SATWE結構計算結果超限分析及其調整策略探討

摘 要：采用PKPM進行結構計算分析難免會存在計算結果超限問題，從工程實踐表明，結構計算結果的超限問題可通過結構布置調整加以控制，本文結合實例根據SATWE計算結果提出結構布置優化調整策略，為同行提供參考。

關鍵詞：PKPM軟件；結果超限；結構布置；SATWE數據

1 引言

高層建筑整體結構的體系選型對于能夠在很大程度上影響結構各項設計指標，更能通過對其控制以達到調整避免超限的效果，另外依據SATWE結構計算得到的結果進行逐個分析，能夠更準確的了解結構超限的細節情況，采取更加精準的措施以實現建筑結構設計的最優化。本文就影響建筑結構體系選型幾個因素進行闡述，接著介紹了通過結構體系優化調整來控制超限的策略，SATWE計算結果中的各參數進行深入剖析，明確超限調整方法。

2 結構體系優化控制結構超限策略

在高層建筑結構設計過程中，依據一些基本原則進行優化處理不僅可以改善結構受力的性能，還能增強結構抗震的能力，同時有控制建設成本的效果。首先，可以通過結構抗彎體系有效的寬度尺寸控制來調節結構抗側剛度，這是既直接又有效地手段。寬度的增加直接的增大了抵抗力臂，這樣抗傾覆力即會減小，依據基本的材料力學知識即可以推導，在同樣抗傾覆力和面積情況下，結構寬度不同形狀不同能夠得到的幾何特征也差距較大。據此可知，加大了抗彎結構構件有效寬度對整個結構抗側剛度的提高作用非常顯著。其次是優化處理結構分體系的設計，做到各個構件實現最有效方式的相互作用，例如斜桿和弦桿桁架體系受力狀態較為有效；抗震墻內部可以設置交叉的鋼筋增強抗剪的能力；最優化的框架剛度比實現良好受力效果等。再次，結構工程師要清晰最有效受荷構件要發揮其自身材料強度，增大其面積，這也是基本的結構概念。另外，建筑水平方向作用大部分是通過樓板來進行傳遞，而且當前所有規范及經驗設計所采用的結構分析理論都是采用樓板在水平方向具有無限大剛度的基本假定。保證各層樓蓋足夠連續性及剛度設計才能實現水平隔板效果的作用，將外力抵抗構件協同連接成為一個整體，進而避免因樓板產生的超限問題出現。還要合理的選擇倒塌機制，保證結構的破壞機制要出現在結構構件發生塑性鉸之后，而且此時的承載能力要實現基本穩定維持，持續發生變形但不發生倒塌，對于地震的能量能最大限度的吸收消耗掉，實現結構穩定承受外荷載的使命。最后要全面考慮結構抗震性能，以多道設防體系的建立來有效實現罕遇烈度地震作用下建筑物對人民生命財產安全的保護作用，這也是規范所做的要求。另外，對于建筑方案中所確定的建筑高度與層數、長寬比、建筑體型及高寬比等，借助電算數據進行適用性和經濟性能分析。

3 SATWE計算結果確定結構體系合理性及控制策略

將建筑結構信息輸入PKPM，按照現行規范進行參數設置調整，保證盡可能同實際建筑結構保持一致，配筋計算后，得到SATWE結構計算結果。規范都對結構整體的合理性及科學性進行重點強調，要求保證在地震的作用之下，結構能夠保證動力特性及變形能力都滿足抗震設防的需要，常見的幾項超限參數也都體現在SATWE計算結果中。

首先是保證結構以扭轉為主的第一個自振周期同以平動為主的第一個自振周期的比值，也就是周期比嚴格符合規范的要求，保證對結果扭轉效應的控制。限定了周期比就使得抗側力構件平面的布置更加合理更加有效化，結構就不會出現不合理的扭轉，從建筑結構整體上保證不出現超限的效果。如果結構設計的周期比超過了規范所規定的限值，表明該結構設計會有明顯的扭轉效應，這種情況下要對邊緣和中間區域的構件進行調整，加大結構周邊的構件剛度，并且減小中間結構構件剛度，從而增強結構整體的抗扭剛度。第二個重要保證指標是層間位移比，即最大的層間位移同平均的層間位移之間比值，其控制著結構在平面上的不規則性。規范按照剛性板的基本假定來得出了位移比的限值，實際設計的結構模型如果設定成彈性板就必須在電算軟件的參數設置的時候強制選擇剛性樓板假定選項，這樣算出來的位移比才有可比性。保證了位移比在可比情況下能夠滿足規范要求之后，進入配筋計算的時候還是要按照原定的彈性板假定來進行。第三個保證的是軟件已經提供的剪切剛度同剪彎剛度比值和地震剪力同地震層間位移比值的剛度比，其控制著結構豎直方向不規則性。第四個保證參數為結構剛度除以重力荷載得到的剛重比，其控制著結構整體的穩定性，同時在重力二階效應影響因素之中也是重要參數之一。該值超過限值表明結構有失穩倒塌的風險，設計人員只能綜合對結構剛度和重力荷載進行控制以保證限值要求。最后還要保證樓層的剪力除以其上部各層重力荷載代表值和所得到的剪重比，其值滿足規范要求才能保證結構的抗震設計需要。

4 某辦公樓建筑超限分析及其調整策略

4.1 辦公樓工程概況

某辦公樓工程項目占地6808 m2，建筑辦公空間約77253 m2，整體呈現橢圓形，長軸方向貫穿了所在場地東南和西北角。主體塔樓地上部分四十層，地下五層，底部四層5.8m層高，標準層4.35m層高，高寬比4.59，滿足體形系數規范要求，圖1 為該辦公樓建筑平面圖。主塔樓采用框架-核心筒結構體系，中間采用鋼筋混凝土筒體，結構不出現形狀上下變化，周邊塔樓使用鋼筋混凝土柱承受荷載，下部的樓層則使用型鋼混凝土柱受荷。材料使用方面，地上部分梁和板主要采用C30混凝土，型鋼混凝土柱采用C40至C60混凝土，結構鋼以Q345與Q345GJ為主。

4.2 結構設計分析

使用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部的高層建筑結構空間有限元設計分析軟件SATWE完成結構整體計算分析，對超限項進行調整修正后重新計算最終保證實現結構避免超限的目標。修正后基本風壓去0.55 kN/m2，地面粗糙度取D類，結構基本周期取2.56s，中梁剛度增大系數取2.00，梁端彎矩增幅系數0.85，連梁剛度折減系數0.80，梁扭矩折減系數0.40，其它參數參照相關規范及工程取值。

4.3 結構超限檢查

該項目主體塔樓的高度181m，超過了規范對于A級高度130m的限值，還略超過B級高度180m的限值底部由于步行天橋同樓層有鏈接，出現不規則的扭轉，也就是說，主體塔樓屬于超限高層建筑。

4.4 調整策略及應對措施

依據前面所做的介紹，該結構的調整策略主要是兩個方面。一方面在底部使用型鋼混凝土框架柱，提高框架的延性，更好的保證二道設防的結構設計要求；另一方面是保證建筑要求前提之下，縮小柱子艱巨，保證框架能夠更能有效地分擔核心筒的地震剪力。此外，計算上修正參數，使得計算能夠更加符合實際工程。

5.5 措施調整結果

經過調整后重新分析計算得到周期比為0.717，地震作用下X方向層間位移比為1/906，Y方向層間位移比為1/1207，風荷載作用下X方向層間位移比為1/916，X方向層間位移比為1/2904。

5 結語

通過結合工程實例，本文系統地介紹了整體體型系數控制，根據SATWE計算結果為依據，對結構體系采取優化布置，實現結構的建筑效益，從工程實踐表明，采取綜合采取控制方法可有效使結構計算結果滿足規范要求。

參考文獻：

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