结构构件设计内力如何调整?

构件设计时用到的是设计内力,整体分析后得到的是基本的单工况内力,由单工况内力至组合内力,需要依次经过单工况内力调整、内力组合、考虑抗震要求的设计内力调整等几个步骤。

很多用户对内力调整的调整项目及调整方式不了解,不知道构件信息里调整后具体都调整哪些,如何调整。

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下面分别介绍内力的调整项目及调整方法。

 一、标准内力调整 

1、薄弱层地震内力调整

《抗震规范》3.4.4-2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。”

《高规》3.5.8条规定:“侧向刚度变化、承载力变化、竖向抗侧力构件连续性不符合本规程第3.5.2、3.5.3、3.5.4条要求的楼层,其对应于地震作用标准值的剪力应乘以1.25的增大系数。”

软件提供“薄弱层地震内力放大系数”,由用户确定放大系数,默认为1.25。对于薄弱层的判断,软件按照《高规》3.5.2条执行,区分框架结构和非框架结构。

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另外,软件还提供手工指定薄弱层层号功能,由用户附加指定薄弱层层号。对于带转换层的结构,软件提供“转换层指定为薄弱层”选项,由用户确定转换层是否为薄弱层。

对于根据楼层受剪承载力判断的薄弱层,由于受剪承载力计算需要配筋结果,因此需先进行一次全楼配筋,然后根据楼层受剪承载力判断后的薄弱层再次进行全楼配筋,对计算效率有影响,因此软件提供“自动对层间受剪承载力突变形成的薄弱层放大调整”参数,勾选该项,则软件自动根据受剪承载力判断出来的薄弱层再次进行全楼配筋设计,如果没有判断出薄弱层则不会再次进行配筋设计。

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无论以何种方式确定的薄弱层,软件均按照“薄弱层地震内力放大系数”对地震作用下的标准内力进行放大。

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2、最小剪重比地震内力调整

《抗震规范》5.2.5条规定:“抗震验算时,结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求:

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其中:λ为剪力系数,对竖向不规则结构的薄弱层,尚应乘以1.15的增大系数。”软件称之为“最小剪重比地震内力调整”,可在“设计信息”选项卡中设置。

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《抗震规范》5.2.5条文说明中给出了调整方法:若结构基本周期位于设计反应谱的加速度控制段时,则各楼层均需乘以同样大小的增大系数;若结构基本周期位于反应谱的位移控制段时,则各楼层i均需按底部的剪力系数的差值△λ0增加该层的地震剪力—△FEki=△λ0GEi;若结构基本周期位于反应谱的速度控制段时,则增加值应大于△λ0GEi,顶部增加值可取动位移作用和加速度作用二者的平均值,中间各层的增加值可近似按线性分布。

软件进行最小剪重比地震内力调整时,区分X、Y方向,并分别取X、Y方向的第一平动周期作为该方向调整时的基本周期。当基本周期位于加速度或位移控制段时,软件按照规范规定执行;

对于多塔楼结构,软件可以自动识别各塔楼信息,对各塔分别进行最小剪重比调整;对于连体结构,软件在分配连体处楼层地震剪力和上方楼层重力荷载代表值时,按与连体相邻下层各塔楼重力荷载代表值所占比例分配。

各楼层调整结果可以在wzq.out文件中查看,如下图所示。

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构件内力调整结果可以在“wwnl*.out”文件中查看,如下图所示。

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3、0.2V0地震内力调整

《高规》8.1.4条对框剪结构的框架部分承担的地震剪力最小值做出了规定;《高规》9.1.11条对筒体结构框架部分地震剪力做出了规定;

《高规》11.1.6条对混合结构层地震剪力做出了规定;

《抗震规范》8.2.3-3条对钢框架-支撑结构的0.25V0调整做出了规定。

软件提供了0.2V0调整参数设置,如下图所示。

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如果结构体系为“钢框架-中心支撑结构”或“钢框架-偏心支撑结构”,需要用户手工修改成0.25 V0调整;如果结构体系为“框筒结构”或“筒中筒结构”,则软件自动执行《高规》9.1.11-2条筒体结构的相关规定。

软件进行0.2 V0调整时,区分X、Y方向,在统计框架部分承担的地震剪力时,软件将按支撑输入,但与Z轴夹角小于“支撑临界角”的支撑(斜柱)地震剪力也统计到框架中;对于与剪力墙相连的边框柱,软件将其地震剪力统计到剪力墙中。

在计算框架部分承担的地震剪力时,软件先求出单振型下框架部分承担的地震剪力,然后CQC组合,底部剪力采用各分段起始层号的层地震剪力,调整结果输出到wv02q.out文件中,如下图所示。

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如果是筒体结构,并且按照《高规》9.1.11-2条调整了剪力墙地震剪力,则软件同时输出墙剪力调整系数,如下图所示。

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4、部分框支剪力墙结构中框支柱调整

《高规》10.2.17条对部分框支剪力墙结构框支柱承受的水平地震剪力标准值做出了如下规定:

1、每层框支柱的数目不多于10根时,当底部框支层为1~2层时,每根柱所受的剪力应至少取结构基底剪力的2%;当底部框支层为3层及3层以上时,每根柱所受的剪力应至少取结构基底剪力的3%;

2、每层框支柱的数目多于10根时,当底部框支层为1~2层时,每层框支柱承受剪力之和应取结构基底剪力的20%;当底部框支层为3层及3层以上时,每层框支柱承受剪力之和应取结构基底剪力的30%。

如果结构体系为“部分框支剪力墙结构”,且在特殊构件定义中指定了框支柱(包括边框柱属性的框支柱),则软件自动根据转换层层号和每层框支柱数量调整框支柱地震剪力。

《抗震规范》6.2.10条文说明中指出:本次修订,将本层地震剪力改为底层地震剪力即基底剪力,但主楼与裙房相连时,不含裙房部分的地震剪力,框支柱也不含裙房的框架柱。

对于主楼与裙房相连的结构,软件在计算基底剪力时,自动根据裙房上单塔外轮廓确定裙房对应上方塔楼的范围,并只统计范围内的基底剪力。

软件设有“框支柱调整上限”参数,如下图所示,用来控制调整系数最大值,如果用户不想控制上限值,可以在该参数前面加负号或填写一个很大的数。

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5、水平转换构件地震内力调整

《高规》10.2.4条规定:“转换结构构件可采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑等,非抗震设计和6度抗震设计时可采用厚板,7、8度抗震设计时地下室的转换构件可采用厚板。特一、一、二级转换构件的水平地震作用计算内力应分别乘以增大系数1.9、1.6、1.3;转换构件应按本规程第4.3.2条的规定考虑竖向地震作用。”

由于转换构件并不局限于转换梁,如桁架转换时,构成转换桁架的各构件均是转换构件,因此,软件在特殊构件定义中增加了定义“水平转换构件”功能,由用户指定转换构件,软件对所定义的转换构件均按《高规》10.2.4条进行地震内力调整。调整系数会在wpj*.out文件中按构件输出。

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6、转换柱地震轴力调整

《高规》10.2.11-2条规定:“一、二级转换柱由地震作用产生的轴力应分别乘以增大系数1.5、1.2,但计算柱轴压比时可不考虑该增大系数。”软件对特殊构件定义中的转换柱地震工况下的轴力按该条调整,同时计算轴压比时不放大。

7、全楼或分层地震作用放大

软件提供设置全楼或分层地震作用放大系数的参数。对于分层地震作用放大系数,软件还提供直接导入弹性时程分析算出来的放大系数。

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8、特殊构件定义中的柱剪力系数

该系数用来指定单个构件的地震工况内力调整系数,软件对所有的地震工况下的弯矩、剪力均乘以该放大系数,轴力不乘。

9、梁弯矩调幅

《高规》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。”

《混凝土规范》5.4.1条规定:“混凝土连续梁和连续单向板,可采用塑性内力重分布方法进行分析。重力荷载作用下的框架、框架-剪力墙结构中的现浇梁以及双向板等,经弹性分析求得内力后,可对支座或节点弯矩进行适度调幅,并确定相应的跨中弯矩。”

《混凝土规范》5.4.3条规定:“钢筋混凝土梁支座或节点边缘截面的负弯矩调幅幅度不宜大于25%;弯矩调整后的梁端截面相对受压区高度不应超过0.35,且不宜小于0.10。”

《人防规范》4.10.1条规定:“对超静定的钢筋混凝土结构,可按由非弹性变形产生的塑性内力重分布计算内力。”

《钢结构规范》11.1.6条规定:“连续组合梁采用弹性分析计算内力时,考虑塑性发展的内力调幅系数不宜超过15%。”条文说明中指出:尽管连续组合梁负弯矩区是混凝土受拉而钢筋受压,但组合梁具有较好的内力重分布性能,故仍然具有较好的经济效益。负弯矩区可以利用负钢筋和钢梁共同抵抗弯矩,通过弯矩调幅后可使连续组合梁的结构高度进一步减小。试验证明,弯矩调幅系数取15%是可行的。

软件提供梁弯矩调幅系数,默认0.85,适应一般情况。

软件自动判断调幅梁与不调幅梁,只针对调幅梁进行弯矩调幅。

软件只对竖向荷载进行弯矩调幅,如恒载、活载、人防荷载。对于自定义输入的恒载、活载、人防荷载也进行调幅。

《高规》5.2.3-4条规定:“截面设计时,框架梁跨中截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩设计值的50%。”

《钢筋混凝土连续梁和框架考虑内力重分布设计规程》CECS51:93第3.0.3.3条规定:“弯矩调幅后,各控制截面的弯矩值不宜小于简支弯矩值的1/3。”

软件提供了框架梁与非框架梁按简支梁弯矩控制计算系数,默认框架梁为0.5,非框架梁为0.33。

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10、梁扭矩折减

《高规》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。梁扭矩折减系数应根据梁周围楼盖的约束情况确定。”

软件提供梁扭矩折减系数,默认0.4。

软件自动判断梁周围楼板情况,对于开洞或板厚为0的情况,扭矩折减系数为1。

对于圆弧梁,软件默认扭矩折减系数为1。

11、梁、柱、墙活荷载折减,梁活荷不利布置

《荷载规范》5.1.2条规定:“设计楼面梁、墙、柱及基础时,本规范表5.1.1中楼面活荷载标准值的折减系数取值不应小于下列规定:”

(1)设计楼面梁时:

 第1(1)项当楼面梁从属面积超过25m2时,应取0.9;

 第1(2)~7项当楼面梁从属面积超过50m2时,应取0.9;

 第8项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8,对 单向板楼盖的主梁应取0.6,对双向板楼盖的梁应取0.8;

 第9~13项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。

(2)设计墙、柱和基础时:

 第1(1)项应按表5.1.2规定采用;

 第1(2)~7项应采用与其楼面梁相同的折减系数;

 第8项的客车,对单向板楼盖应取0.5,对双向板楼盖和无梁楼盖应取0.8;

 第9~13项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。

软件提供梁、柱、墙活荷载折减系数设置参数。

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对于柱、墙活荷载折减系数,软件可以自动判断竖向构件上方的楼层数,按实际位置计算折减系数,比如软件可以识别出裙房和塔楼处竖向构件的不同折减系数。

软件同时提供单构件修改活荷折减系数菜单,可以进行单构件修改。

梁活荷折减

柱活荷折减

支撑活荷折减

墙活荷折减

《高规》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4kN/m2时,应考虑楼面活荷载不利布置引起的结构内力的增大;当整体计算中未考虑楼面活荷载不利布置时,应适当增大楼面梁的计算弯矩。”条文说明中指出:如果活荷载较大,其不利分布对梁弯矩的影响会比较明显,计算时应予考虑。除进行活荷载不利分布的详细计算分析外,也可将未考虑活荷载不利分布计算的框架梁弯矩乘以放大系数予以近似考虑,该放大系数通常可取为1.1~1.3,活荷载大时可选用较大数值。近似考虑活荷载不利分布影响时,梁正、负弯矩应同时予以放大。

软件提供梁活荷不利布置相关参数。

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填写活荷不利布置最高层号后,低于该层号的楼层均会考虑活荷不利布置,按单层实际模型计算,并给出正、负弯矩包络内力。

软件同时提供梁活荷载内力放大系数,用来近似模拟活荷不利布置。

如果同时填写了活荷不利布置最高层号与梁活荷载内力放大系数,则软件自动取二者的大值进行后续设计。

12、温度工况对于混凝土构件考虑收缩、徐变的折减

徐培福等编著的《复杂高层建筑结构设计》中对徐变应力松弛给出了如下解释:“温差内力来源于温差变形受到约束。对于因变形受到约束产生的内力,对于钢筋混凝土结构当然应考虑混凝土的徐变应力松弛特性。为简化计算,建议将上述弹性计算的温差内力乘以徐变应力松弛系数0.3,作为实际温差内力标准值进入设计。对于钢结构,则不存在徐变应力松弛,温差内力不能折减。”

软件提供混凝土构件考虑收缩、徐变的折减系数,默认0.3。

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软件按材料判断是否应进行温度效应折减,对于混凝土构件,考虑混凝土收缩、徐变的折减;对于钢构件,不折减;对于型钢砼、钢管砼等组合构件,目前偏安全的不考虑折减。

13、消防车荷载下的主、次梁荷载折减

《荷载规范》5.1.2-1条第2)小点规定:“设计楼面梁时,第8项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8,对单向板楼盖的主梁应取0.6,对双向板楼盖的梁应取0.8。”

《荷载规范》5.1.3条规定:“设计墙、柱时,本规范表5.1.1中第8项的消防车活荷载可按实际情况考虑;设计基础时可不考虑消防车荷载。常用板跨的消防车活荷载按覆土厚度的折减系数可按附录B规定采用。”

软件在自定义工况中单独提供了消防车荷载类型,归属于活荷载,根据《荷载规范》的相关规定,软件自动判断主、次梁,并采用对应的折减系数;对于墙、柱,可自行设置折减系数;基础模块设计时,自动不考虑消防车荷载。

注意,考虑到消防车荷载属于临时荷载,一般不考虑消防车荷载参与地震计算,因为自定义工况中的重力荷载代表值系数宜填0。

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14、承载力设计时风荷载效应放大

《高规》4.2.2条规定:“对风荷载比较敏感的高层建筑,承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。”条文说明中指出:对风荷载是否敏感主要与高层建筑的体型、结构体系和自振特性有关,目前尚无实用的划分标准。一般情况下,对于房屋高度大于60m的高层建筑,承载力设计时风荷载计算可按基本风压的1.1倍采用;对于房屋高度不超过60m的高层建筑,风荷载取值是否提高,可由设计人员根据实际情况确定。本条的规定,对设计使用年限为50年和100年的高层建筑结构都是适用的。

由于规范规定只在承载力计算时考虑风荷载效应放大,因此软件提供了单独的参数,并且只在构件设计时考虑。

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15、板柱-剪力墙结构风荷载调整

《高规》8.1.10条规定:“抗风设计时,板柱-剪力墙结构中各层筒体或剪力墙应能承担不小于80%相应方向该层承担的风荷载作用下的剪力。”

如果结构类型为“板柱-剪力墙”结构,则软件自动执行该条。

二、考虑抗震要求的设计内力调整 

1、梁

《抗震规范》和《高规》对抗震设计的梁有强剪弱弯的要求,软件执行规范的相关规定,执行方法是对水平荷载计算得到的剪力乘以放大系数,再与竖向荷载计算得到的剪力进行组合。内力调整系数取值如下:

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其中:C1=max(1.1x1.1x超配系数,1.3)

“超配系数”是指在设计参数中输入的“实配钢筋超配系数”。

地下室顶板作为上部结构嵌固端时,《抗震规范》6.1.14-3条对地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点做出了规定,并提供了2种方案,软件自动按《抗震规范》6.1.14-3中2)条执行。

型钢混凝土梁的设计内力调整系数取值与混凝土梁相同,钢梁不调整。 

2、柱、支撑

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其中:C1=max(1.1x1.1x超配系数,1.3)

C2=max(1.2x1.1x超配系数,1.4)

当结构类型为异形柱框架或异形柱框剪时,软件按《异形柱规程》取值,二级时取1.3,三级时取1.1;对于异形柱框架结构的底层柱底,二级时取1.4,三级时取1.2,其它情况取值与普通柱一致。

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其中:C3=max(1.2x1.1x超配系数,1.5)

C4=max(1.2x1.1x超配系数,1.4)

最终的剪力调整系数为表格3与表格2中数值的乘积。

角柱在弯矩、剪力调整系数基础上再乘以1.1。

对于支撑,如果与Z轴夹角小于参数中的临界角度,则按斜柱处理,这时的调整系数与柱相同;如果与Z轴夹角大于参数中的临界角度,则不考虑强柱弱梁调整,但考虑强剪弱弯调整。

3、墙

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