如何选择合理的结构模型与参数始终是困扰结构设计人员的难题,今天就分享某大型设计院总共的25条设计经验......
1、周期折减系数
框架结构:厂房和砖墙较少的民用建筑,取0.80~0.85,砖墙较多的民用建筑取0.6~0.7,(一般取0.65)。
框架-剪力墙结构:填充墙较多的民用建筑取0.7~0.80,填充墙较少的公共建筑可取大些(0.80~0.85)。
剪力墙结构:取0.9~1.0,有填充墙取低值,无填充墙取高值,多数取平均值0.95比较保险
2、地震作用计算中,在GE计算时,活荷质量折减系数和活荷载代表值的组合系数:
(1)活荷质量折减系数:是指计算地震作用(地震力)计算时,计算质点质量(恒+活×活荷质量折减系数)用到的一个折减系数。
(2)、活荷载代表值的组合系数:是指计算地震作用(地震力)计算时,计算重力代表值(竖向荷载)的一个折减系数,直接用于竖向力(恒、活)作用下的结构内力计算。与上述活荷质量折减系数区别不大,因为:既然重力(竖向力)考虑了多少活载,在计算地震力时也应考虑多少活载,两者是有相关性的,一般两者取值一样,最新版的SATWE已取消了一个系数,仅填一个即可:
厂房:均取0.7,仓库应取大值(0.8~1.0),仓库超载可能极大,取1.0较稳妥。
民用建筑按规范:一般情况取0.5,藏书库、档案库取0.8。
按实际荷载输入情况(例如:专业厂房按实际荷载输入),计算取1.0。
具体可参考准永久值系数,最小一般取0.5,当活载较大时,此系数对结构计算结果影响很大,应慎重取值。
3、活荷载组合系数ψc:
是指多个可变荷载同时作用的组合系数,如:“γG恒+γW风+ψcγQ活”组合中的系数。
备注:
活荷载重力代表值组合系数ψE与活荷载组合系数ψQ上述所代表的意义具有类似又有区别,类似的地方:两者都可理解为组合系数,活荷载组合系数ψc是与风、吊车等其他可变荷载的组合,活荷载重力代表值组合系数ψE也是组合系数,它是地震作用组合。不同之处,活荷载组合系数ψc最小0.7;活荷载重力代表值组合系数ψE,一般民用建筑为0.5,屋面可不考虑,相当于准永久值系数,一般的民用建筑,这两者取值是不一样的,多数是:ψc=0.7,ψE=0.5。藏书库、通风机房、电梯机房:ψc=0.9,ψE=0.8,对于通用厂房的工业建筑,现在基本约定俗成取0.7,这样就与ψc相同了。另外一点,在地震作用计算中,质点质量计算也用到活荷载重力代表值系数ψE(活荷载质量折减系数)。
4、楼层活载折减系数
是指楼层活载同时满载可能性的一种折减,主要有两类:A-梁;B-墙柱基础。梁的折减比较复杂,一般不折减。对于墙、柱、基础的折减,SATWE又分为两部分:a-墙和柱;b-基础。主要要注意:
(1)通用厂房不折减(包括基础),施工图审查所的理由:因为无依据。专业厂房可根据《荷载规范》附录对号入座,对不上号就不要折减。
(2)民用建筑:计算楼面梁:折减系数取值比较复杂,偏于安全,不折减。
计算墙、柱、基础,可按规范折减。偏于安全,建议:计算墙和柱时,不折减;计算基础才折减。
(3)、在使用SATWE或其他软件时,有选用“折减”时,应注意以下问题:
A、程序的折减系数仅适用于规范表4.1.1第1(1)项,具体是:住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园。
B、表4.1.1第1(2)~7项按规范第4.1.2条第2款的规定:同楼面梁折减,最多折0.9,偏安全,建议不作折减。
C、表4.1.1第8项,车道或车库:单向板布置-0.5;双向板布置-0.8。
D、沿竖向建筑功能不同时(例如:下半部为商场、上半部为住宅),其折减系数应特殊调整:根据荷载和层数进行加权、综合、对比计算才能确定,对于建筑功能复杂的情况,计算过程复杂,偏于安全,不折减。
E、在pmcad退出时,如果梁荷载要折减,必须执行“荷载竖向导荷”,在JCCAD中“荷载参数”将“自动按楼层折减活荷载”打“√”,否则,折减系数可能无效。
F、在计算梁时,如果采用了折减系数,在计算墙、柱、基础时不能再折减,即,只能折减一次。
5、楼梯板荷载应按两对边单向导荷,指定导荷方向,传到TL梁,否则TL配筋偏小。
6、蹲式卫生间应考虑蹲位垫高的重量,建议:根据蹲位垫高部分的面积计算其重量(按垫砂土高200mm、约4.0KN/m2),再分摊为整间均布荷载(分摊后约2.0KN/m2),一般含板(100厚)自重取6KN/m2(4KN/m2+2KN/m2)。
7、带有雨篷的梁,应计入雨篷荷载。
8、结构建模的原始数据尽可能准确:
(1)填充墙重量应准确计算,门窗洞折减用乘折减系数的方式误差太大,建议准确计算。
(2)挑梁的荷载没必要人为加大,按实际计算,在配筋时,再适当加大挑梁配筋。
(3)能在PM定义的参数,尽可能在PM内定义,否则,设计可能出错,例如:钢筋等级问题,虽然计算能按SATWE定义的强度计算,但绘图是按PM定义的钢筋等级。又如:框架或剪力墙抗震等级,在SATWE定义可能是无效的,以PM内定义的抗震等级为准,这一点应特别注意。其它参数(地震参数、风载参数)会“驻留”在“缺省值”内,在做新工程时,应逐一检查总信息的“缺省值”,避免产生“致命”的错误。08网络版数据拷贝到其它机子计算时,计算参数会改变(恢复到原始缺省值状态),应注意。
(4)屋面楼梯间必须设多塔:虽然屋面楼梯间设与不设多塔,对抗震计算影响不大,但对于风载影响较大,因为,PKPM导算风载是按结构构件最外侧围合面积算得,这样存在着风载多算或少算。例如:屋面左右端各设一个楼梯间,如不设多塔,Y向风载按最左边构件(边梁或角柱)到最右边构件(边梁或角柱)围成的面积计算迎风面。对于X向,如果两楼梯间投影重叠,迎风面只计算两面,实际上有四面。
(5)在设置“多塔”时,应将较大较高塔设为第1塔,依次类推,最后一塔最小。
(6)梁或柱截面改变,会影响梁柱线刚度比,从而改变梁内力,如梁或柱截面有改变,最好再重算一下,改变数量较多时,有关计算参数也应再核对。
9、坡屋面建模,坡屋面层无需再设虚柱,坡屋面层与平屋面层的公共封口梁,只要在平屋面层设,在坡屋面层设为100X100的虚梁,但公共封口梁上的“网格节点”应一一对应,方可正确导荷。
10、柱计算长度:
按砼规范(7.3.11-3)计算砼柱计算长度系数: 是应特别注意越层柱的计算长度:当有梁与柱相连时,PKPM均将梁作为柱的侧向支点,当梁仅为纯挑梁时,PKPM也错误地将梁作为柱的侧向支点,此时,应注意修改柱的计算长度。
11、关于结构扭转问题:
解决办法:
对于多层结构,加大周边构件,加大外墙柱和框架梁截面,尽量减小中柱柱截面。
对于高层,剪力墙尽可能布置在靠近周边,但应注意:在两端山墙或靠近山墙,可布置Y向剪力墙,尽量不要布置X向剪力墙,如在两端山墙或靠近山墙布置X向布剪力墙,会影响结构在X向自由伸缩,造成X向梁板开裂。
12、关于框架-剪力墙结构0.2Q问题:
程序最大的放大系数为2,当需要的放大系数大于2时,应采用人工修改放大系数为2。软件编制的观点是:需要的放大系数大于2时,说明剪力墙偏刚(或者说框架偏柔),设计人应根据实际情况调整结构布置:当层间位移角较小,可将剪力墙减小,框架不变;当层间位移角较大,加强框架梁柱截面,剪力墙不变。在调整时,还应注意框架、剪力墙承担的倾覆力矩变动情况。08版放大系数大于2时也会自动调整,但是,当放大系数大于2时,如同前述,说明剪力墙偏刚(或者说框架偏柔),应对结构布置进行调整。
13、关于悬挑结构的边梁再挑板的问题:
悬挑结构上再挑板,未考虑挑板对悬挑梁产生的附加弯矩,甚至漏算挑板荷载。
有几种处理办法:
(1)、不输挑板,在边梁上输入挑板传来的恒(g*Lt)、活载(q*Lt),另外在挑梁端附加由“再挑板”产生的附加弯矩,恒:M附加=g*Lt2/2*(L1+L2)、活:M附加=q*Lt2/2*(L1+L2),在输入附加弯矩时,应注意附加弯矩方向和正(+)、负(-)号。挑板本身配筋另行补充计算。这种处理办法,挑梁和边梁配筋均正确。挑板本身配筋另行补充计算。
(2)、输挑板,在边梁上不再输入挑板传来的恒(g*Lt)、活载(q*Lt),但在挑梁端应附加由“再挑板”产生的附加弯矩,否则,挑梁配筋计算错误。挑梁端附加弯矩同上。挑板本身配筋可直接计算。这种处理办法,挑梁和边梁配筋均正确。挑板本身配筋不必另行补充计算。
(3)、挑板周边附加输入虚梁(100X100),在边梁上不再输入挑板传来的恒(g*Lt)、活载(q*Lt),也不另外在挑梁端附加由挑板产生的附加弯矩,这种处理办法,挑梁配筋均正确,但边梁配筋计算错误,挑板本身配筋计算也是错误,挑板本身配筋应另行补充计算,边梁也应另行计算,比较麻烦。
结论:推荐采用第(2)种方法。
14、薄弱层问题。Ratx1 和Raty1均应大于0.6/0.70=0.857,规范没有要求,《省暂规》要求层间抗侧刚度比不小于0.60,换算后,Ratx1 和Raty1均应大于0.6/0.70=0.857,如果Ratx1或Raty1小于0.857,请再查Ratx和Raty的倒数是否大于0.6,如果大于0.60,说明也满足《省暂规》要求,可不再调整结构布置,当然,如果Ratx和Raty的倒数是0.6~0.7之间,还属于存在薄弱层,底层地震力还得放大1.15。如果层刚比不满足或者为了消除薄弱层,可采取有以下办法:
(1)这个问题主要是层高差异太大引起的,为了解决这个问题,基础浅埋(柱网上均布设基础梁,并尽量浅埋)。
(2)提高底层砼标号,当一层层高较大时,一、二柱截面和砼强度等级可以且必须同时变化。
(3)在满足侧移、轴压比、梁筋锚固、二层柱柱筋不太大(不大于底层柱筋)的前提下,二层及二层以上柱截面尽量小。
(4)上述(2)、(3)一般不同时使用,但在层高变化大时,可以且应该同时使用。
(5)三、四层柱截面也应比二层再减小,使得Ratx1 (或Raty1)是一层与二层的0.7倍控制,避免Ratx1 (或Raty1)是一层与二~四层(上面3层)平均值的0.8倍控制的情况出现,如果二~四层柱等截面、相同层高,那么,就会出现了一层与二~四层(上面3层)平均值的0.8倍控制,即使二~四层柱有些变截面,一般也是一层与二~四层(上面3层)平均值的0.8倍控制。
(6)必要时,可减少二~四层梁截面,特别是第二~四层(结构层)荷载比第一结构层小,可以且应该这样做。
15、关于连梁输入方式的问题:
连梁输入有两种方式:
方法1:在剪力墙开洞处两端各加一节点,连梁按普通梁输入。
方法2:在剪力墙上开洞,使得形成所要的连梁,。
两种方式比较如下:
两者计算结果基本没有可比性,配筋差异太大,为了尽可能符合实际情况,按以下原则:
A、当跨高比≥5时,按梁计算连梁,构造按框架梁。
B、当跨高比≤2.5时,一般按连梁(墙开洞),但是当梁高<400时,宜按梁,否则,连梁被忽略不计。
C、当跨高比:2.5≤L/h≤5且梁高<400时,应按梁,否则,连梁被忽略不计。
D、采用墙开洞设连梁比较方便,可自动转换,但是经转换,与按梁输入的计算结果也没有可比性,也有很大的差异,原因可能是梁的刚度调幅系数和现浇梁刚度放大的问题,PKPM正对此问题进行修改。
E、当梁高<300时,按墙开洞的连梁会被忽略,即无连梁,一般梁应≥400,尽量不要出现梁高<400的情况。
按照不同的输入方式,计算结果比较:
方法1:在剪力墙开洞处两端各加一节点,连梁按普通梁输入。
方法2:在剪力墙上开洞,使得形成所要的连梁,并转化为框架梁。根据连梁刚度折减系数不同,又分两种情况:
方法2-a:连梁刚度折减系数0.7。
方法2-b:连梁刚度折减系数由0.7改为1.0。
剪力墙:方法2-a,主筋最大,方法2-b,主筋次之,方法1,主筋最小。
梁: 方法2-a,主筋最小,方法2-b,主筋次之,方法1,主筋最大。
无论是墙还是梁,方法2-b和方法1,计算结果比较接近。
由于同一结构,有些连梁需转换,有些不需转换,无法统一将连梁刚度折减系数由0.7改为1.0,因此,跨度大、受荷从属面积的连梁(应转换为框架梁)计算配筋偏小,此时,应适当增加该梁的配筋。目前,PKPM正在对连梁转换功能修改,以后就可能不会出现连梁转换为框架梁计算配筋偏小的问题。
17、由剪力墙开洞相成的连梁,当跨高比大于5时,宜按框架梁处理,这里面包含两个意思:一是梁的刚度不折减(隐含要求提高),二是构造要求可按框架梁配筋(隐含要求降低)。支承较大梁的连梁,计算时,此连梁刚度不能折减(不可先屈服),一般应避免连梁支承其它梁。
18、关于地梁是否按一层参与计算问题:
(1)、地梁按一层(尤其是地梁未设为地下层),梁柱配筋均增大,而且增大较多,不经济。
(2)、地梁作为一层(层高1m),地梁层柱截面和强度同真正一层,地梁层柱配筋很小(构造配筋),但是柱的水平剪力较大,尤其是地梁荷载较大时又采用桩基础,桩基抗水平难于满足要求。
(3)、地梁作为一层,地震作用的底层放大系数(《抗规》第6.2.3条)未能体现真正一层,可能存在不安全,如确需要将地梁作为一层,也必须将地梁层作为地下室。
(4)、上述计算比较,虽然设置地梁层时,梁柱配筋大,但不排除特殊情况。
因此,建议地梁层不要按一层计算,因为存在两种情况:要么不经济,要么偏不安全,如需按一层参与主体计算,应将地梁层设为地下室。但是,对于基础埋深较大(相当于一层高),地梁宜作为一层计算,此时,柱网上应全部设地梁。
19、关于吊车问题:目前设计项目吊车在30吨以下,比较常见有电动葫芦、悬挂吊车、电动单梁、桥式吊车:
(1)电动葫芦:单根工字钢挂在上层梁底,有两种型式:一种是梁预留水平孔,穿螺栓,通过连接件将吊车梁吊在上层梁底;另一种是上层梁底预埋螺栓,直接将吊车梁锁在梁底,当上层梁梁高不相同时,通过吊杆调节。
(2)悬挂吊车:有两道吊车梁,运行方式类似普通吊车,吊车梁连接方式类似电动葫芦的吊车梁,比较少用。
(3)电动单梁、桥式吊车:吊车梁均设在柱牛腿上,但两者有很大区别,设计时应明确采用何种吊车,所选吊车应满足使用需要:
A、电动单梁:小车是挂在吊车架下方运行,与桥式吊车相比,吊车总重小,净空要求小,价格便宜,在相同牛腿标高情况下,起吊高度小。2、5、10吨均有。
B、桥式吊车:在吊车架上面运行,与电动单梁相比,吊车总重大,净空要求大,价格较高,运行比较平稳,在相同牛腿标高情况下,起吊高度高。一般用于10吨以上,但5、10吨也有,业主有要求时,2、3吨吊车也有用桥式。
在设计时应注意:
由于吊车差异较大,在设计时应明确采用何种吊车,所选用的吊车应有业主确认(最好是书面),主要有:设置范围、台数、吊车型式、吊重、起吊高度、工作级别。根据确定的吊车要求,计算牛腿标高和建筑总高:牛腿标高主要通过起吊高度、吊车梁高度推算得来;建筑总高主要通过吊车梁梁面标高、轨道高度、吊车净空、屋面梁梁高和檩条高(砼结构是框架梁高)等确定。一旦吊车梁型式确定,在设计、施工、安装过程中,不得随意修改(电动单梁与桥式吊车不可相互替换)。如确需修改吊车型式,整个结构需重新设计,千万不要随意答应甲方:电动单梁与桥式可互换修改!
(4)、吊车制动梁设置问题:2、3、5吨不设,10吨~30吨,可设可不设,国家标准图是没有设,但时,习惯上,10吨以上宜设制动梁。设制动梁的吊车运行会平稳些,吊车梁用钢梁较少,但增加了制动梁,总用钢梁不一定省,建议15吨以上设制动梁。
(5)、有吊车的厂房设计,应先初步进行吊车梁计算、确定吊车梁截面,确定吊车荷载偏心距和吊车梁对柱牛腿产生的荷载,再进行主体结构计算。
20、关于大跨度单层厂房计算问题:
(1)“纯钢构厂房”和“砼柱+钢”梁这两种:如果没有夹层,采用STS平面刚架(或排架)很容易设计计算,要注意的是与吊车有关的问题:柱脚刚接、净空和牛腿长度长度。
(2)多层厂房+钢屋盖:楼层梁和楼层以下的柱,按SATWE计算结果,钢屋盖及顶层柱采用单榀框排架的计算结果,单榀计算宜将下面楼层结构一并计算,即:三维建模→形成单榀框排架→修改、补充单榀框排架(风载修改、铰接点设置、计算长度定义、计算参数修改、基础计算参数填补)→计算。钢和混凝土的混合结构应采用STS建模,方便后续的刚架、排架自动生成和计算。
(3)带夹层厂房:这类建筑计算比较麻烦,一般应采用STS三维建模,再形成单榀框(排)架,这样做,才不至于漏算荷载,才能考虑夹层部分对整榀框(排)架的影响。这类结构是按SATWE整体计算为准,还是按单榀框(排)架为准?可以说,这两种方法计算结果没用可比性,一般来说,采用SATWE整体计算,配筋会比较大,当夹层比例较大(或整层),夹层按SATWE的计算结果。当夹层比例较小时,空间协同性较弱,用SATWE的计算,其结果不真实,此外,小夹层作为一层建模,许多柱被“砍成”两段,采用SATWE整体计算误差也较大,因此,用单榀计算结果相对合理些。但是,如果夹层都按单榀计算比较麻烦,而且还有许多次梁要单独算,因此,一般也采用SATWE的计算结果,当然,柱配筋应按单榀计算结果复核一下。至于屋面梁以单榀计算结果为准。总之,带有小夹层的结构计算比较麻烦,难于准确计算,遇到该类工程,可召集几人共同商量一下。
(4)、基础计算:无夹层或夹层面积较小,对于独立基础,建议直接采用STS接力计算,对于桩基,可采用其它程序计算,但应注意多工况计算。多层厂房宜采用JCCAD。严禁只进行一工况的计算。
(5)、钢柱柱脚:早期轻钢厂房采用1.2m高砼柱,这种做法可省些钢材,砼短柱有利于抵抗叉车等碰撞。但是,这种做法不美观、占用较多的使用面积(尤其是刚接柱脚),建议将柱脚设在-0.3~-0.40,将柱脚的加劲肋也埋在地下。
(6)地梁设置:纵向一般要设地梁,特别是有柱间支撑开间必须设。
(7)柱为砼柱时,中柱柱顶纵向宜设一道砼框架梁,即:纵向各柱列均宜各设置一榀框架。
21、轻钢屋面荷载:风载较大地区,轻钢结构常由“恒+风”组合控制的,因此,恒载不宜偏大输入,一般地,刚架计算取0.15~0.20KN/m2,檩条计算取0.10~0.15KN/m2,如有吊挂荷载,宜按“活载”;吊顶可按“恒载”,但不要偏大,必要时,可部分归为“活载”。
有气楼时,应考虑气楼重和气楼侧面受风面的传来的风载。
22、钢结构建筑檩条(墙梁)计算:
(1)、檩条(墙梁)采用连续型可省些,尽量用Q345钢。
(2)、由于开门开窗的关系,有些墙梁会形成单跨或2、3跨,这些非标准跨数的墙梁应另行计算。
(3)窗顶墙梁受风面积可能较大(窗较高时),该墙梁应另算,必要时采用槽钢(只能按简支计算)。
(4)、屋面连续檩条风载有两种情况:“边+中”和“角+边”,注意按“角+边”计算不一定偏于安全,即使檩条间距相同,两种情况也均要算。
(5)、大门的槽钢门框也应计算,可参照“墙梁”计算,主要区别是:单跨、不计拉条作用、檩距按门高。
23、楼板对梁刚度影响,中梁可考虑梁两侧各3倍板厚的影响,对此,梁的刚度放大系数为:
中梁:
梁惯性矩放大系数对结构计算的影响、取值原则:
1)、梁惯性矩取值偏大,对结构计算结果影响:
(1)、水平荷载(地震力和风载)作用下:结构整体刚度变大,自振周期变小,地震力变大;风载变小;由于结构整体抗侧刚度提高较明显,一般情况下,结构侧移是变小。柱和梁端风载弯矩变小,地震弯矩变化不能确定。
(2)、竖向荷载(恒、活载)作用下:梁/柱线刚度比变大,梁端弯矩减小,梁跨中弯矩变大,柱和梁端偏于不安全。
2)、梁惯性矩放大系数按照上述实际计算结果为宜,不要人为取太大,也不要取太小。取值原则:
(1)、以大多数框架梁为准,且以主框架梁为主,见下文(2)。
(2)、由于Y向(柱b边)常按计算配筋(Mx比My大),X向(柱h边)常按构造配筋,取值以Y向框架梁为主。
(3)、对于次梁,单跨梁和各跨等截面连续梁,梁内力与梁惯性矩无关,对于各跨不等截面连续梁,虽然梁内力与梁惯性矩有关,但是,梁高变化不大、梁宽一般不变,梁惯性矩放大系数变化不大,例如梁高400~600(次梁常用梁高),次梁惯性矩放大系数变化不超过5%,各跨等截面连续梁内力与梁惯性矩放大系数取值关系不大,在梁惯性矩放大系数取值时,不用考虑次梁截面。
结论:中梁惯性矩放大系数取1.5为宜。
24、关于单跨框架:
(1)、框剪结构允许有单跨框架。
(2)、框架结构允许应有部分单跨框架,但应有一些多跨框架,横向:多跨框架的间距控制在15m以内。纵向:应有两榀拉通。满足这些要求,可按普通框架结构设计,确需不能满足,就应采取加强措施。
(3)、单跨框架加强措施:
A、丙类:最低要求是抗震措施(含构造措施)提高一级;必要时,地震作用也提高一级。
B、乙类:最低要求是地震作用提高一级,抗震措施(含构造措施)已比丙类提高一级,不一定再提高一级;比较重要工程,抗震措施(含构造措施)再提高一级,或者仅构造措施再提高一级。
提高措施可仅对单跨方向的框架,另一向是多跨时,多跨方向的框架可不必提高。
25、关于砼柱、钢屋面结构计算:
(1)单层建筑:山墙可设一榀砼框架、不设钢梁,砼框架梁面设预埋件用于焊接檩托板,砼框架梁梁面坡度和标高同中间榀钢梁。纵向采用框架,纵向中柱柱顶也应设梁,使之形成一榀纵向框架。结构计算宜采用单榀框架(山墙榀和纵向框架)和排架(中间榀钢梁砼柱)计算。如果采用SATWE计算,柱脚内力和配筋会偏大,尤其是单层建筑,确需采用SATWE计算,屋面应采用坡屋面,且设为0楼板,并考虑屋面风吸力,中间榀钢梁还得按单榀排架计算。
(2)多层建筑(仅屋面为钢屋面、其它层为砼框架):采用SATWE计算,钢梁采用单榀排架复核。其它一些做法同单层。