1、关于框架结构设计与 PKPM 系列软件 SATWE 参数设置的探讨摘要：目前结构设计过程中普遍使用 PKPM 结构平面计算机设计系列软件。在复杂和高层框架结构设计中又以 SATWE 结构空间有限元分析设计软件为最常用。本文总结在使用 SATWE 做框架结构设计过程中常遇到的疑问，结合自己的工程设计经验提出自己的几点看法。 关键词：结构；设计；SATWE 参数设置； Abstract: The structure of the design process of the widespread use of flat computer structure design of PKPM series
2、 software. In the complex and high-rise frame structure design in SATWE space finite element analysis for the structure design software for the most commonly used. This paper summarizes the commonly encountered in the use of SATWE frame structure in the design process of doubt, combined with my own
3、experience in engineering design put forward some own views. Key words: structure; design; SATWE parameter setting; TU318 本论文仅针对已经长期使用的 PKPM 系列软件 2011.03.03 版本作为讨论对象。 在长期的设计工作中目前各设计院普通使用的结构辅助设计软件就是 PKPM 结构平面计算机设计系列软件。在复杂和高层框架结构设计中又以 SATWE 结构空间有限元分析设计软件为最常用。在设计过程中使用SATWE 遇到不少疑问并总结出自己的工程设计经验。 SATWE 结构
4、空闲有限元分析设计软件是中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部应现代高层建筑发展的要求，专门为高层结构分析与设计而开发的基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件。其核心是解决剪力墙和楼板的模型化问题，尽可能地减小其模型化误差，提高分析精度，使分析结果能够更好地反映出高层结构的真实受力状态。 在计算参数设置和结果分析的过程中遇到过如下几点疑问并总结出自己的工程设计经验提出处理方案。 疑问 1：SATWE 总信息中“水平力与整体坐标夹角（度） ”和地震信息中“斜交抗侧力构件方向附加地震数及相应角度”的区别和处理？ SATWE 总信息中“水平力与整体坐标夹角（度） ”，该参数为地震作用力向和风
5、荷载作用方向与结构整体坐标的夹角，逆时针为正。如地震沿着不同方向作用，结构地震反应的大小一般也不相同，那么必然存在某个角度使得结构地震反应最为强烈，这个方向就称为最不利地震作用方向。从严格意义上来讲，规范中所讲的主轴是指地震沿该轴方向作用时，结构只发生沿该轴方向的侧移而不发生扭转位移的轴线。当结构不规则时，地震作用的主轴作用方向就不一定是 0o 或者 90o，如最大地震力方向与主轴夹角较大时，应输入该角度考虑最不利作用方向的影响。 抗规 5.1.1 条规定， “有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于 15度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。 ”结合规范条款，“斜交抗侧力构件方向附加
6、地震数及相应角度”应是根据结构的平面形状来填写的，比如你是矩形的，因为两个方向已经是正交的，和 PKPM 默认的两个地震力方向重合了，PKPM 计算的已经是地震作用的最大方向了，所以这里的附加地震数及相应角度都不用填写了，但如果你的结构平面是“_/”样的，有一个角度的，假如是 45 度吧，那么你就需要填写附加地震数及角度了（大于 15 度时） ，因为你填一个角度，PKPM 自动计算这个角度及与这个角度正交的另一个角度，所以这里你需要填写 1，角度写45 度，这样 “_/”型的平面形状就计算了斜交抗侧力构件，就是说把最不利方向的地震力计算了，出来的结果也是考虑了最不利情况，同样如果你的结构平面形
7、状中有其他形状的，要看斜交抗侧力构件与 X 轴正方向的夹角，填进去就行了。个人认为填好这个斜交抗侧力构件及角度之后，第一条中说的水平力与整体坐标夹角就不用填写了，因为已经计算了斜交抗侧力构件。 结合上述分析并结合工作总结出的经验，SATWE 总信息中“水平力与整体坐标夹角（度） ”在未进行第一次结构内力分析时取默认值 0；地震信息中“斜交抗侧力构件方向附加地震数及相应角度”根据结构的平面形状填写。结构内力分析后根据结构内力分析结果 WZQ.OUT 中“地震作用最大的方向” ，当地震力跟正交方向角度大于 15 度时候，SATWE 总信息中“水平力与整体坐标夹角（度） ”应填入相应的数值进行结构内
8、力复算。（根据设计中的经验，一般遇到的普通型式的结构平面形式，地震作用最大的方向角度大于 15 度的情况是很少发生的，如果出现大于 15 度的情况，建议第一步是调整一下结构体系布局，主体框架柱、框架梁主受力方向和大小的配合。 ） 疑问 2：“考虑偶然偏心”和“考虑双向地震作用”参数的选择？ 抗规 5.1.1 条规定， “质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其它情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。 ” 高规 3.3.3 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
9、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、混合结构高层建筑及本规程第10 章所指的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。结构扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的第一自振周期 T1 之比，A 级高度高层建筑不应大于 0.9，B 级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第 10 章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。 ” 结合规范条款和工作总结出的经验，在设计一般性建筑仅计算单向地震作用时，可考虑偶然偏心的影响。对于高层建筑即便是均匀、对称的结构，也应考虑偶然偏心影响，偶然偏心对结构的影
10、响是比较大的，特别是对于边长较大结构的影响是很明显的。对于质量和刚度分布明显不对称的结构时，应考虑双向地震作用的影响。在实际操作中，一般性建筑可考虑偶然偏心的影响；高层建筑当层间位移比小于 1.2 时应考虑偶然偏心的影响，当层间位移比大于 1.2 时应考虑双向地震作用。上述两参数不建议同时勾选。 疑问 3：计算书 WZQ.OUT 周期分析及处理方式 = 周期、地震力与振型输出文件 (VSS 求解器) = 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 1 1.7985 88.990.98 ( 0.00+0.98 )0.02 2
11、 1.6523172.480.63 ( 0.62+0.01 )0.37 3 1.61219.210.40 ( 0.39+0.01 )0.60 上述参数是我刚做的一个项目的部分计算书，具体设计分析如下： 抗规 3.5.3 条第 3 小条， “结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。”1 号振型和 2 号振型平动系数分别为 0.98 和 0.63，均为平动；3 号振型平动系数为 0.40，为扭转。设计中应特别注意控制第一振型为平动，动力学认为结构的第一周期应该是出现该振形时所需要的能量最小，第二周期所需要的能量次之，依次往后推。 按照动力学理论，结构第一周期只与结构本身的质量、刚度和边界条件有关，与外
12、界力没有关系，地震只是提供一个激振力，基底剪力是反映这个激振效果的一个指标，这个除了以上的条件外，同时就跟地震参数有关，比如加速度的值，而结构最容易出现振动的振型就应该是第一振型，这个振型所需要的能量最小，最容易发生。这个就很容易理解为什么扭转振型不能太靠前，起码不能出现再第一振型。 1 号振型、2 号振型、3 号振型周期分别为 1.7985 秒、1.6523 秒、1.6121 秒；1 号振型、2 号振型为平动，3 号振型为扭转。取第 1 平动周期 1.7985 秒，第 1 扭转周期 1.6121 秒比较，1.6121/1.7985=0.89630.9。多层设计执行 2010 版抗震规范，抗震
13、规范正文中没有周期比的规定，但是在抗规 3.4.1 条的条文说明表 1 中规定，扭转周期比大于 0.9 时属于特别不规则的建筑，依据抗规 3.4.1 条规定，“特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施。 ”高规中明确规定周期比不大于 0.9。 在设计过程中经常遇到各参数不满足抗规和高规要求的情况，总结起来如下两种情况： 第一或第二振型为扭转； 周期比大于 0.9。 结合设计中的经验提出如下调整方式： 针对第一或第二振型为扭转的调整方式。 1.1、结构的刚度（包括侧移刚度和扭转刚度）与对应周期成反比关系，即刚度越大周期越小，刚度越小周期越大；结构外围的抗侧力构件对结构的扭转刚度贡
14、献最大。 1.2、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，并适当削弱结构内部的刚度。 1.3、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，并适当加强结构外围（主要是沿第一振型转角方向）的刚度。 特意注意：在进行上述调整的同时，应注意使周期比满足规范的要求；当第一振型为扭转时，周期比肯定不满足规范的要求；当第二振型为扭转时，周期比较难满足规范的要求。 上述疑问和处理方式是本人在设计过程中遇到并总结出的经验，如有不对之处还请指正。
