[摘要]：在結構計算軟件日益普及的今天,人們對結構計算軟件的依賴性也越來越大,有時甚至過分地相信計算軟件,往往無法監控其計算和處理的全過程，概念設計的作用由此凸顯。設計人員必須具備清晰的結構概念，合理簡化模型，并對所使用的結構計算軟件的基本假定、計算模型和適用范圍有所了解,并從整體上控制結構性能,這樣才能保證結構的安全、經濟、合理。
　　[關鍵詞]結構概念設計計算軟件計算模型設計參數合理性判別
　　1常用結構計算軟件
　　一個好的結構設計應包含概念設計、結構計算及構造措施等方面組成，而概念設計在結構設計中又屬先行者且貫穿始終，概念設計是結構的靈魂。由于種種原因,目前的結構計算軟件總是存在著一定的局限性、適用性和近似性,并非萬能。如:結構的模型化誤差;非結構構件對結構剛度的影響;樓板對結構剛度的影響;溫度變化在結構構件中產生的應力;回填土對地下室約束相對剛度比;地基基礎和上部結構的相互作用等等都會使計算模型與實際結構受力產生偏差。正是因為如此,結構工程師應對所用計算軟件的基本假定、力學模型及其適用范圍有所了解,并對計算結果進行分析判斷確認其正確、合理、有效后方可用于工程設計。
　　目前,常用的結構分析模型可分為兩大類:第一類為平面結構空間協同分析模型;另一類為三維空間有限元分析模型。日常設計中常用的幾種結構分析軟件如下：
　　ETABS軟件。它是由美國Berkeley地震工程研究中心開發的高層建筑三維專用有限元分析軟件,其特點是采用空間桿單元模擬梁、柱、支撐構件,采用膜元模型來模擬剪力墻,樓板可采用平面內無限剛假定、分塊無限剛假定和彈性假定。ETABS采用空間協同工作體系,是準三維分析程序。其主要優點是針對建筑結構的特點進行編制,使用起來比較方便。不足之處是它并非完全三維空間分析程序,協同工作假定帶來一定的計算誤差,同時,對剪力墻的模型化假定也使得分析結果偏柔。
　　90年代中期出現的SAP2000軟件。SAP2000以空間桿單元模擬梁、柱、支撐,以殼元模擬剪力墻。可以進行線性靜、動力反應分析,也可以進行非線性靜、動力反應分析、推覆分析和P-Δ效應分析等，適用范圍廣泛。但SAP2000價格昂貴、前后處理工作量大且與我國規范不相符合,在我國的應用和推廣受到一定的制約，近兩年這一情況得以改善，引用面在逐漸擴大。
　　中國建筑科學研究院開發的PKPM設計軟件（又稱PKPMCAD），一套集建筑、結構、設備（給排水、采暖、通風空調、電氣）設計于一體的集成化CAD系統。它在國內的通用性使其在設計行業占有絕對優勢。其SATWE模塊是專門為多、高層建筑結構分析與設計而研制的空間結構有限元分析軟件,適用于各種復雜體型的高層鋼筋混凝土框架、框剪、剪力墻、筒體結構等,也適用于混凝土-鋼混合結構和高層鋼結構。在結構設計中也應用最為廣泛。所以我們著重討論此軟件的應用。
　　2SATWE分析模型與關鍵控制參數
　　中國建筑科學研究院的SATWE是用墻元來模擬剪力墻，其墻元是在板殼單元的基礎上構造出的一種通用墻元,它采用靜力凝聚原理將由于墻元的細分而增加的內部自由度消去,將其剛度凝聚到邊界節點上,從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度,而且墻元的每個節點都具有空間全部6個自由度,可以方便地與任意空間梁、柱單元連接,而無需任何附加約束,同時也降低了剪力墻的幾何描述和板殼單元劃分的難度,提高了分析效率。SATWE剪力墻模型既有平面內剛度,又有平面外剛度,樓板既可以按彈性考慮,也可按剛性板考慮,這是一種接近實際情況的模型。但結構設計師使用時應該從整體上來把握和控制結構體系的各項性能,對內力異常的構件或部位,從明確的結構概念出發來分析和處理,從而確保結構的安全性、經濟性、合理性。具體如下:
　　1)剪重比控制:
　　剪重比，指結構任一樓層的水平地震剪力與該層及其上各層總重力荷載代表值的比值,一般是指底層水平剪力與結構總重力荷載代表值之比。主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性。《高規》表3.3.13及《抗規》表5.2.5規定了最小值。它在某種程度上反映了結構的剛柔程度。剪重比應在一個比較合理的范圍內,以保證結構整體剛度的適中。剪重比太小,說明結構整體剛度偏柔,在水平荷載或水平地震作用下將產生過大的水平位移或層間位移;剪重比太大,說明結構整體剛度偏剛,會引起很大的地震內力,不經濟。
　　2)位移比控制:
　　位移比是指樓層的最大彈性水平位移(或層間位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)的平均值之比。主要為控制結構平面規則性，以免形成扭轉，對結構產生不利影響。《抗規》3.4.3條規定：構件最大位移和層間位移不大于兩端位移的1.5倍。《高規》4.3.5條規定：構件最大位移和層間位移A類不大于平均位移的1.5倍。B類不大于平均位移的1.4倍。位移比的大小是反映結構平面規則與否的重要依據,它是結構側向剛度與扭轉剛度之間的一種相對關系,而非其絕對大小,它的目的是使結構抗側力構件的布置更有效、更合理。
　　3)周期比控制:
　　周期比是指結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1的比值,其主要目的是控制結構在地震作用下的扭轉效應，減小扭轉對結構帶來不利影響。《高規》第4.3.5條規定，結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，
　　A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及本規程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85。目前SATWE程序不能直接輸出，需自行計算。在二個平動一個扭轉構成的三個方向因子中，當轉因子大于0.5，可視為該振型以扭轉為主。周期比實際上反映了結構的扭轉剛度和側向剛度之間的一種對應關系,同時也反映了結構抗側力構件布置的合理性和有效性。
　　4)層剛度比控制:
　　主要為控制結構豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。地震剪力和層間位移的比值《抗規》3.4.2及3.4.3條、《高規》4.4.2均規定：樓層側向剛度不小于上層的70%，或上三層平均剛度的80%。層剛度比較直觀地反映了結構樓層側向剛度沿豎向分布的均勻程度,它是衡量結構豎向規則與否的重要標志。
　　3SATWE設計參數的合理選取
　　合理的應用SATWE軟件,使選擇參數更符合規范條文及實際工程就變得尤為重要。
　　3.1抗震等級確定
　　(1)規范中抗震等級均指”丙”類建筑，如果是”甲”、”乙”、”丁”則需按規范要求對抗震等級進行調整：例如醫院。
　　(2)接近或等于高度分界時，應結合房屋不規則程度及場地、地基條件適當確定抗震等級：
　　(3)當轉換層的位置設置在3層及3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震墻等級宜按《抗規》6.1.2條或《高規》4.8條查得的抗震等級提高一級采用，已為特一級時可不再提高。
　　(4)短肢剪力墻結構的抗震等級也應按《抗規》6.1.2條或《高規》4.8條查得的抗震等級提高一級采用。但注意對多層短肢剪力墻結構可不提高。
　　(5)需注意：鋼結構、砌體結構沒有抗震等級，計算時可選”5”不考慮抗震構造措施。
　　3.2振型組合數的選取
　　在計算地震力時，振型個數的選取應使振型參與質量達到總質量90％以上所需的振型數。同時要注意以下幾點：
　　(1)振型數不能超過結構固有的振型總數，因一個樓層最多只有三個有效動力自由度，所以一個樓層也就最多可選3個振型。如果所選振型多于結構固有的振型總數則會造成地震力計算異常。
　　(2)對于進行藕聯計算的結構，所選振型數應大于9個，多塔結構應更多些，但要注意應是3的倍數。
　　3.3地震力與風力作用方向
　　(1)設計應注意查看SATWE文本文件“周期、振型、地震力”WZQOUT，程序輸出結果中給出了地震作用的最大方向是否與設計假定一致，對于交角≥150日寸應將此方向輸入重新計算。
　　(2)對于主體結構中存在有斜向放置的梁、柱時，也要分別計算各抗力構件方向的水平地震力。
　　3.4周期折減系數
　　周期折減是強制性條文，但折減多少則不是強制性條文，這就要求在折減時慎重考慮，即不能折得太多，也不能折得太少，因為折減不僅影響結構的內力，同時還影響結構的位移。例如：填充墻為輕質墻的框架就可以少折點。
　　3.5活荷載折減系數
　　活荷折減系數使用時應注意軟件默認的是按住宅取用的，當不屬于這種情況(如工業設計時)時應按規范取用。
　　3.6關于柱計算長度系數
　　現在實際工程中有的柱連續走兩到三層計算時應注意把每層的柱取相同的計算長度，否則計算結果會不真實。
　　3.7關于梁的幾個調整系數
　　(1)針對梁剛度的凋整系數Bk，對于預制樓板，板柱體系的等代梁則取1．0。注意此放大系數對連梁不起作用。
　　(2)對于負彎矩調幅系數Bt要注意：a、程序隱含規定鋼梁為不調幅的梁；b、不要將梁跨中彎矩增大系數與其混淆。
　　(3)梁彎矩放大系數Bm，選用時應注意，如果考慮活載不利布置時此系數應取為1．0，否則配筋量將增大15％左右。
　　(4)連梁剛度折減系數Blz要注意如果連梁的跨高比≥5時，建議按框架梁輸入，因此時梁往往是受彎為主。剛度不應折減。
　　(5)梁扭矩折減系數程序規定對于不與剛性樓板相連的梁及弧梁，此系數不起作用。
　　3.8關于偶然質量偏心
　　對于不規則結構必須選此項，主要用來判斷結構平面的規則性，見《高規》4．3．5條。特別注意此時，必須對所有樓層強制采用”剛性假定”，執行這一開關后所計算的地震力、桿件內力均不能用，僅僅用來判斷樓層的最大水平位移與層間位移比值。注意：對一個不規則結構，帶有彈性樓板的結構，應計算兩遍，一是強樓板剛性控制位移；二是按真實情況計算地震力、桿件內力。
　　3.9關于雙向地震的扭轉效應
　　《高規》3．3．3條要求：“計算單向地震力時應考慮偶然偏心的影響：而條文說明當計算雙向地震作用時，可不考慮質量偶然偏心的影響”。
　　3.10關于樓層剛度的計算方法的選取
　　程序給出了三種計算方法，三種計算方法給出差別較大的剛度比，所以設計應根據工程實際情況做出正確選擇，可按下列原則選取：
　　(1)剪切剛度：即《高規》附錄E．0．1建議的方法，對于底層大空間層數為一層時，可近似采用轉換層上、下結構的等效剪切剛度比表示轉換層上、下層的剛度變化。此時可近似只考慮剪切變形的影響，適用于多層(砌體、磚混底框)，不帶轉換層的剪力墻結構也宜選用此項。
　　(2)剪彎剛度：即《高規)附錄E．0．2建議的方法(是按有限元法，通過加單位力來計算的)，對于底層大空問層數大于一層時，可近似采用轉換層上、下結構的等效剪彎剛度比表示轉換層上、下層的剛度變化。此時同時考慮結構剪切變形和彎曲變形的影響，適用于帶斜撐的鋼結構，不帶轉換層的框架一剪力墻結構也宜選用此項。
　　(3)地震剪力與地震層問位移比值：即《抗規》建議的方法，適用于其它多層建筑結構。注意：a、上述三種方法計算的剛度含義是不同的，差異較大，如僅有一個標準層的簡單框架結構，按方法1，2計算各層的剛度都相同，按方法3計算各層的剛度不相同。b、對高位轉換結構(8度三層以上，7度五層以上)，建議人工按《高規》附錄E．0．2分別建兩個模計算。
　　3.11關于上部結構嵌固端的選取
　　《高規》5．2．7條規定：當地下室頂板作為上部結構的嵌固層時，地下室結構的樓層側向剛度不應小于相鄰上部樓層側向剛度的2倍，而規范中設計內力調整系數所對應的底層即指嵌固層樓板。因此，正確選取嵌固層就成為結構整體計算是否正確的關。
　　2．12彈性樓板的選取
　　對于各種樓板的應用范圍可采用如下方法確定：
　　(1)彈性樓板6假定，一般用于板柱結構和板柱抗震墻結構的計算。
　　(2)彈性樓板3假定是針對厚板轉換層結構的轉換厚板提出的。
　　(3)彈性膜假定，主要針對空曠的工業廠房和體育場館結構、樓板局部開大洞結構、樓板平面較長或有較大凹人以及平面弱連接結構等。
　　4結語
　　總之，抗震分析是建筑結構計算分析的一個重要方面，僅憑計算分析是不能保證結構安全的,抗震概念設計就成為抗震設計的一個重要組成部分,它應該貫穿于結構計算分析和細部構造的全過程。1)根據建筑結構的特點,選擇合適的結構計算軟件,并應了解軟件的基本假定、計算模型和適用范圍。2)根據結構計算模型的特點,對實際結構采取必要的技術處理,使計算模型和實際結構盡可能地接近,以滿足工程設計精度的要求。計算軟件只是工具，從整體上把握結構的各項性能,才能真正用好工具，做出合格的設計。
　　參考文獻
　　【1】建筑抗震設計規范(GB50011-2001)
　　【2】混凝上結構設計規范(GB50010-2002)
　　【3】高層建筑混凝土技術規程OI3-2002)
　　【41中國建筑科學研究院編制的PKPM系列說明書
　　【5】PKPM新天地雜志__