基于SATWE结构分析软件中的参数选取和结果分析的探讨

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1基于SATWE结构分析软件中参数选取和结果分析的探讨摘要：SATWE结构分析软件具有准确、高效等特点，在结构设计中得到了广泛应用。对SATWE结构分析软件中参数选取进行了探讨，以便结构设计人员在利用SATWE结构分析软件进行结构分析时能够输入合理的参数，从而保证计算结果的正确性。通过对图形文件和文本文件的查看和分析，判断一些比值是否满足规范要求，并进行相应的调整和完善，使得结构计算过程科学化，提高了设计工作效率的同时也保证了结构设计的安全可靠。关键词：SATWE；参数选取；结果分析中图分类号：TU318+.2文献标识码：AThediscussionofparameters’selectionandresults’analysisofSATWEstructuralanalysissoftwareAbstract：SATWEstructualanalysissoftwareisaccurateandefficient,andithasbeenwidelyappliedinstructualdesign.ThisarticlehasdiscussedtheselectionofparametersofSATWEstructualanalysissoftware,sothatstructualdesignerscanentertheresonableparameters,inordertoensurethecorrectnessofthecalculations.Todeteminetheratioswhethertomeetrequirementsofcriterionsthroughviewingandanalyzingthegraphicfilesandtextfiles.Andmakeappropriateadjustmentandimprovementsothattheprocessofstructualcalculationbecomesmorescientific.Itimprovestheefficiencyofthedesignworkbutalsotoensurethesafetyandreliabilityofthestructualdesign.Keywords:SATWE;parameters’selection;results’analysis1引言高层建筑结构在完成PKPM建模以后，需要利用SATWE结构分析软件进行分析。在此之前，需要完成参数的合理选取，然后再试算。试算后查看结果、分析结果，根据计算结果再反过来调整参数和模型，如此反复，直至结果满足规范要求。2参数选取利用SATWE结构分析软件进行分析之前，需要完成参数的合理选取，软件参数的合理选取对于软件分析结果的正确性具有重要的意义。本文将主要从水平力和整体坐标夹角（度）、恒活荷载计算信息、计算振型个数、梁端负弯矩调幅系数、梁活荷载内力放大系数、梁扭矩折减系数、中梁刚度放大系数等方面来探讨。1水平力和整体坐标夹角（度）由于设计人员事先很难估算结构的最不利地震作用方向，因此可以先取初始值0。试算后，计算书中会输出结构最不利方向角，如果这个角度与主轴夹角大于15°，应将该角度输入重新计算，以考虑最不利地震作用方向的影响。2恒活荷载计算信息[1]对施工过程竖向荷载的模拟有以下几种，它们各自的适用范围是不同的，设计人员应该根据工程的实际情况正确的选择加载方式，以最大程度的反映施工的真实情况。 （1）一次性加载采用整体刚度模型，按一次加载方式计算竖向力。由于上部的竖向位移往往偏大，为了协调如此大的竖向位移，有时会出现拉柱或梁没有负弯矩的不真实的情况。适用于钢结构、多层结构和有上传荷载（例如吊柱）的结构。（2）模拟施工加载1采用整体刚度分层加载模型，按逐层加载、逐层找平的加载方式计算竖向力，但是为了简化计算模型，程序并没有逐层增加结构刚度。适用于多高层结构。（3）模拟施工加载2按模拟施工加载1的加载方式计算竖向力，但为了防止框筒结构按刚度分配荷载可能出现的不合理情况，将筒体外围框架构件的刚度放大10倍后再进行荷载分配，从而避免墙轴力远大于柱轴力的不合理情况。仅适用于框筒结构向基础软件传递荷载（不要传递刚度）。（4）模拟施工加载3采用分层刚度分层加载模型，按逐层加载、逐层找平的加载方式计算竖向力，在每层加载时不用总体刚度，而是只用本层及本层以下的刚度。适用于多高层无吊车结构，更符合工程的实际情况，推荐使用。3计算振型个数通常振型数取值应不小于3，且为3的倍数，并且必须保证有效质量系数大于0.9。当有效质量小于0.9时，说明计算振型数量不够，后续振型产生的地震效应被忽略了，地震作用偏小，结构设计不安全。《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.1.13条规定：抗震设计时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对于多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍。但是，振型数也不能取的过多，不能多于结构有质量贡献的自由度总数，否则不仅浪费时间，还可能使计算结构发生畸变。4梁端负弯矩调幅系数《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.2.3条规定：在竖向荷载作用下，可考虑框架梁端塑性变形内力重分布对梁端负弯矩乘以调幅系数进行调幅。装配整体式框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.7~0.8，现浇框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.8~0.9。一般工程取0.85。5梁活荷载内力放大系数《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.1.8条规定：高层建筑结构内力计算中，当楼面活荷载大于时，应考虑楼面活荷载不利布置引起的结构内力的增大。对于此类建筑一般取1.1~1.2；对于一般的高层建筑，取1.0；对于已经考虑了活荷载的不利布置时，取1.0。此系数只有在活荷载比较大时才考虑！6梁扭矩折减系数《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.2.4条规定：高层建筑结构楼面梁受扭计算时应考虑现浇楼盖对梁的约束作用。当计算中未考虑现浇楼盖对梁扭转的约束作用时，可对梁的计算扭矩予以折减。梁扭矩的折减系数应根据梁周围楼盖的约束情况确定。一般取0.4。7连梁刚度折减系数《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.2.1条规定：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。连梁刚度折减，即允许大震下连梁开裂，连梁的损坏可以保护剪力墙，有利于提高结构的延性和实现多道抗震设防。通常6、7度地区连梁刚度折减系数可取0.7，8、9度地区可取0.5，非抗震设防地区和风荷载控制为主的地区不折减或少折减。8中梁刚度放大系数《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.2.2条规定：在结构内力与位移计算中，现浇楼盖和装配整体 式楼盖中，梁的刚度可考虑翼缘的作用予以增大。近似考虑时，楼面梁刚度增大系数可根据翼缘情况取1.3~2.0。通常中框架梁可取2.0。(但是放大后梁内力相应增大，配筋多，柱子内力减小，配筋少，形成强梁弱柱的情况，所以一般这个放大系数可以在考虑梁配筋时填1.5，考虑位移时填2.0)需要说明的是：系数的折减是根据工程实践得出的，既能满足正常使用状态也能满足承载能力极限状态！结果分析[3,4]查看和分析图形文件和文本文件的结果，需要判断的是否满足规范要求的一些比值主要有以下七个，轴压比、周期比、位移比、刚度比、刚重比、剪重比、层间受剪承载力之比。1轴压比轴压比是指柱（墙）的轴向压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值，是控制结构延性的重要指标。规范对柱和剪力墙墙肢均有相应限值要求，见《建筑抗震设计规范》[5]第6.3.6、6.4.6条和《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第6.4.2和7.2.13条。当轴压比过大时，说明结构的延性要求无法保证。此时，可以通过增大该墙、柱的截面，提高该楼层墙、柱的混凝土强度等级调整；当轴压比过小时，说明结构的经济技术指标较差，宜适当的减少相应墙、柱的截面面积。2周期比周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转刚度、扭转惯量分布大小的综合反应。控制周期比的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不会出现过大的扭转效应。所以，周期比不是要求结构具有足够的刚度，而是要求结构刚度布局合理，从而保证结构在地震作用下产生的扭转激励振动效应不成为主振动效应，避免结构发生扭转破坏。《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第3.4.5条规定：结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不应大于0.85。一般的混凝土结构120米以下都是A级，120-140米是B级。周期比不能在计算书中直接查到，需要设计人员自行计算。以下介绍周期比计算方法。（1）判断平动振型和扭动振型从计算书中找出平动系数大于0.5的振型，即为平动振型；同理，找出扭动系数大于0.5的振型，即为扭动振型。（2）确定第一平动周期和第一扭转周期将平动振型所对应的平动周期按其数值的大小由大到小排列，同理，将扭动振型所对应的扭动周期按其数值的大小由大到小排列，然后在平动振型和扭转振型中分别找出最大平动周期和最大扭转周期，查看结构空间振动简图，看该周期所对于振型的空间振动是否为整体振动，如果其仅仅引起局部振动，则不能作为第一平动（扭动）周期。此时，需要从队列中取出下一个周期进行考察，依此类推，直到选出不仅周期较大而且对应的振型为结构整体振动的周期，该周期即为第一平动（扭动）周期。平动系数最大的对应的是第一平动周期，扭转系数最大的对应的是第一扭转周期。(一般取周期大于0.5的前几个看)例如：考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y方向的平动系数、扭转系数振型号周期转角平动系数(X+Y)扭转系数10.272990.090.99(0.00+0.99)0.0120.207089.870.01(0.00+0.01)0.99 30.17120.041.00(1.00+0.00)0.0040.143390.160.13(0.00+0.13)0.8750.124889.650.03(0.00+0.03)0.9760.115990.130.69(0.00+0.69)0.3170.096286.390.13(0.00+0.13)0.8780.0721173.940.03(0.01+0.01)0.9790.071490.060.07(0.00+0.07)0.93第一平动周期为：0.2729第一扭转周期为：0.2070周期比：0.2070/0.2729，看是否满足上述要求！振型:前三个振型应当为“平平扭”，且其振型参与系数应接近1.0，否则说明剪力墙分布不均匀导致刚度分布不均匀。（3）周期比计算将第一扭转周期除以第一平动周期和即为周期比，然后考察其值是否满足规范要求。如果周期比不满足规范要求，说明该结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小，结构的扭转效应明显，设计人员需要改变结构的布置，提高结构的抗扭刚度。总的调整原则是加强结构外围墙、柱、梁的刚度，适当的削弱结构中间墙、柱的刚度；利用结构刚度与周期的反比关系，合理的布置抗侧力构件，加强周期需要减小的方向的刚度，或者削弱周期需要增大的方向的刚度。(首先调使质心和刚心别相差太多)4）当第一振型为扭转时，说明结构的扭转刚度相对于其两个主轴（第二振型转角方向和第三振型转角方向，一般都靠近X轴和Y轴）的侧移刚度过小，此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度，或沿两主轴适当削弱结构内部的刚度。5）当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对其中一主轴（第一振型转角方向）的侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴（第三振型转角方向）的侧移刚度则过小，此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度，或适当加强结构外围（主要是沿第一振型转角方向）的刚度。简单的说，当扭转周期不在第一周期时，就是有一个轴的平面刚度超过了扭转刚度。把扭转周期（如果在第二周期时）下面那个（第三周期）的轴的刚度调弱或把第一周期对应的轴刚度调强就解决了。振型周期转角平动系数(X+Y)扭转系数12.1675177.140.95(0.95+0.00)0.0521.78713.530.08(0.07+0.01)0.9231.554188.930.99(0.00+0.99)0.01第一周期是X向的，刚度正常，第二周期是扭转周期，调这个，把第三周期对应的Y轴调弱点，让Y轴刚度小于扭转刚度(或者加大扭转刚度，加强外围梁的尺寸，这个作为调整的首要手段，如果不行再削弱Y轴)。扭转就调过来了。 总结：周期比是很重要的一个参数，会调它，要求是平平扭，对于前两个周期，如果每个方向的扭转刚度大于侧移刚度的话，就不会产生扭转而是以平动为主，只有抗扭刚度小于侧移刚度的时候才会产生扭转，所以处理方法往往是抗的方法，即加强外围刚度或者削弱内部刚度以增大扭转刚度，还有一个就是放的方法，哪个周期有扭转了，就削弱此方向的侧移刚度，使他小于扭转也是可以的，要全局把握。(最有效方法是削弱内部刚度，尤其是周期小的那个方向的刚度)注：其实实践得真知：最有效的方法是加大外刚度，别的都没用，墙布置差不多了，就加大梁高，尤其是角位置处的梁高，是最有用的！3位移比位移比是控制结构整体抗扭特性和平面不规则性的重要指标。位移比包含两项内容：（1）楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值；（2）楼层竖向构件的最大层间位移与平均层间位移的比值。《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第3.4.5条规定：结构平面布置应减少扭转的影响。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；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂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1.4倍。需要注意的有三点：（1）规范规定的位移比是按刚性板假定计算的，如果在结构模型中设定了弹性板或楼板大开洞，应该计算两次。先选择<对所有楼层强制采用刚性楼板假定>计算，得出正确的位移比，在位移比满足规范要求之后，再不选择该项，以弹性楼板假定进行配筋计算。（2）高层建筑位移比计算应考虑偶然偏心的影响，多层建筑可以不考虑。（3）位移比是判断结构规则性的重要依据，对是否考虑双向地震作用有重要的参考作用。如果位移比不满足规范要求，原因往往是结构平面不规则、刚度布置不均匀、结构上下层刚度偏心较大等，解决的办法主要是改进设计，使结构规则，刚度均匀。4刚度比刚度比是控制结构竖向不规则性和判断薄弱层的重要指标。根据规范有关刚度比计算的规定，程序给出了三个选项：剪切刚度、剪弯刚度、地震剪力和地震层间位移的比值。这三种刚度比计算方法各不相同，计算结果又时差异较大，所以合理的选择刚度比的计算方法具有重要的意义。侧向刚度限值：该层的侧向刚度不应小于相邻上一层的70%或小于相邻三个楼层侧向平均值得80%。剪切刚度计算方法主要用于底部大空间为一层的转换层结构刚度比计算，及地下室嵌固部位的刚度比计算；剪弯刚度计算方法主要用于底部大空间层数大于一层的转换层结构刚度比计算；地震剪力和地震层间位移的比值计算方法适用于没有转换层结构的大多数常规建筑，也可用于地下室嵌固部位的刚度比计算。一般来讲，常规工程选择地震剪力和地震层间位移的比值计算方法计算刚度比，对于复杂高层建筑，建议多用几种计算方法计算刚度比，从严控制。规范对层间刚度比有相应限值要求，见《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第3.5.2条和附录E.02。当结构不满足此条要求，属于竖向不规则结构时，应按《建筑抗震设计规范》[5]第3.4.4条的规定，将地震剪力乘以不小于1.15的增大系数。 程序根据规范要求自动计算层间刚度比，自动判断是否因刚度比突变出现薄弱层，自动对薄弱层放大地震剪力。如果计算书中每一层显示的都是“薄弱层地震剪力放大系数=1.00”，说明该结构没有薄弱层，结构的刚度比满足规范要求。当结构的刚度比不满足规范要求时，可以适当的降低本层层高或适当的提高上部相关楼层的层高，也可以适当的加强本层墙、柱和梁的刚度或者适当的削弱上部相关楼层墙、柱和梁的刚度。5层间受剪承载力之比层间受剪承载力之比也是控制结构竖向不规则性和判断薄弱层的重要指标。《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第3.5.3条规定，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。《建筑抗震设计规范》[5]第3.4.4条规定，平面规则而竖向不规则的建筑，应采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于1.15的增大系数，其薄弱层应进行弹塑性变形分析，当楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%。如果层间受剪承载力之比不满足规范要求，可以适当提高本层构件强度（例如增大柱箍筋和墙水平分布筋、提高混凝土强度或加大截面）以提高本层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力，或适当的降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力。6刚重比刚重比是结构刚度和重力荷载之比，是控制结构整体稳定性的重要指标。高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小。高层建筑结构的稳定性设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，以免引起结构的失稳，倒塌。刚度比是影响重力效应的主要参数。如果结构的刚度比满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.4.4条的规定，重力效应可控制在20%之内，结构的稳定具有适宜的安全储备；如果结构的刚度比满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第5.4.1条的规定，可以不考虑重力效应。如果结构的刚重比不满足规范要求，应加强墙、柱等竖向构件的刚度。7剪重比剪重比是楼层剪力与该层及其以上各层重力荷载代表值的比值，是抗震设计中非常重要的参数。《建筑抗震设计规范》[5]第5.2.5条给出了规定。规范规定剪重比计算，主要是因为在长周期作用下，地震影响系数下降较快。对于基本周期大于3.5s的结构，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应有可能太小；而对于长周期结构，地震动态作用下的地面运动速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，但是振型分解反应谱法尚无法对此做出较准确的计算，故出于安全考虑，规范规定了各楼层水平地震剪力的最小值。如果剪重比不满足规范要求，说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位。首先不选择程序自动调整，而是从优化设计方案、改进结构布局、增加结构刚度方面加以调整。当地震剪力偏小而层间位移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱的截面以提高刚度；当地震剪力偏大而层间位移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱的截面以降低高度；当地震剪力偏小而层间位移角又恰当时，可以在<调整信息>中的<全楼地震作用放大系数>中输入大于1的系数（1.0~1.5）以增大地震作用。直到剪重比与规范要求相差不大时，再选择<按抗震规范（5.2.5）调整各楼层地震内力>调整地震力，以完全满足规范的要求。值得指出的有两点：（1）地下室由于受到回填土的约束作用，可以不考虑剪重比的调整；（2）为了正确的计算剪重比，必须选择足够的振型个数使有效质量系数大于0.9。特别说明1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.7和6.4.6。 2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，最小剪重比一般是=0.2αmax,最后的结果要控制在这个最小剪重比之上，否则需要乘以1.15地震剪力放大系数见抗规5.2.5。3、刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2。4、位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。见抗规3.4.2。5、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，要求见高规6、刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求见高4结语本文对SATWE结构分析软件中参数选取和结果分析进行了简要的总结，主要是基于以下几点的考虑：（1）PKPM进行多高层结构分析时需补充的参数很多，有时一个参数的输入错误会导致电算结构的错误，所以SATWE结构分析软件中参数的合理选取是保证工程结构安全的必要条件之一。（2）SATWE结构分析软件输出正确的结果并不是一次试算就可以完成的，它需要反复的调整和试算，以达到满足规范要求，方案科学，经济合理，便于施工的目的。但是考虑到输出的图形文件和图本文件很多，如何快速的查看和分析这些文件对设计工作效率就显得尤为重要。所以SATWE结构分析软件中结果的正确分析提高设计工作效率的重要保障。参考文献[1]杨星编著.PKPM结构软件从入门到精通[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.[2]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S].北京:中国建筑工业版社,2010.[3]李清.结构分析软件SATWE结构设计时要注意的问题[J].四川建筑科学研究，2009，35（2）：54-56.[4]杨星,赵兵.建筑结构设计计算步骤探讨[J].建筑结构，2005，35（11）：60-62.[5]建筑抗震设计规范（GB5001-2010）[S].北京:中国建筑工业版社,2010.