SATWE 参数选取及合理性判断总结

任雁飞

（中国轻工业西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710001）

引言

在混凝土多、高层结构设计过程中，我们经常使用PKPM 系列软件中的SATWE 模块进行电算，而计算参数的合理选取对保证结构安全，控制含钢量及混凝土用量指标作用非常明显。本人根据自己在设计中的实践经验及对规范和设计软件的学习，总结了如下几个方面，供大家学习和参考：

一、总信息中几个重要参数的合理取值

在结构整体计算前，我们要进入SATWE 中的前处理界面，对总体参数进行正确设置，这样才能保证计算的合理性和经济性。除了风荷载信息和地震信息这些在规范中明确规定的参数外，总体参数还包括：周期折减系数、振型数、刚性楼板假定以及考虑偶然偏心及地震作用扭转效应。这些参数在计算前很难估计准确，需要经过多次试算才能得到。下面对这些指标逐一进行阐述。

（一）周期折减系数

结构整体计算分析时，只考虑主体结构构件（梁、柱、剪力墙等）的刚度，没有考虑非承重结构构件（非承重砌体墙）的刚度，因而计算的自振周期较实际的偏长，结构计算刚度就会小于实际刚度，由计算刚度求得的结构自振周期大于实际周期，按这一周期计算的地震力就会偏小，导致结构分析偏于不安全。针对此情况，应根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）4.3.16 及4.3.17 的规定，计算各振型结构自振周期时应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减。规范建议取值：框架结构可取0.6～0.7；框架-剪力墙结构可取0.7～0.8；框架-核心筒结构可取0.8～0.9；剪力墙结构可取0.8～1.0。具体折减数值应根据填充墙的多少及其对结构整体刚度影响的强弱来确定，总体原则是砌体墙多取小值，砌体墙少则取大值。

（二）振型数

地震力的振型组合个数，规范并没有明确要求，振型数主要与结构层数及结构形式有关，当结构层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数也应相应取得多些。当不考虑扭转耦联计算时，至少应取3。当考虑扭转耦联时，最好大于等于9。一般可按2～3 倍楼层数取值。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.1.13 对B 级高度的高层结构及复杂高层尚规定振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼楼数的9倍。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版））5.2.2 条文说明指出：振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。但是，振型数并非越多越好，指定的振型数不能超过结构固有振型的总数，否则会造成地震作用异常。对采用全楼强制刚性楼板假定的计算，由于每块刚性楼板只有三个有效动力自由度，所以当振型组合数已增加至结构层数的3 倍，其有效质量仍不能满足要求时，此时不再增加振型数，应考虑方案的合理性。

（三）全楼强制刚性楼板假定

结构设计时采用全楼强制刚性楼板假定，此时楼板平面内刚度无限大，平面外刚度为0，这样将大大减少结构的自由度，使计算简化，但此时平均位移计算才是准确的，这是因为位移参数公式是在楼板作为楼层质点这个假定下才能使用。所以当用SATWE 计算位移时，需选择全楼强制刚性楼板假定，其他的结构分析、设计不选择此项，故应分两次计算，在全楼刚性假定下计算位移比、周期比、刚度比等控制比值，在真实条件下完成其他计算。目前pkpm 软件已经可以实现全楼强制刚性楼板假定的包络计算，只要勾选“仅整体指标采用”这一选项，软件就可以自动完成“强刚”和“非强刚”两个模型的计算，并在结果中提供强刚模型的整体指标（包括位移比、周期比、刚度比等）及非强刚模型完整的分析和设计结果。但是对于大跨度、大空间的空旷结构，如体育场馆、影剧院等，横向抗侧移刚度很差，采用刚性楼板假定会带来较大的计算误差，因此，对于这类结构就不宜进行刚性楼板假定，这时要采用弹性方法计算。

（四）考虑偶然偏心及地震作用的扭转效应

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中4.3 节规定，质量与刚度分布明显不对称的结构，应计算双向水平地震下的扭转影响，其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响。同时规定，计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。这是因为结构平面不规则，不对称，结构的荷载分布和取值、构件布置不均匀、不对称，各层质心、刚心不重合，地震时就会产生扭转效应，而且在地震动力反应过程中，由于实际地震地面扭转运动的影响，在现有条件下采用附加偶然偏心作用计算是一种较为实用而简便的方法。欧美等国家和地区的抗震规范也都规定计算地震作用时应考虑附加偶然偏心，偶然偏心距的取值多为0.05L。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.7.3 条注规定，抗震设计时，楼层位移计算可不考虑偶然偏心的影响。同时在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）条文说明4.3.3 节所解释，当计算双向地震作用时，可不考虑偶然偏心的影响，但应与单向地震作用考虑偶然偏心的计算结果进行比较，取不利的情况进行设计。也就是说，在采用《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）公式4.3.10-7和公式4.3.10-8计算时，其中的“Sx”和“Sy”应采用无偶然偏心的地震作用效应EX、EY；采用《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）公式4.3.10-5 计算时，其中的“Sj”和“Sk”应采用单向地震作用考虑偶然偏心的计地震作用效应EXM、EYM 进行比较，取不利的情况进行设计。在设计时，本人会同时选取“考虑偶然偏心”和“考虑双向地震作用”，让程序对两种情况都进行位移计算，并参与内力组合，取不利的情况进行设计。

二、计算结果的整体性判断

整体结构的合理性是整个结构设计过程的核心部分，整体结构的科学性也是当下规范体系特别强调的内容，无论采用何种结构体系，结构的平面和竖向布置都应使结构具有合理的刚度和承载力分布，符合概念设计的要求。在工程设计中，设计人员必须认认真真地执行计算，一步一步地调整，经过“计算—调整—再计算—再调整”的多次反复的计算调整过程，才能使结构达到相对的最佳。这些整体控制指标包括周期比、位移比、层间位移角以及刚重比。现将这几个重要控制指标逐一进行分析。

（一）周期比

周期比是控制结构扭转效应的重要指标。对周期比进行控制主要是为了限制结构的抗扭刚度不能太弱，以此限制结构的扭转效应，使结构抗侧力构件的平面布置更合理。多次震害表明，过大的扭转效应将导致结构的严重破坏。实验证明，当Tt与T1较接近时，由于振动耦联的影响，结构的扭转效应将明显增大。故抗震计算中，应采取必要措施减少Tt/T1值，使结构具有必要的抗扭刚度。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.4.5 条规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A 级高度高层建筑不应大于0.9。周期比控制不是要求结构足够刚，而且要求结构承载力布局合理，设计中，当不满足周期比的上限值要求时，应调整抗侧力结构的布置，增大结构的抗扭刚度，基本做法就是增加结构周边构件（主要是沿第一振型转角方向）的刚度，降低结构中间构件（主要是沿第三振型转角方向）的刚度。

（二）位移比

位移比是控制结构平面不规则的重要指标，限制结构扭转效应的另一措施是限制结构平面布置的不规则性，避免质量与刚度的过大偏心。在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2 倍则为平面扭转不规则。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.4.5 规定：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2 倍，不应大于该楼层平均值的1.5 倍。当位移比不满足规范要求时，应改变结构平面布置，减少结构刚心与质心的偏心距，调整时，可以在程序中找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度，也可找出位移最小的节点削弱其刚度。

（三）层间位移角

正常使用条件下，建筑结构应具有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求，楼层位移控制便是一个宏观的侧向刚度指标。为便于工程应用，规范采用了按弹性方法计算的风荷载和多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比Δu/h，即层间位移角作为控制指标。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)5.5.1 规定结构的弹性层间位移角不应大于1/550（钢筋混凝土框架）、1/800（钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒）、1/1000（钢筋混凝土抗震墙、筒中筒、钢筋混凝土框支层）。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)条文说明5.5.1 也说明了采用层间位移角作为衡量结构变形能力从而判别是否满足建筑功能要求的指标是合理的。

（四）刚重比

刚重比是结构竖向不规则的重要指标，主要是为限制结构竖向布置不规则，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。结构的刚度和重力荷载之比称为刚重比。它是影响重力二阶效应的主要参数，且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。高层建筑在重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小，但在风荷载或水平地震作用下，若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌，故控制好结构的刚重比，就可以控制结构不致失稳、倒塌。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.4.1及5.4.4 规定，对于剪切型的框架结构，当刚重比大于10 时，结构的稳定性可以满足；当刚重比大于20 时，可以不考虑重力二阶效应。对于弯剪型的剪力墙结构、框剪结构、筒体结构，当刚重比大于1.4 时，结构能够保持整体稳定；当刚重比大于2.7 时，可以不考虑重力二阶效应。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小，应改变结构布置，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

三、总结

建筑结构整体设计是极为重要的环节，构件计算不超筋，并不代表截面过大，浪费材料，不能为了节省材料而减小构件截面，构件的截面大小会直接影响结构的刚度，从而结构整体的周期比、位移比、地震力等一系列参数都会受到影响，所以结构工程师应深入理解规范体系中各控制参数的实质意义，并应当熟练掌握调整各参数的方法，这样有助于提高结构整体控制的效率，也有助于使结构更加合理。在结构方案合理的前提下，对结构整体计算参数进行合理化取值，确保结构安全的同时，还能有效控制主体钢筋及混凝土的用量，降低土建成本，有着重要意义。以上内容是大家做设计时经常会遇到并拿出来讨论的共性问题，本人在此做出总结，希望对结构分析与设计提供一定参考。