個(gè)集中力和一個(gè)彎矩,使得在分析轉(zhuǎn)換層時(shí)誤差較大,使用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。SATWE對(duì)于剪力墻采用由有限元中殼元縮聚而來的殼墻元———通用墻元模型。通用墻元是專門用來模擬多高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻的,對(duì)于尺寸較大或帶有洞口的剪力墻,按照子結(jié)構(gòu)的基本思想,由程序自動(dòng)進(jìn)行細(xì)分,形成許多小殼元,然后計(jì)算每個(gè)小殼元的剛度并疊加,最后用靜力凝聚原理,將由于墻元細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去,將其剛度凝聚到邊節(jié)點(diǎn)上,從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度。殼墻元既有平面內(nèi)剛度也有平面外剛度,符合剪力墻的實(shí)際工作狀態(tài),可真實(shí)地反映剪力墻的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng),且剪力墻洞口間部分也作為墻元進(jìn)行整體分析,因此更能精確地分析復(fù)雜剪力墻結(jié)構(gòu)。SATWE還提供了梁元、等截面圓弧形曲梁?jiǎn)卧?、柱元、桿元、墻元、彈性樓板單元(包括三角形和矩形薄殼單元、四節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元)和厚板單元(包括三角形厚板單元和四節(jié)點(diǎn)等參厚板單元),從而克服了用薄壁桿件理論模擬剪力墻的缺陷,解決了框支轉(zhuǎn)換層、剪力墻洞口不對(duì)齊、地下室連續(xù)墻、深梁(連梁)、剪力墻平面連接復(fù)雜等各種工程的分析精度問題。另外,通過與基礎(chǔ)工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的聯(lián)合,還能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu)的整體協(xié)同計(jì)算。樓板模型的簡(jiǎn)化也是整體結(jié)構(gòu)分析模型的關(guān)鍵。為確保在一定的分析精度的前提下能盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)分析過程,TAT假定樓板為平面內(nèi)無限剛,平面外剛度為零,這樣的簡(jiǎn)化可以大大減少自由度,提高程序的運(yùn)算效率。SATWE則對(duì)普通樓板有4種假定:(1)假定樓板整塊平面內(nèi)無限剛,平面外剛度為零;(2)假定樓板分塊平面內(nèi)無限剛,平面外剛度為零;(3)假定樓板分塊平面內(nèi)無限剛,并帶有彈性連接板帶;(4)假定樓板為彈性板。不同的假定有不同的應(yīng)用范圍:第一種假定和TAT軟件一樣,符合大多數(shù)常規(guī)結(jié)構(gòu)的情況;第二種假定適用于多塔或錯(cuò)層結(jié)構(gòu);第三種假定適用于樓板局部開大洞、塔樓與塔樓之間上部相連的連體多塔結(jié)構(gòu)及某些平面布置比較特殊的結(jié)構(gòu);第四種假定模型的誤差最小,分析精度最高,但其計(jì)算量大,適用于特殊樓板結(jié)構(gòu)、板—柱體系或要求分析精度很高的多高層結(jié)構(gòu),還有當(dāng)結(jié)構(gòu)平面的長(zhǎng)寬比較大時(shí),也應(yīng)考慮樓板的彈性變形。了解了軟件的計(jì)算模型及特點(diǎn)后,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)工程本身特點(diǎn)選擇相應(yīng)的模型和軟件。事實(shí)上,各種軟件的模型精確度與運(yùn)算效率是密切相關(guān)的:模型簡(jiǎn)單的計(jì)算速度快,對(duì)計(jì)算機(jī)容量要求低;而模型復(fù)雜的計(jì)算速度慢,相應(yīng)對(duì)計(jì)算機(jī)容量要求也高。殼墻元模型比薄壁柱模型對(duì)計(jì)算機(jī)容量要求要高。如果是比較大型的工程,建議最好采用幾種不同軟件分別進(jìn)行分析判斷,選擇更加合理的計(jì)算結(jié)果。為了節(jié)省時(shí)間,可以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)對(duì)比的前期采用比較簡(jiǎn)單的模型,選定方案后可以選用相適合的模型進(jìn)行精確分析。因此,從結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性來說,對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)首先選擇殼墻元模型SATWE計(jì)算,如果用薄壁柱模型的軟件TAT計(jì)算剪力墻結(jié)構(gòu),要注意由于簡(jiǎn)化而帶來的誤差,在構(gòu)造上應(yīng)采取相應(yīng)的措施。對(duì)于普通框架結(jié)構(gòu),這兩種軟件的計(jì)算結(jié)果差別不大,如果結(jié)構(gòu)有錯(cuò)層則略有差異,因?yàn)镾ATWE把錯(cuò)層構(gòu)件質(zhì)量加在每一層分界的節(jié)點(diǎn)上,而TAT把錯(cuò)層構(gòu)件連接起來加在其頂端,從而導(dǎo)致周期偏大。也正如前面所言,計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與計(jì)算過程的復(fù)雜性是互相關(guān)聯(lián)的。3地震作用計(jì)計(jì)算方法的選選擇結(jié)構(gòu)分析軟件都都有不同的計(jì)計(jì)算模型和計(jì)計(jì)算方法選項(xiàng)項(xiàng)以適用于分分析不同的結(jié)結(jié)構(gòu),因此對(duì)于特特殊類型的結(jié)結(jié)構(gòu),在地震作用用計(jì)算、樓板板模型選取等等方面應(yīng)注意意選取合適的的方法。在地地震作用計(jì)算算中,TAAT和SATWEE都提供了了平動(dòng)分析和和藕連分析的的選擇,針對(duì)不同結(jié)結(jié)構(gòu)可選用不同方法法。對(duì)于平面面形狀較規(guī)則則、質(zhì)量和剛剛度分布基本本均勻?qū)ΨQ的的結(jié)構(gòu),可以只采用用平動(dòng)分析;;對(duì)于平面形形狀明顯不規(guī)規(guī)則、質(zhì)量和和剛度分布明明顯不對(duì)稱、不不均勻的結(jié)構(gòu)構(gòu),應(yīng)采用藕連連分析計(jì)算。不過，建議在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，無論是平面形狀規(guī)則與否都應(yīng)選擇扭轉(zhuǎn)藕連項(xiàng)。地震反應(yīng)計(jì)算中,TAT和SATWE都提供了振型分解和動(dòng)力時(shí)程分析兩種方法,對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu),可用振型分解法計(jì)算,對(duì)于復(fù)雜的高層建筑,可按《高規(guī)》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算。為了提高分析效率,針對(duì)不同精度需要,SATWE的振型分解法中提供“側(cè)剛計(jì)算法”和“總剛計(jì)算法”。“側(cè)剛計(jì)算法”是一種簡(jiǎn)化方法,只適用于采用樓板平面內(nèi)無限剛假定的普通結(jié)構(gòu)和采用樓板分塊平面內(nèi)無限剛假定的多塔結(jié)構(gòu),其優(yōu)點(diǎn)是分析效率高。當(dāng)有彈性樓板或有不與樓板連接的構(gòu)件時(shí)(如錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、空曠結(jié)構(gòu)、大空間的體館等),“側(cè)剛計(jì)算法”有一定誤差?！翱倓傆?jì)算法”是直接采用結(jié)構(gòu)的總剛和其相應(yīng)的質(zhì)量剛度矩陣進(jìn)行地震反應(yīng)計(jì)算,因此其分析精度高,可適用于絕大部分結(jié)構(gòu),可以準(zhǔn)確分析出結(jié)構(gòu)每層、每根構(gòu)件的空間反應(yīng),缺點(diǎn)是計(jì)算工作量太大。當(dāng)不與樓板連接的構(gòu)件少、孔洞較小且沒有定義彈性樓板時(shí),可采用側(cè)剛計(jì)算法,其與總剛計(jì)算法結(jié)果是相近的。4計(jì)算參數(shù)的的正確輸入結(jié)構(gòu)分析軟件都都要求輸入許許多前處理的的參數(shù),包括結(jié)構(gòu)平平面、幾何尺尺寸、荷載信信息、建筑物物總體信息等等,這就要求設(shè)設(shè)計(jì)人員深刻刻理解軟件的的編制原理、每每個(gè)參數(shù)取值值范圍,正確地選定定計(jì)算參數(shù),,尤其對(duì)于一一些概念設(shè)計(jì)計(jì)方面的控制制性參數(shù)。由由于軟件本身身的局限,有時(shí)也許還還要針對(duì)工程程的某些特殊殊情況進(jìn)行簡(jiǎn)簡(jiǎn)化處理,例如剪力墻墻洞口不對(duì)齊齊、有地下室室或人防工程程、上下柱不不對(duì)齊等,這時(shí)要注意意由于簡(jiǎn)化而而引起的誤差差,在設(shè)計(jì)中應(yīng)應(yīng)通過構(gòu)造來來反映。計(jì)算算參數(shù)的正確確輸入是保證證計(jì)算結(jié)果正正確的前提,,為了保證輸輸入?yún)?shù)的正正確性,一般軟件均均有數(shù)檢程序序,可以幫助消消除一些錯(cuò)誤誤。但數(shù)檢程程序只能檢查查一些常見的的一般性錯(cuò)誤誤,對(duì)于一些人人為造成的錯(cuò)錯(cuò)誤卻無能為為力,比如構(gòu)件截截面尺寸輸入入錯(cuò)誤但在程程序合理范圍圍內(nèi)、重復(fù)輸輸入荷載或遺遺漏等等,只能通過對(duì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的的分析進(jìn)行判判斷。一般而而言,通過計(jì)算結(jié)結(jié)果中的基本本特征,如周期、地地震剪力、剛剛度比、結(jié)構(gòu)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)構(gòu)的對(duì)稱性和和內(nèi)力分布的的漸變性等規(guī)規(guī)律可以判斷斷結(jié)果的合理理性,另外,一定要重視視結(jié)構(gòu)的概念念設(shè)計(jì)。所有有這些都要求求對(duì)結(jié)構(gòu)的宏宏觀內(nèi)力分布布規(guī)律有比較較深入的了解解。5電算結(jié)果的的人工調(diào)整結(jié)構(gòu)分析軟件由由于其計(jì)算模模型的局限性性,自身有許多多基本假定,,使得實(shí)際結(jié)結(jié)構(gòu)與計(jì)算模模型之間有差差異存在,這要求結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不能能完全依賴于于電算分析結(jié)結(jié)果,應(yīng)根據(jù)其模模型的缺陷和和實(shí)際情況對(duì)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)進(jìn)行調(diào)整。例例如,薄壁柱模型型在分析框架架剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)時(shí)連梁的計(jì)計(jì)算彎矩很大大,其結(jié)果往往往是超筋的。所所以對(duì)于計(jì)算算結(jié)果,尤其梁柱墻墻等構(gòu)件,應(yīng)在保證“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)墻弱梁”等基本原則則的基礎(chǔ)上對(duì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)調(diào)整,對(duì)于框架梁梁應(yīng)選擇適宜宜的配筋率,,同時(shí)兼顧施施工要求;對(duì)于框架柱柱尤其對(duì)邊柱柱、角柱應(yīng)進(jìn)進(jìn)行配筋率的的核算,還要考慮雙雙向偏心受壓壓時(shí)的承載力力要求等等。使使用以前版本本的TAT和SATWEE應(yīng)對(duì)電算算結(jié)果進(jìn)行核核算,對(duì)于框架結(jié)結(jié)構(gòu)的梁、柱柱而言,應(yīng)保證有適適宜的配筋率率。在梁的中中間段驗(yàn)算縱縱向受拉鋼筋筋配筋率范圍圍應(yīng)滿足規(guī)范范規(guī)定的0..2%～2.5%,框架柱全全部縱向受力力鋼筋配筋率率應(yīng)滿足規(guī)范范規(guī)定的0.5%～4%。因此此,框架梁的適適宜配筋率可可取0.4%～2%,,框架柱的適適宜配筋率可可取1%～3%。當(dāng)然然其上限還要要保證配筋的的進(jìn)一步調(diào)整整?？蚣芰号渑浣钊斯ふ{(diào)整整的目的是解解決梁裂縫寬寬度超限和強(qiáng)強(qiáng)剪弱彎的要要求,因?yàn)殡娝憬Y(jié)結(jié)果只是配筋筋量,如果裂縫寬寬度超限,可以調(diào)整縱縱筋直徑試算算是否滿足,,直至增加配配筋或加大截截面尺寸以滿滿足規(guī)范要求求。框架柱配配筋人工調(diào)整整的目的主要要是解決強(qiáng)柱柱弱梁的要求求,因?yàn)殡娝憬Y(jié)結(jié)果配筋率均均較小,對(duì)于角柱和和邊柱等構(gòu)件件,一般均處于于雙向偏心受受壓狀態(tài),而程序電算算結(jié)果一般是是按兩個(gè)方向向的單向偏心心受壓計(jì)算的的。因此,可按如下調(diào)調(diào)整柱配筋::選擇最不利利方向進(jìn)行框框架計(jì)算,或在兩個(gè)方方向分別計(jì)算算并選擇較大大的結(jié)果,且采用對(duì)稱稱配筋;放大柱配縱縱筋1.2～1.6倍左右,一般柱取1.2,邊柱取取1.3以上,角柱可取1.4以上,還要控制柱柱每邊的最少少鋼筋根數(shù)。另另外,柱箍筋宜采采用菱形或井井字形以增強(qiáng)強(qiáng)箍筋對(duì)混凝凝土的約束,,對(duì)于角柱和和邊柱還要進(jìn)進(jìn)行箍筋加密密等構(gòu)造上的的處理。另外外,由于結(jié)構(gòu)分分析軟件計(jì)算算效率高,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)方案選擇時(shí)時(shí)往往需要進(jìn)進(jìn)行多次對(duì)比比計(jì)算,這樣經(jīng)過多多次調(diào)整就可可以得到經(jīng)濟(jì)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)方案。不過過,新版的TATT和SATWEE已經(jīng)在軟軟件中實(shí)現(xiàn)了了參數(shù)的動(dòng)態(tài)態(tài)調(diào)整和梁、柱柱、墻等構(gòu)件件的配筋構(gòu)造造要求及裂縫縫計(jì)算等,可以進(jìn)行配配