14.1 SATWE (2010版)新增参数的正确设置
SATWE是专门为多、高层建筑结构分析与设计而研制的空间结构有限元分析软件,适用于各种体型的多、高层钢筋混凝土框架、框架-剪力墙、剪力墙、筒体结构等,以及钢-混凝土混合结构和高层钢结构。
对于一个新建工程,在PMCAD模型中已经包含了部分参数,这些参数可以为PKPM系列的多个软件模块所公用,但对于结构分析而言并不完备,SATWE在PMCAD参数的基础上,提供了一套更为丰富的参数并不断完善,以适应结构分析和设计的需要。
2010版SATWE针对2010系列新规范新增了若干参数,下面对这些新增参数的设置进行详细的说明。
14.1.1 总信息
1 嵌固端所在层号
《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第6.1.3-3条规定了地下室作为上部结构嵌固部位时应满足的要求;《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第6.1.10条规定剪力墙底部加强部位的确定与嵌固端有关;《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第6.1.14条提出了地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时的相关计算要求。针对以上条文,SATWE新增了参数“嵌固端所在层号”。
“嵌固端所在层”即上部结构中被“嵌固”的那一层,当地下室顶板作为嵌固部位时,那么嵌固端所在层为地上一层,即嵌固端所在层号为“地下室层数+1”;如果在基础顶面嵌固,嵌固端所在层号即为1。程序缺省的嵌固端所在层号为“地下室层数+1”,如果修改了地下室层数,应注意确认嵌固端所在层号是否需相应修改。
2 结构体系
与旧版SATWE相比,增加了“部分框支剪力墙结构”、 “单层钢结构厂房”、 “多层钢结构厂房”和“钢框架结构”三种类型,取消了“短肢剪力墙”和“复杂高层结构”。
新版SATWE读入旧版数据时,对于“短肢剪力墙结构”自动转换为“剪力墙结构”, “复杂高层结构”转换为“部分框支剪力墙结构”,用户应注意予以确定。
3 地震作用计算信息
《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第4.3.14规定:跨度大于24m的楼盖结构、跨度大于12m的转换结构和连体结构,悬挑长度大于5m的悬挑结构,结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析方法或振型分解反应谱方法进行计算。因此,新版SATWE新增了按竖向振型分解反应谱方法计算竖向地震的选项。
4 特征值求解方式
仅在选择了“计算水平和反应谱方法竖向地震”时,才允许选择“特征值求解方式”。
14.1.2 风荷载信息
1 X、Y向结构基本周期
“结构基本周期”用于风荷载脉动增大系数ξ的计算,见《建筑结构荷载规范》GB 51009-2001公式(7.4.2-2)。新版SATWE可以分别指定X向和Y向的基本周期,用于X向和Y向风荷载的计算。对于比较规则的结构,可以采用近似方法计算基本周期:框架结构T=(0.08-0.10)N;框剪结构、框筒结构T=(0.06-0.08)N;剪力墙结构、筒中筒结构T=(0.05-0.06)N,其中N为结构层数。
程序按简化方式对基本周期赋初值,用户可以在SATWE计算完成后,得到了准确的结构自振周期,再回到此处将新的周期值填入,然后重新计算,从而得到更为准确的风荷载。
2 风荷载作用下结构的阻尼比
与“结构基本周期”类似,也用于风荷载脉动增大系数ξ的计算。新建工程第一次进行SATWE时,会根据“结构材料信息” 自动对“风荷载作用下的阻尼比”赋初值:混凝土结构及砌体结构0.05,有填充墙钢结构0.02,无填充墙钢结构0.01。旧版SATWE确定风荷载脉动增大系数是按照《建筑结构荷载规范》GB 51009-2001表7.4.3条根据结构材料查表取值;2010版则根据公式(7.4.2-2)直接计算,因此新旧版风荷载值可能略有差异。
3 承载力设计时风荷载效应放大系数
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第4.2.2条规定: “对风荷载比较敏感的高层建筑,承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。对于正常使用极限状态设计,一般仍可采用基本风压值或由设计人员根据实际情况确定。”也就是说,部分高层建筑可能在风荷载承载力设计和正常使用极限状态设计时,需要采用两个不同的风压值。为此,SATWE新增了“承载力设计时风荷载效应放大系数”,用户只需按照正常使用极限状态确定风压值,程序在进行风荷载承载力设计时,将自动对风荷载效应进行放大,相当于对承载力设计时的风压值进行了提高,这样一次计算就可同时得到全部结果。填写该系数后,程序将直接对风荷载作用下的构件内力进行放大,不改变结构位移。
结构对风荷载是否敏感,以及是否需要提高基本风压,规范尚无明确规定,应由设计人员根据实际情况确定。程序缺省值为1.0。
4 用于舒适度验算的风压、阻尼比
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第3.7.6规定:房屋高度不小于150m的高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求。SATWE根据《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 3-2010第5.5.1-4条,对风振舒适度进行验算。验算结果在WMASS.OUT文件中输出。验算风振舒适度时,需要用到“风压”和“阻尼比”,其取值与风荷载计算时采用的“基本风压”和“阻尼比”不同,因此单独列出,仅用于舒适度验算。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010要求,验算风振舒适度时结构阻尼比宜取0.01~0.02,程序缺省取0.02,“风压”缺省与风荷载计算的“基本风压”取值相同,用户应按相关规范修改。
14.1.3 地震信息
1 钢框架抗震等级
其中钢框架的抗震等级是2010版新增的选项,用户应依据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第8.1.3条的规定来确定。
对于混凝土框架和钢框架,程序按照材料进行区分:纯钢截面的构件取钢框架的抗震等级:混凝土或钢与混凝土混合截面的构件,取混凝土框架的抗震等级。
2 X、Y向相对偶然偏心
当勾选了“考虑偶然偏心”后,允许用户修改X和Y向的相对偶然偏心值,缺省为0.05。也可点取“指定偶然偏心”按钮,分层分塔填写相对偶然偏心值。
3 地震影响系数最大值
“地震影响系数最大值”即旧版中的“多遇地震影响系数最大值”,用于地震作用的计算,无论多遇地震或中、大震弹性或不屈服计算时均应在此处填写“地震影响系数最大值”。
4 地震影响系数最大值
“用于12层以下规则混凝土框架结构薄弱层验算的地震影响系数最大值”即旧版的“罕遇地震影响系数最大值”,仅用于12层以下规则混凝土框架结构的薄弱层验算。
5 竖向地震作用系数底线值
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第4.3.15条规定:大跨度结构、悬挑结构、转换结构、连体结构的连接体的竖向地震作用标准值不宜小于结构或构件承受的重力荷载代表值与表4.3.15所规定的竖向地震作用系数的乘积。程序设置“竖向地震作用系数底线值”这项参数以确定竖向地震作用的最小值,当振型分解反应谱方法计算的竖向地震作用小于该值时,将自动取该参数确定的竖向地震作用底线值。程序按不同的设防烈度确定缺省的竖向地震作用系数底线值,设防烈度修改时,该参数也联动改变,用户也可自行修改。
6 按中震(或大震)设计
这是针对结构抗震性能设计提供的选项。
结构性能设计在具体提出性能设计要点时,才能对其进行有针对性的分析和验算,不同的工程,其性能设计要点可能各不相同,软件不可能提供满足所有设计需求的万能方法,因此,用户可能需要综合多次计算的结果,自行判断才能得到性能设计的最终结果。
依据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第3.11节,综合其提出的5类性能水准结构的设计要求,SATWE提供了中震(或大震)弹性设计、中震(或大震)不屈服设计两种方法:
无论选择弹性设计还是不屈服设计,均应在“地震影响系数最大值”中填入中震或大震的地震影响系数最大值,程序将自动执行如下规则:
中震或大震的弹性设计:
1)与抗震等级有关的增大系数均取为1;
中震或大震的不屈服设计:
1)荷载分项系数均取为1;
2)与抗震等级有关的增大系数均取为1;
3)抗震调整系数γRE取为1;
4)钢筋和混凝土材料强度采用标准值。
14.1.4 活荷信息
1 考虑结构使用年限的活荷载调整系数
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第5.6.1条规定:持久设计状况和短暂设计状况下,当荷载与荷载效应按线性关系考虑时,荷载基本组合的效应设计值应按下式确定:
其中γL为考虑设计使用年限的可变荷载(楼面活荷载)调整系数,设计使用年限为50年时取1.0,设计使用年限为100年时取1.1。新版SATWE增加了该系数,缺省值为1.0。在荷载效应组合时活荷载组合系数将乘上考虑使用年限的活荷载调整系数。
14.1.5 调整信息
1 连梁刚度折减系数
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第5.2.1规定“高层建筑结构地震作用效应计算时,可对剪力墙连梁刚度予以折减,折减系数不宜小于0.5”。指定该折减系数后,程序在计算时只在集成地震作用计算刚度阵时进行折减,竖向荷载和风荷载计算时连梁刚度不予折减。
2 梁刚度系数按2010规范取值
考虑楼板作为翼缘对梁刚度的贡献时,对于每根梁,由于截面尺寸和楼板厚度的差异,其刚度放大系数可能各不相同,SATWE提供了按2010规范取值的选项,勾选此项后,程序将根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010第5.2.4条的表格,自动计算每根梁的楼板有效翼缘宽度,按照T形截面与梁截面的刚度比例,确定每根梁的刚度系数。
刚度系数计算结果可在“特殊构件补充定义”中查看,也可以在此基础上修改。
3 强、弱轴方向动位移比例(0~1)
当选择按《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第5.2.5条规定进行剪重比调整时,程序可按《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第5.2.5条文说明的方法,针对反应谱的加速度控制段、速度控制段和位移控制段采用不同的调整方法。当“强、弱轴方向动位移比例”为0时,按加速度控制段进行调整;当“强、弱轴方向动位移比例”为1时,按位移控制段进行调整;当“强、弱轴方向动位移比例”为0.5时,按速度控制段进行调整。
4 薄弱层地震内力放大系数
《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010规定薄弱层的地震剪力增大系数不小于1.15,《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010则由02规程的1.15增大到1.25。SATWE对薄弱层地震剪力调整的做法是直接放大薄弱层构件的地震作用内力,因此,新版增加了“薄弱层地震内力放大系数”,由用户指定放大系数,以满足不同需求。程序缺省值为1.25。
5 指定的加强层个数及相应的各加强层层号
加强层是新版SATWE新增的参数,由用户指定。程序自动实现如下功能: (a)加强层及相邻层柱、墙抗震等级自动提高一级;(b)加强层及相邻层轴压比限值减小0.05;(c)加强层及相邻层设置约束边缘构件。
14.1.6 设计信息
1 梁、柱保护层厚度
根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010规定,保护层厚度指截面外边缘至最外层钢筋(箍筋、构造筋、分布筋等)外缘的距离,用户应注意按新的要求填写保护层厚度。
2 剪力墙构造边缘构件的设计执行《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第7.2.16-4条
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第7.2.16-4条规定: “抗震设计时,对于连体结构、错层结构以及B级高度高层建筑结构中的剪力墙(筒体),其构造边缘构件的最小配筋应按照要求相应提高。”勾选此项时,程序将一律按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第7.2.16-4条的要求控制构造边缘构件的最小配筋,即对于不符合上述条件的结构类型,也进行从严控制;如不勾选,则程序一律不执行此条规定。
3 结构中的框架部分轴压比按照纯框架结构的规定采用
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第8.1.3条,框架-剪力墙结构,底层框架部分承受的地震倾覆力矩的比值在一定范围内时,框架部分的轴压比需要按框架结构的规定采用。勾选此选项后,程序将一律按纯框架结构的规定控制结构中框架的轴压比,除轴压比外,其余设计仍遵循框剪结构的规定。
4 指定的过渡层个数及相应的各过渡层层号
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第7.2.14-3条规定:“B级高度高层建筑的剪力墙,宜在约束边缘构件层与构造边缘构件层之间设置1~2层过渡层。”程序不自动判断过渡层,用户可在此指定。程序对过渡层执行如下原则:1)过渡层边缘构件的范围仍按构造边缘构件;2)过渡层剪力墙边缘构件的箍筋配置按约束边缘构件确定一个体积配箍率(配箍特征值λc),又按构造边缘构件为0.1,取其平均值。