建筑结构设计计算步骤参数确定分析

赵燕红

摘 要:新的建筑结构设计规范在结构可靠度、设计计算、配筋构造方面均有重大更新和补充,特别是对抗震及结构的整体性,规则性作出了更高的要求,使结构设计不可能一次完成。如何正确运用设计软件进行结构设计计算,以满足新规范的要求,是每个设计人员都非常关心的问题。以PKPM软件为例,进行结构设计计算步骤的讨论,对一个典型工程而言,使用结构软件进行结构计算分四步较为科学。

关键词:建筑;结构设计;计算步骤;参数

中图分类号:TU3文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)16-0305-01

1 计算开始以前参数的正确设定

(1)最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用,结构地震反映的大小也各不相同,那么必然存在某各角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出,设计人员如发现该角度绝对值大于15度时,应将该数值回填(代入设计参数中)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。

(2)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,可先按经验公式:T1=0.25+0.35×10-3H2/3√B计算代入软件,亦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 确定整体结构的科学性和合理性

(1)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应(P—△效应)的主要参数。通常用增大系数法来考虑结构的重力二阶效应,如考虑重力二阶效应的结构位移可用未考虑P—△效应的计算结果乘以位移增大系数,但保持位移限制条件不变(框架结构层间位移角≤1/550);考虑结构构件重力二阶效应的端部弯矩和剪力值,可采用未考虑P—△效应的计算结果乘以内力增大系数。一般情况下,对于框架结构若满足:Dj≥20∑Gj/hj(j=1,2,…n)结构不考虑重力二阶效应的影响。结构的刚重比增大P—△效应减小,P—△效应控制在20%以内,结构的稳定具有适宜的安全储备,该值如果不满足要求,则可能引起结构失稳倒塌,应当引起设计人员的足够重视。

(2)刚度比和层间受剪承载力之比是控制结构竖向不规则的重要指标。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,这也是软件的缺省方式。

(3)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。需要指出的是,新规范中规定的位移比限值是按刚性板假定作出的,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“对所有楼层强制采用刚性楼板假定的选择,以弹性楼板设定进行后续配筋计算。

(4)剪重比是抗震设计中非常重要的参数。规范之所以规定剪重比,主要是因为长期作用下,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,若剪重比小于0.02,结构刚度虽然满足水平位移限制要求(框架结构层间位移角≤1/550),但往往不能满足结构的整体稳定条件。设计人员应在设计过程中综合考虑刚重比与剪重比的合理取值。

3 梁、柱轴压比计算,构件截面优化设计等

(1)软件对混凝土梁计算显示超筋信息有以下情况:①当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时,提示超筋;②规范对混凝土受压区高度限制:

四级框架及非抗震框架:ξ≤ξb;

二、三级框架:ξ≤0.35( 计算时取AS =0.3 AS);

一级框架:ξ≤0.25( 计算时取AS =0.5 AS)。

当ξ不满足以上要求时,程序提示超筋;③《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%,当大于此值时,提示超筋;④混凝土梁斜截面计算要满足最小截面的要求,如不满足则提示超筋。出现以上超筋信息时,设计人员可采用下列方法做以下调整:一是增大梁截面,提高混凝土强度等级。二是增大对双筋梁受压区钢筋面积,受拉区钢筋面积不变,使梁受压区高度减小,从而使ξ减小。

(2)柱轴压比计算:柱轴压比越小说明结构的延性越好,柱轴压比越大说明结构的刚度越大,结构的侧移越大抗震性能越差。要确定合理的轴压比必须满足:N/fcA≤n(n=0.7、0.8、0.9)。柱轴压比的计算在《高规》和《抗震规范》中的规定并不完全一样,《抗震规范》第6.3.7条规定,计算轴压比的柱轴力设计值既包括地震组合,也包括非地震组合,而《高规》第6.4.2条规定,计算轴压比的柱轴力设计值仅考虑地震作用组合下的柱轴力。软件在计算柱轴压比时,当工程考虑地震作用,程序仅取地震作用组合下的的柱轴力设计值计算;当该工程不考虑地震作用时,程序才取非地震作用组合下的柱轴力设计值计算。因此设计人员会发现,对于同一个工程,计算地震力和不计算地震力其柱轴压比结果会不一样。当轴压比不满足要求时,一般可增大柱截面,提高柱混凝土强度等级或增大地震作用折减系数来加以改善。

(3)构件截面优化设计:计算结构不超筋,并不表示构件初始设置的截面和形状合理,设计人员还应进行构件优化设计,使构件在保证受力要求的条件下截面的大小和形状合理,并节省材料。但需要注意的是,在进行截面优化设计时,应以保证整体结构合理性为前提,因为构件截面的大小直接影响到结构的刚度,从而对整体结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响,不可盲目减小构件截面尺寸,使结构整体安全性降低。

4 满足规范强制执行条文的要求

(1)设计软件进行施工图配筋计算时,要求输入合理的归并系数、支座方式、钢筋选筋库等,如一次计算结果不满意,要进行多次试算和调整。

(2)生成施工图以前,要认真输入出图参数,如梁柱钢筋最小直径、框架顶角处配筋方式、梁挑耳形式、柱纵筋搭接方式,箍筋形式,钢筋放大系数等,以便生成符合需要的施工图。软件可以根据允许裂缝宽度自动选筋,还可以考虑支座宽度对裂缝宽度的影响。

(3)施工图生成以后,设计人员还应仔细验证各特殊或薄弱部位构件的最小纵筋直径、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密区长度、钢筋搭接锚固长度、配筋方式等是否满足规范规定的抗震措施要求。规范这一部分的要求往往是以黑体字写出,属于强制执行条文,万万不可以掉以轻心。

(4)设计人员还应根据工程的实际情况,对计算机生成的配筋结果作合理性审核,如钢筋排数、直径、架构等,如不符合工程需要或不便于施工,还要做最后的调整计算。

参考文献

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