结构设计软件高级研讨班专题讲义

系列

结构设计软件高级研讨班

相关专题讲义

中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所

二○○四年 五月

编写说明

新规范设计软件投入使用已一年多，很多用户对新规范条文盲目选择而造成严重的计算误差。为此，中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所已举办了PKPM系列结构设计软件的高级研讨班。研讨班重点讲解了各种新规范条文应用时必须满足的相关条件，讲解各类参数的合理选择和设置，正确的操作步骤，结果解读和注意事项等。

研讨班中还针对收集、整理的大量用户使用中的共性问题，如建筑结构分析中楼板刚度的合理假定，结构计算振型数，结构薄弱层的概念和控制，上部结构与地下室共同工作分析及地下室设计，剪力墙边缘构件的设计，带转换层高层结构的分析，短肢剪力墙结构设计，多塔楼、错层及设缝结构的分析，多高层结构的弹塑性分析，非荷载作用，带吊车荷载作用的结构设计，工业厂房设计，砌体和底框－抗震墙结构设计等，作了专题讲座，具体讲解了软件的解决方案。

为便于使用PKPM结构设计软件从事建筑工程结构设计和施工图设计文件审查的相关人员更好地了解相关专题内容，现将相关专题的部分讲义经整理、修订后汇编成册。

由于时间仓促，本讲义难免有错误和不当之处，欢迎广大用户随时将发现的问题函告我们，以便进一步修改、补充。

目 录

专题一 建筑结构分析中楼板刚度的合理假定 .................................................. - 1 -

1 概述 ..................................................................................................................... - 1 - 2 楼板刚度的各种假定 ........................................................................................... - 1 -

2.1 楼板的特点 .........................................................................................................................................- 1 - 2.2 有关规定..............................................................................................................................................- 1 - 2.3 刚性楼板假定 .....................................................................................................................................- 2 - 2.4 弹性楼板6 ..........................................................................................................................................- 2 - 2.5 弹性楼板3 ..........................................................................................................................................- 3 - 2.6 弹性膜 ..................................................................................................................................................- 3 - 2.7 弹性楼板单元 .....................................................................................................................................- 3 -

3 结束语 ................................................................................................................. - 4 - 4 参考文献.............................................................................................................. - 4 -

专题二 结构计算振型数 ........................................................................................ - 5 -

1 规范、规程相关规定 ........................................................................................... - 5 - 2 结构自由度数 ...................................................................................................... - 5 -

2.1 侧刚模型..............................................................................................................................................- 5 - 2.2 总刚模型..............................................................................................................................................- 6 -

3 结构计算振型数................................................................................................... - 6 -

3.1 地震作用和作用效应........................................................................................................................- 6 - 3.2 选取足够的结构振型数 ...................................................................................................................- 7 - 3.3 振型参与质量 .....................................................................................................................................- 7 - 3.4 选取原则..............................................................................................................................................- 7 - 3.5 程序操作步骤 .....................................................................................................................................- 8 - 3.6 关联操作..............................................................................................................................................- 8 - 3.7 结果说明..............................................................................................................................................- 8 -

4 工程实例计算分析 ............................................................................................... - 8 -

专题三 结构薄弱层的概念和控制 ...................................................................... - 11 -

1 结构层刚度沿竖向突变产生的薄弱层................................................................ - 11 -

1.1 规范条文............................................................................................................................................- 11 - 1.2 软件实现............................................................................................................................................- 11 - 1.3 操作方法........................................................................................................................................... - 12 - 1.4 关联操作........................................................................................................................................... - 13 - 1.5 结果说明........................................................................................................................................... - 13 -

2 结构楼层受剪承载力沿竖向突变产生的薄弱层 ................................................. - 14 -

2.1 规范条文........................................................................................................................................... - 14 - 2.2 软件实现........................................................................................................................................... - 15 - 2.3 操作方法........................................................................................................................................... - 15 -

I

2.4 结果说明........................................................................................................................................... - 15 -

3 结构弹塑性变形验算 ......................................................................................... - 15 -

3.1 验算范围........................................................................................................................................... - 16 - 3.2 弹塑性变形计算方式..................................................................................................................... - 16 - 3.3 弹塑性层间位移的简化方法 ....................................................................................................... - 17 -

专题四 上部结构与地下室共同工作分析及地下室设计 .................................. - 21 -

1 概述 ................................................................................................................... - 21 - 2 建议的分析模型................................................................................................. - 21 - 3 恒活、风荷载和地震作用计算........................................................................... - 22 -

3.1 恒、活荷载 ...................................................................................................................................... - 22 - 3.2 风荷载 ............................................................................................................................................... - 22 - 3.3 地震作用........................................................................................................................................... - 23 -

4 地下室抗震设计................................................................................................. - 23 -

4.1地下室的抗震等级 .......................................................................................................................... - 23 - 4.2 设计计算要点 .................................................................................................................................. - 23 -

5 地下室外墙平面外设计...................................................................................... - 24 - 6 地下室人防设计................................................................................................. - 24 - 7 结束语 ............................................................................................................... - 25 - 8 参考文献............................................................................................................ - 26 -

专题五 剪力墙边缘构件的设计 .......................................................................... - 27 -

1 墙正截面配筋计算 ............................................................................................. - 27 -

1.1 正截面承载力计算 ......................................................................................................................... - 27 - 1.2 墙最小配筋率 .................................................................................................................................. - 27 -

2 墙斜截面配筋计算 ............................................................................................. - 27 -

2.1 非抗震剪力墙斜截面设计............................................................................................................ - 27 - 2.2 抗震要求的剪力墙斜截面设计................................................................................................... - 28 - 2.3 剪力墙分布筋构造要求 ................................................................................................................ - 28 -

3 剪力墙边缘构件设计 ......................................................................................... - 28 -

3.1 基本构造要求 .................................................................................................................................. - 28 - 3.2 边缘构件设计和问题探讨............................................................................................................ - 29 -

4 框架-剪力墙结构设计 ........................................................................................ - 30 - 5 剪力墙结构设计................................................................................................. - 31 -

5.1 加强区与约束边缘构件 ................................................................................................................ - 31 - 5.2 边缘构件设计的注意事项............................................................................................................ - 31 -

6 短肢剪力墙结构设计 ......................................................................................... - 32 -

专题六 带转换层高层结构的分析 ...................................................................... - 34 -

1 转换结构的计算模型 ......................................................................................... - 34 -

II

1.1 梁托柱的转换结构 ......................................................................................................................... - 34 - 1.2 框支剪力墙转换结构..................................................................................................................... - 34 - 1.3 厚板转换结构 .................................................................................................................................. - 34 - 1.4 超大梁转换结构 ............................................................................................................................. - 35 - 1.5 桁架转换结构 .................................................................................................................................. - 36 -

2 转换结构的设计控制 ......................................................................................... - 36 -

2.1条文规定及软件操作...................................................................................................................... - 36 - 2.2 刚度控制及软件输出..................................................................................................................... - 37 - 2.3 剪力墙底部加强部位..................................................................................................................... - 39 - 2.4 抗震等级........................................................................................................................................... - 40 - 2.5 薄弱楼层地震剪力放大 ................................................................................................................ - 40 - 2.6 楼层最小地震剪力系数控制 ....................................................................................................... - 40 - 2.7 框剪结构、框支结构柱剪力调整 .............................................................................................. - 41 -

3 转换结构的设计内力调整 .................................................................................. - 41 -

3.1 梁设计剪力调整 ............................................................................................................................. - 41 - 3.2 转换梁地震内力调整..................................................................................................................... - 42 - 3.3 柱设计内力调整 ............................................................................................................................. - 42 - 3.4 框支柱地震内力调整..................................................................................................................... - 42 - 3.5 剪力墙设计内力调整..................................................................................................................... - 42 -

4 转换结构的二次分析 ......................................................................................... - 43 -

4.1 高精度平面有限元分析FEQ....................................................................................................... - 43 - 4.2 复杂楼板有限元分析SLABCAD............................................................................................... - 44 -

5 有待深入研究的问题 ......................................................................................... - 44 -

5.1 转换构件的模型选取问题............................................................................................................ - 44 - 5.2 转换结构的分析方法问题............................................................................................................ - 44 -

专题七 短肢剪力墙结构设计 .............................................................................. - 46 -

1 规程相关规定 .................................................................................................... - 46 -

1.1 短肢剪力墙结构的定义 ................................................................................................................ - 46 - 1.2 短肢剪力墙结构的必要条件 ....................................................................................................... - 46 - 1.3 短肢剪力墙结构的应用范围 ....................................................................................................... - 46 - 1.4 短肢剪力墙结构的抗震加强 ....................................................................................................... - 46 - 1.5 综合：短肢剪力墙结构中剪力墙分类表 ................................................................................. - 47 -

2 程序实现............................................................................................................ - 48 - 3 操作 ................................................................................................................... - 49 -

3.1 设定‘短肢剪力墙结构’............................................................................................................ - 49 - 3.2 关联操作........................................................................................................................................... - 49 - 3.3 结果说明........................................................................................................................................... - 49 -

4 工程实例............................................................................................................ - 51 -

专题八 多塔楼、错层及设缝结构的分析 .......................................................... - 53 -

1 概述 ................................................................................................................... - 53 -

III

2 多塔楼结构的设计 ............................................................................................. - 53 -

2.1 针对多塔结构的有关规定............................................................................................................ - 53 - 2.2 多塔结构的特点 ............................................................................................................................. - 53 - 2.3 多塔结构计算模型 ......................................................................................................................... - 54 - 2.4 多塔结构补充定义 ......................................................................................................................... - 55 - 2.5 程序实现........................................................................................................................................... - 56 - 2.6 应用注意事项 .................................................................................................................................. - 57 -

3 错层结构设计 .................................................................................................... - 57 -

3.1 针对错层结构的有关规定............................................................................................................ - 57 - 3.2 错层结构的模型输入..................................................................................................................... - 57 - 3.3错层结构的特点与程序实现 ........................................................................................................ - 58 - 3.4 应用注意事项 .................................................................................................................................. - 58 -

4 设“缝”结构的设计 ......................................................................................... - 58 -

4.1 有关规定........................................................................................................................................... - 58 - 4.2 结构特点........................................................................................................................................... - 59 - 4.3 计算模型与程序实现..................................................................................................................... - 59 -

5 结构顶部小塔楼的设计...................................................................................... - 59 - 6 结束语 ............................................................................................................... - 60 - 7 参考文献............................................................................................................ - 60 -

专题九 多高层结构的弹塑性分析 ...................................................................... - 61 -

1 结构弹塑性分析的规范要求 .............................................................................. - 61 - 2 弹塑性分析软件EPDA&EPSA简介 ................................................................. - 61 - 3 弹塑性动力分析软件EPDA功能实现............................................................... - 63 - 4 弹塑性静力分析软件EPSA功能实现 ............................................................... - 67 - 5 如何有效地使用弹塑性分析软件EPDA&EPSA................................................ - 70 -

专题十 非荷载作用 .............................................................................................. - 73 -

1 规范、规程相关规定 ......................................................................................... - 73 - 2 温度应力分析 .................................................................................................... - 73 -

2.1 分析情况........................................................................................................................................... - 73 - 2.2 构件温差........................................................................................................................................... - 73 - 2.3 程序实现........................................................................................................................................... - 74 - 2.4 操作步骤........................................................................................................................................... - 74 -

3 温度收缩分析 .................................................................................................... - 75 -

3.1 收缩相对变形和收缩当量温差................................................................................................... - 75 - 3.2 非标准条件的修正系数 ................................................................................................................ - 75 - 3.3 程序实现........................................................................................................................................... - 77 - 3.4 操作步骤........................................................................................................................................... - 77 -

4 不均匀沉降分析................................................................................................. - 77 -

IV

4.1 程序实现........................................................................................................................................... - 77 - 4.2 操作步骤........................................................................................................................................... - 77 -

专题十一 带吊车荷载作用的结构设计 .............................................................. - 79 -

1 吊车荷载的定义方式 ......................................................................................... - 79 -

1.1 软件操作方式 .................................................................................................................................. - 79 - 1.2 吊车荷载说明 .................................................................................................................................. - 81 -

2 吊车荷载的计算模型 ......................................................................................... - 81 -

2.1 吊车荷载的计算 ............................................................................................................................. - 81 - 2.2 合理的计算模型 ............................................................................................................................. - 82 -

3 吊车作用效应的预组合...................................................................................... - 82 -

3.1 预组合目标 ...................................................................................................................................... - 82 - 3.2 预组合工况 ...................................................................................................................................... - 83 -

4 预组合内力与其它荷载的组合配筋 ................................................................... - 84 -

4.1 荷载组合原则 .................................................................................................................................. - 84 - 4.2 分项系数和组合系数..................................................................................................................... - 84 - 4.3 偶然偏心、活载不利布置和其它可变荷载的内力组合 ...................................................... - 85 - 4.4 吊车荷载的组合方式..................................................................................................................... - 85 -

5 吊车荷载结构的设计注意事项........................................................................... - 85 -

V

专题一 建筑结构分析中楼板刚度的合理假定

1 概述

当今的结构体系日趋多样化，出现了各种形式的多塔、错层、带转换层、板柱、楼板局部开大洞的结构类型，其平立面布置也越来越复杂，特别是北京申奥和上海申博的成功，使复杂的体育场馆越来越多。在这些复杂结构设计中，楼板刚度的合理简化已成为决定分析效率、精度乃至可靠的一个重要因素。

对楼板刚度考虑方式以及考虑程度的不同，一方面，会在提高计算精度的同时带来因自由度的增多而使计算量大幅度地增加，导致计算效率降低；另一方面，有时也可能影响一些构件的设计结果，如出现钢筋混凝土梁的配筋减小等。在普遍采用CAD软件进行设计计算的今天，如何适当、合理地考虑楼板的刚度影响，是广大设计人员关注的重要问题之一。 为解决上述问题，我们在SATWE软件中实现了四种楼板简化假定：刚性楼板、弹性楼板6、弹性楼板3和弹性膜的计算模式。在使用中用户可根据工程实际情况，灵活应用。对于同一个工程，可综合采用一种假定，也可采用几种不同的假定，追求的目标是精度、效率和分析结果实用性以及可靠性的最优组合。

2 楼板刚度的各种假定

2.1 楼板的特点

在建筑结构中，楼板主要承受竖向荷载作用。由于楼板既有平面内刚度，又有平面外刚度，在水平力作用下，楼板对结构的整体刚度、竖向构件和水平构件的内力又有一定影响。 从理论上讲，楼板可以采用平面板元或壳元来模拟。对于普通的楼板，一般来说其厚度不大，其变形满足直法线假定，平面内刚度和面外刚度相互，可以分别采用平面应力膜单元和板弯曲单元计算并符合叠加原理；若楼板厚度较大，如厚板转换层结构中的楼板，其变形不符合直法线假定，平面内刚度和面外刚度相关，这时就不可以分别计算了。 2.2 有关规定

在构件内力分析和截面设计计算中，要尽可能按照结构的真实情况、特别应适当考虑楼板的具体特点进行结构分析，确保分析结果的精度。《抗震规范》第3.4.3条第1款的第2项规定，凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时，尚应计及扭转影响。

《高规》第4.3.6条规定，当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。《高规》第5.1.5条也规定，进行高层建筑内力与位移计算时，可假定楼板在其自身平面内为无限刚性，相应地应采取必要措施保证楼板平面内的整体刚度。当楼板会产生明显的面内变形时，计算时应考虑楼板的面内变形或对采用楼板面内无限刚性假定计算方法的计算结果进行适当调整。

- 1 -

2.3 刚性楼板假定

对于刚性楼板假定，我们大家都非常熟悉，而且在工程设计计算中也经常采用。刚

性楼板假定实际上是建筑结构工程领域的一个特殊概念。其含义是假定楼板平面内刚度无限大，平面外刚度为零。

在采用楼板平面内无限刚假定时，每块刚性楼板有三个公共自由度(u、v、θz)，那么刚性楼板内每个节点的自由度只剩下3个(θx、θy、w)了，这样极大地减少了结构整体自由度数，结构分析工作得到很大程度的简化和效率的提高。这一优点正是刚性楼板假定能够被广泛接受的重要原因，尤其使得在过去计算机硬件资源有限（内存和硬盘存储容量都不大）的情况下，进行大型结构（高层、超高层）工程的分析成为可能。

在采用刚性楼板假定时，忽略了楼板的平面外刚度，使结构总刚度偏小。实际上，楼板的面外刚度在某种意义上来讲可以理解为楼面梁的有效翼缘，为此规范给出了用近似以梁刚度放大系数形式来间接地考虑楼板的面外刚度。《高规》第5.2.2条规定，在结构内力与位移计算中，现浇楼面和装配整体式楼面中梁的刚度可考虑翼缘的作用予以增大。楼面梁刚度增大系数可根据翼缘情况取1.3~2.0。对于无现浇面层的装配整体式结构，可不考虑楼面翼缘的作用。

由于梁有中梁和边梁之分且要考虑楼板开洞及楼板弹性变形等因素，所以应该区分梁的放置部位不同而给予不同的刚度放大系数。SATWE软件已有自动搜索功能，可自动判断梁与楼板的连接关系，并给出相应的刚度放大系数。对于两侧都与刚性楼板相连的梁，取中梁的刚度放大系数；仅有一侧与刚性楼板相连的梁，取边梁的刚度放大系；对于其他情况的梁（包括不与楼板相连的梁和仅与弹性楼板6和弹性楼板3相连的梁），梁刚度不放大。 虽然刚性楼板假定的分析效率高，但适用范围有限，仅适用于楼板形状比较规则的普通工程。对于复杂楼板形状的结构工程，如楼板有效宽度较窄的环形楼面或其它有大开洞楼面、有狭长外伸段楼面、局部变窄产生薄弱连接的楼面、连体结构的狭长连接体楼面等场合，楼板面内刚度有较大削弱且不均匀，楼板的面内变形会使楼层内抗侧刚度较小的构件的位移和内力加大，或特殊楼板体系，如板柱体系、厚板转换层结构等，采用刚性楼板假定的分析是不合适的，其计算结果的可靠性无法保证。实际上，目前设计建造的绝大多数工程都属于楼板形状比较规则的普通工程，都可以采用刚性楼板假定来分析。楼板形状不规则或楼板特殊的工程所占比例不大，不能简单地采用刚性楼板假定而应采用下面介绍的相关假定来分析。 2.4 弹性楼板6

弹性楼板6假定是采用壳单元真实地计算楼板的面内刚度和面外刚度。从理论上讲，弹性楼板6假定是最符合楼板的实际情况，可以应用于任何工程。但实际上，在采用弹性楼板6假定时，部分竖向楼面荷载将通过楼板的面外刚度直接传递给竖向构件，导致梁的弯矩减小，相应的配筋也会减小。这与采用刚性楼板假定的不同，因为采用刚性楼板假定时，所有的竖向楼面荷载都通过梁传递给竖向构件。这点差异会造成采用弹性楼板6假定和采用刚性楼板假定的梁配筋安全储备不同，而过去所有关于梁的工程经验都是与刚性楼板假定前提下配筋安全储备相对应的。

鉴于这一点，我们建议不要轻易采用弹性楼板6假定。在我们的程序中，弹性楼板6假定是针对板柱结构板柱和抗震墙结构提出的。

对于柱网规则的板柱结构或板柱抗震墙结构，可以采用传统的等带框架法进行分析和设计。但对于复杂的板柱结构或板柱抗震墙结构，等带框架法难以应用，因为在哪里布置带梁、等带梁截面取多宽等都不易确定。对于这类结构，采用弹性楼板6假定是比较合适的，既可以较真实地模拟楼板的刚度和变形，又不存在梁配筋安全储备减小的问题。

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采用弹性楼板6假定进行板柱结构或板柱抗震墙结构分析时，首先要求在PMCAD交互式建模时，在假定的等带梁位置上，布置截面尺寸为100×100mm的矩形截面混凝土虚梁；其次要在SATWE的《特殊构件补充定义》菜单中把楼板定义成“弹性楼板6”。这里布置虚梁的目的有两点，其一是为了在接PMCAD前处理过程中SATWE软件能够自动读到楼板的外边界信息，其二是为了辅助弹性楼板单元的划分。在结构分析中，混凝土虚梁无自重、无刚度。 2.5 弹性楼板3

弹性楼板3假定是针对厚板转换层结构的转换厚板提出的。在厚板转换层结构中，转换板的厚度一般都在1米以上，有些工程板厚超过2米。这些厚板一般形状比较规则，而且不开大洞，其面内刚度都很大，其面外刚度是这类结构传力的关键，通过厚板的面外刚度，改变传力路径，将厚板以上部分结构的力安全地传递下去。

弹性楼板3是假定楼板平面内无限刚而平面外刚度是真实的。程序采用中厚板弯曲单元计算楼板平面外刚度。这一假定与厚板转换层结构的转换厚板特性是一致的。

在采用SATWE软件进行厚板转换层结构分析时，在PMCAD的交互式建模中，与板-柱结构的输入要求一样，也要布置100×100mm的虚梁。要充分利用本层柱网和上层柱、墙节点(网格)来布置虚梁，并在SATWE《特殊构件补充定义》菜单中把楼板定义成“弹性楼板3”。此外，层高的输入有所改变，将厚板的板厚均分给与其相临两层，即取与厚板相临的两层的层高分别为其净空加厚板的一半厚度。 2.6 弹性膜

对于空旷的工业厂房和体育场馆结构、楼板局部开大洞结构、楼板平面较长或有较大凹入以及平面弱连接结构等，楼板面内刚度有较大削弱。在进行这类结构分析时，不能简单地采用刚性楼板假定，而应考虑楼板面内刚度削弱的影响，但又不能直接采用弹性楼板6假定，因为采用弹性楼板6假定会影响梁配筋的安全储备。为了能够真实地反映楼板平面内刚度，同时又不影响梁配筋的安全储备，我们在程序中提供了“弹性膜”假定。

所谓的弹性膜假定是采用平面应力膜单元真实地计算楼板的平面内刚度，同时忽略楼板的平面外刚度，即假定楼板平面外刚度为零。

在采用SATWE软件进行上述楼板假定分析时应注意两点： 一是在PMCAD交互式建模时，一定要真实输入楼板厚度。对于没有楼板的房间，可以定义板厚为零或可定义全房间开洞。在刚度计算上这两种定义是等价的，但在导荷计算中二者是有区别的。板厚为零的房间可以布置均布面荷载，而全房间开洞的房间视为没有均布面荷载。

二是采用弹性楼板6、弹性楼板3和弹性膜假定的楼板均称弹性楼板。弹性楼板可以定义在整层楼板上，也可以仅在需要的局部区域上。通过定义局部区域上弹性板带可把整层楼板分隔成几块刚性楼板，这种定义方式比前者分析效率高。 2.7 弹性楼板单元

在SATWE软件中，弹性楼板是用弹性楼板单元来描述的，其单元类型有弹性楼板

6、弹性楼板3和弹性膜等四种。用户可把在PMCAD交互式数据输入中的一个房间的楼板指定为一个弹性楼板单元。这种单元的节点数不限，其形状也不限，可以是凸多边形，也可以是凹多边形。弹性楼板单元的引入，简化了弹性楼板的几何描述，并为弹性楼板单元的自动剖分奠定了基础。

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SATWE软件在PMCAD交互式数据输入形成的建筑模型数据基础上，给出了弹性

楼板单元自动剖分功能模块。目前的弹性楼板单元是比较初级的，在不增加房间边界节点的

情况下实现楼板形状的剖分－分割成四边形和三角形，还没有达到墙元剖分的程度。在弹性楼板单元的自动剖分过程中，进行了单元形状优化，以矩形单元最优，无奇异角度的四边形次之，再其次是三角形单元。

3 结束语

在建筑结构分析中，楼板刚度的合理考虑是一个重要因素，它不仅影响结构的分析效率，更重要的是直接决定了分析结果的精度、可靠性和实用价值。

SATWE软件从工程实用角度出发，对楼板给出了多种简化假定。用户在使用中可根据工程实际需求，灵活应用。对于同一个工程，可综合采用几种不同的假定，以达到既准确又实用的目的。 在SATWE软件提供的几种弹性楼板假定中，弹性楼板6适用于板柱结构和抗震墙结构，弹性楼板3适用于厚板转换层结构，弹性膜适用于空旷的工业厂房和体育场馆结构、楼板局部开大洞结构、楼板平面较长或有较大凹入以及平面弱连接结构。对于量大面广的普通工程，其楼板一般都不特殊，都可以简单地采用刚性楼板假定。

在工程应用中，需要了解结构的特点，采用相应的假定。若采用的假定不恰当，不仅可能使分析结果误差过大，而且还可能影响梁配筋的安全储备，甚至使分析结果的可靠性得不到保证。

4 参考文献

[1] 建筑抗震设计规范 GB50011-2001，中国建筑工业出版社，2001，北京。

[2] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002，中国建筑工业出版社，2002，北京。 [3] Li Yungui. “The Modeling of Shear Wall and Slab in 3-D Finite Element Analysis

of Tall Buildings”,Proceedings of Seventh International Conference on Computing in Civil and Building Engineering, August 19-21, 1997, Seoul, Korea.

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专题二 结构计算振型数

根据用户与培训意见反馈，采用振型分解反映谱法进行结构地震反映分析中，不少用户遇到的一个困惑问题是如何确定结构计算振型数。为了确保不丧失高振型的影响，程序要求用户输入较多的结构计算振型数，从而保证结构的抗震安全性。但是一旦输入的计算振型数过多而超过了结构的计算自由度数，则会引起计算的混乱以致造成严重的分析错误。为了使用户自由地正确选取结构计算振型数，我们将概括地介绍结构计算振型数与结构自由度数的关系、结构计算振型数对结构抗震设计的影响，并且引入振型参与质量的概念，提出正确选取结构计算振型数的方法和程序操作步骤，最后用一个工程实例说明结构计算振型数选取不足带来结构抗震的不安全性。

1 规范、规程相关规定

抗震规范第5.2.2条规定抗震计算时，不进行扭转耦联计算的结构，水平地震作用标准值的效应，可只取前2～3个振型，当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时，振型个数应适当增加。其条文说明中还指出为使高柔建筑的分析精度有所改进，其组合的振型个数适当增加。振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。高规5.1.13-2条规定，抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。

2 结构自由度数

用振型分解反映谱法分析计算地震作用时，要用到结构的自振周期和振型。从工程实用和运行效率出发，振型分析计算提供了两种结构计算方法－侧刚计算方法和总刚计算方法，分别对应为侧刚模型和总刚模型，各自有不同的结构自由度数。这里所称的“结构自由度数”是专指结构振型分析有质量的自由度，是与由结构每个节点6个自由度集合而成的结构自由度有区别的。同样本节所称的“侧向刚度矩阵”和“总体刚度矩阵”都是专指结构振型分析的。

2.1 侧刚模型

这是一种采用刚性楼板假定的简化的刚度矩阵模型，即把房屋理想化为空间梁、柱和墙组合成的集合体，并在平面内无限刚的楼板上互相连接在一起。不管用户在建模中有无弹性楼板、刚性楼板或越层大空间，对于无塔结构的侧刚模型假定每层为一块刚性楼板，而多塔结构则假定一塔一层为一块刚性楼板。每块刚性楼板具有两个的水平平动自由度和一个的转动自由度。侧向刚度矩阵就是建立在这些结构自由度上的，可通过结构总体模型的刚度矩阵凝聚而成。侧刚模型进行振型分析时结构自由度数相对较少，计算耗时少，分析效率高，但应用范围有。

对于N层无塔的结构，侧刚模型的结构自由度数为3*N个。例如某个10层无塔结构，其结构自由度数为30个。

对于有塔结构侧刚模型的结构自由度的计算会复杂些。首先要确定层的数目M，即的刚性楼板数，其结构自由度数为3*M个。例如某个30层多塔结构，共有3塔。第

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1塔层数为1～30，第2塔层数为6～25（第1～5层与其它塔相连），第3塔层数为3～28（第1～3层与其它塔相连），则层的数目M=30+(25-6+1)+(28-3+1)=76，结构自由度数为3*76=228个。 2.2 总刚模型

这是一种真实的结构模型转化成的刚度矩阵模型。结构总刚模型假定每层非刚性楼板上的每个节点（有构件相连的）有两个水平平动自由度，可以受弹性楼板的约束，也可以完全不与任何构件相连，而在刚性楼板上的所有节点只有两个水平平动自由度和一个的转动自由度。总体刚度矩阵就是建立在这些结构自由度上的，可通过结构总体模型的刚度矩阵凝聚而成。总刚模型进行振型分析时能真实模拟具有弹性楼板、大开洞的错层、连体、空旷的工业厂房、体育馆等结构，可以正确求得结构每层每个构件的空间自振形态，但自由度数相对较多，计算耗时多和存储开销大。

对于N层无刚性楼板的结构，每层节点数分别为mi，则总刚模型的结构自由度数为

n2mi1i个。例如某个无刚性楼板的10层结构，每层节点数都为30个，则总刚模型结构自

由度数为10*2*30=600个。

对于N层有刚性楼板的结构，每层于刚性楼板的节点数分别为mi，每层刚性楼板

n数分别为ki，则总刚模型的结构自由度数为(2mi3ki)个。例如某个有刚性楼板的10

i1层结构，每层于刚性楼板的节点数都为20个，每层均有10个节点在1块刚性楼板上，则总刚模型结构自由度数为10*(2*20+3*1)=430个。

3 结构计算振型数

结构计算振型数是指程序的前处理的《地震信息》中“计算振型个数”项，是需要用户自己填写的。用户选取的结构计算振型数的最大值是第2节所述的结构自由度数。 3.1 地震作用和作用效应

用振型分解反映谱法计算地震作用和作用效应时，不考虑扭转耦联计算的结构每个振型j在i质点都有水平地震作用标准值Fji，水平地震作用效应按平方和方根法SRSS加以组合

mSEkSj12j，其中m为结构计算振型数。同样考虑扭转耦联计算的结构每个振型j振型

在i层也都有水平地震作用标准值Fxji、Fyji、Ftji，水平地震作用的扭转效应按完全二次型

mmjk组合法CQC加以组合SEkj1k1SjSk，其中m为结构计算振型数。

用振型分解反映谱法计算地震作用和作用效应时，不考虑扭转耦联计算的结构每个振型

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j在i质点都有水平地震作用标准值Fji，水平地震作用效应按平方和方根法SRSS加以组合

mSEkj1Sj，其中m为结构计算振型数。同样考虑扭转耦联计算的结构每个振型j振型

2在i层也都有水平地震作用标准值Fxji、Fyji、Ftji，水平地震作用的扭转效应按完全二次型

mmjk组合法CQC加以组合SEkj1k1SjSk，其中m为结构计算振型数。

3.2 选取足够的结构振型数

由3.1.节可见结构计算振型数增加，水平地震作用效应增大，就是说内力和变形应增大。按理说，以结构刚度矩阵自由度的总个数作为结构计算振型数可完全包含振型分解反映谱法给出的全部地震作用效应，其设计是最真实和安全的。但对于一个大型结构工程，计算结构的所有振型、水平地震作用标准值以及进行水平地震作用效应组合所需计算机运行时间和存储开销实在太长，以致于往往无法实现。究竟是否有必要计算所有的振型并参与地震作用效应组合呢？不必要。因为最后的那些高振型对结构地震作用贡献很小，所以只要计算足够的振型数就够了。为此如何选取足够的结构振型数成为计算的一个关键问题。 3.3 振型参与质量

抗震规范和高规提出了“振型参与质量”的概念和应用原则。此概念最早出现于WILSON E.L教授的ETABS程序中。他指出在层刚性楼板假定下，当累计的X、Y和Z的振型有效质量都大于90%时，这时所取的振型数就是足够的振型数。

现在程序提供的方法是一种适用于刚性楼板和弹性楼板的通用方法，用于计算各地震方向的有效质量系数。用户可以在输出结果中查到计算各地震方向的有效质量系数，保证有效质量系数超过0.9。超过0.9意味着计算振型数够了，否则计算振型数不够。如果不够，说明后续振型产生的地震作用效应不能忽略。如果不能保证这点，将导致地震作用偏小。按此地震作用设计的结构将存在不安全性，所以应该增加振型数重算。 3.4 选取原则

 规范、规程给出的选取振型的具体个数，如前2～3个振型、振型数不应小于15、对多

塔结构的振型数不应小于塔楼数的9倍等，均是一种粗略估计取法。对于有弹性楼板、

大开洞的错层、连体、空旷的工业厂房以及体育馆等结构，若按此下限选取振型数则会造成地震作用明显不足；

 规范、规程规定的振型参与质量的判断法是一个严格的、通用的、计算机才能实现的方

法。不论任何结构类型，用户应保证各地震方向的振型参与质量都超过总质量的90%作为选取足够的结构计算振型数的唯一判断条件；  用户选取的结构计算振型数最大不能超过结构自由度数，否则会造成地震作用计算异

常。

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3.5 程序操作步骤

① 设置计算振型数 

SATWE

进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《地震信息》，在‘计算振型数’项内填入振型数。 

TAT

进入菜单《2.数据检查和图形检查》→《3.参数修正》→《地震信息》，在‘计算振型数’项内填入振型数。 

PMSAP

进入菜单《3.参数补充与修改》→《地震信息》，在‘参与振型数’项内填入振型数。

② 计算。

③ 查看结果文件，看地震工况的‘有效质量系数’是否≥90%。 ④ 是，计算结果可靠。否，进入①增加计算振型数，重复②到④。 3.6 关联操作

‘楼层最小地震剪力系数’：详见《应用指南》第1.5节。当有效质量系数不足时，也会发生剪重比不够。 3.7 结果说明

用户可以在输出结果中查到计算各地震方向的有效质量系数，判断是否满足判断条件。

① SATWE可在WZQ.OUT文件中查看X、Y向的有效质量系数。如

X 方向的有效质量系数：93.24%

Y 方向的有效质量系数：93.07%

② TAT可在TAT-4.OUT文件中查看X、Y向的有效质量系数。如

X向地震有效质量系数：Cmass-x = 97.98% Y向地震有效质量系数：Cmass-y = 98.00%

③ PMSAP可在工程名_TB.RPT（简单扎要）文件中查看X、Y向的有效质量系数。

如

地震方向 1 有效质量系数= 92.44% 地震方向 2 有效质量系数= 93.32%

4 工程实例计算分析

某结构工程，8层，有弹性楼板和大空旷无楼板层。抗震设防烈度为7度（0.10g）场地类别属于二类。采用总刚计算方法进行振型分解反映谱法的地震作用分析。在X向地震作用下，结构应满足的楼层最小剪重比为0.016。下图是用SpaSCAD显示的实体模型。

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某工程实体模型图

在分析过程中，我们按结构计算振型数15、45和80分别做了三次计算。现把其结构X向地震作用结果列表如下：

振型数 基底剪力 剪重比% 三者基底剪力的比例 不同振型数的有效质量系数、基底剪力、剪重比和比例的对照表

最小剪重比 15 45 80 49.81 10360.14 0.90 34.33 93.23 30177.50 2.63 100.00 95.36 30298.29 2. 100.40 有效质量系数% 18418.03 1.60

从表4-1的数据分析可见： ① 当结构振型数取为15个时，因为有效质量系数（规范称为参与质量）为49.81％，

不足90%。同时底层剪重比只有0.009，也远小于楼层最小剪重比。所以此结构选取15个结构振型数是不够的，也可说对某些结构振型数取少了，会得出不满

足楼层最小剪重比的错误结论。

当结构振型数取为45个时，有效质量系数（规范称为参与质量）为49.81％，超过90%，并且基底剪力比取15振型数时明显增大，达到30177.50 kN，底层剪重比达到0.026，满足楼层最小剪重比的要求。

当结构振型数取为80个时，比取45个多了不少，但基底剪力增加不多。基底剪力只增加了30298.29-30177.50=120.79 kN，仅提高0.4%。可见有效质量系数达到90%时，可以放弃其后的高振型影响。

④

表4-1中第4列是满足结构最小剪重比0.016时的X向地震作用的基底剪力10360.14/0.9*1.6=18418.03，比取45振型数的基底剪力要小得多。所以说剪重比不满足时，首先必须检查有效质量系数是否达到90%。

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②

③

不同振型数的每层剪力和剪重比的对照表

楼层号\\振型数 8 7 6 5 4 3 2 1

上表详细地给出了振型数取为15、45和80时每层X向地震作用的楼层剪力和剪重比。从中我们可以更细致地分析选取不同结构振型数对地震作用的影响，从而说明3.2.2节的“选取原则”可用性。

剪力Vx(kN) 15 325.77 3094.99 4140.57 88.47 9402.32 9781.96 10016.80 10360.14 45 557.34 3388.65 4780.83 9697.71 99.53 9836.74 10341.91 30177.50 80 550.38 3390.34 4782.92 9706.65 9901.79 9838.08 10348.76 30298.29 剪重比% 15 4.51 3.81 3.13 2.00 1.97 1.91 1.83 0.90 45 7.72 4.18 3.61 2.19 2.07 1.92 1. 2.63 80 7.63 4.18 3.62 2.19 2.07 1.92 1. 2. - 10 -

专题三 结构薄弱层的概念和控制

在02版“抗规” 关于结构沿竖向规则性要求中，对侧向刚度不规则定义一种薄弱层的概念；在版“抗规” 中，原先就有的弹塑性薄弱层的概念。这两种薄弱层概念一并在此说明，解释在计算机软件中怎样实现的，要注意些什么问题。

1 结构层刚度沿竖向突变产生的薄弱层

1.1 规范条文

高规的4.4.2、5.1.14条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度小于其上一层的70%或小于其上相临三层侧向刚度平均值的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。

另外高规附录E.0.2条规定，当底部带转换层高层建筑结构的转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。抗震规范附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。 1.2 软件实现

规范对结构的层刚度有明确的要求，在判断楼层是否为薄弱层时，抗震规范和高规建议的计算层刚度的下列方法（地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求等，都要求有层刚度作为依据）：

方法1：高规附录E.0.1建议的方法——剪切刚度：Ki = Gi Ai / hi

方法2：高规附录E.0.2建议的方法——剪弯刚度：Ki = Vi / Δi

方法3：抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明及高规建议的方法――地震剪力与地震层间位移的比：Ki = Vi / Δi

软件已全部实现。程序提供三种方法的选择项，用户可以选用其中之一。程序隐含的方法是第3种，即地震作用下层剪力与层间位移之比。

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对于薄弱层：

（1）程序将该层地震作用标准值的地震剪力乘以1.15的增大系数； （2）程序设有‘指定薄弱层’项。用户可手工指定薄弱层； （3）这三种计算方法有差异是正常的，可以根据需要选择； （4）对于大多数一般的结构应选择第第3种层刚度算法； （5）对于多层结构可以选择第1种层刚度算法；

（6）对于有斜支撑的钢结构可以选择第2种层刚度算法。

选择第3种方法计算层刚度和刚度比控制时，一般要采用“刚性楼板假定”的条件。对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次。在刚性楼板假定条件下计算层刚度并找出薄弱层。再在真实条件下计算，并且检查原找出的薄弱层是否得到确认，完成其它计算。

转换层是楼层竖向抗侧力构件不连续的薄弱层。不管该层程序判断是否满足刚度比要求，用户都应将该层手工置为“薄弱层”。

第3种方法适用于所有结构类型计算刚度比及薄弱层，且比其它二种方法更易通过刚度比验算。 1.3 操作方法

分为‘层刚度比计算方法的设定’和‘指定薄弱层’的操作。

SATWE

层刚度比计算方法的设定

①进入菜单《2.结构分析和构件内力计算》→《SATWE计算控制参数》

在‘层刚度比计算’框中的三个任选项－‘剪切刚度’、‘剪弯刚度’或‘地震剪力与地震层间位移的比’内选一打‘·’，则可。

指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整 进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《调整信息》

在‘指定的薄弱层个数’项内填入要用户设定薄弱层的总层数，再在‘各薄弱层层号’项内填入薄弱层的结构层号。

TAT

层刚度比计算方法的设定

进入菜单《3.结构内力，配筋计算》→《计算选择》

在‘层刚度计算选择’框中的三个任选项－‘剪切层刚度’、‘剪弯层刚度’或‘平均剪力/平均层间位移’内选一打‘·’，则可。

指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧放大1.15

进入菜单《2.数据检查和图形检查》→《3.参数修正》→《调整信息》 在‘考虑附加薄弱层地震剪力的人工调整’项内打‘√’，此时弹出‘折减系数’菜单。 在指定薄弱层的层号行中填入X方向、Y方向的薄弱层放大系数值。注意：程序按填入的放大系数调整，不一定是1.15。

PMSAP

层刚度比计算方法的设定

进入菜单《3.参数补充与修改》→《设计信息》。

在‘楼层刚度比计算’框中的三个任选项－‘剪切刚度算法’、‘剪弯刚度算法’或‘地震层间剪力比地震层间位移算法’内选一。

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指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整

进入菜单《3.参数补充与修改》→《计算调整信息》

在‘指定的薄弱层个数’项中填入要用户设定薄弱层的总层数，再在‘指定的各薄弱层层号’项内填入薄弱层的结构层号。 1.4 关联操作

‘刚性楼板假定’：设定第三种层刚度比计算方法（地震剪力与地震层间位移的比）时，一般应该有刚性楼板假定。

‘地下室’：层刚度比计算用于地下室是否能作为嵌固端的判定条件。但注意，用第三种层刚度比计算方法（地震剪力与地震层间位移的比）计算层刚度比时，已经考虑了地下室的基础回填土的约束刚度，所以是不符合规范规定的。此时用户可以如下操作：

（1）将地下室信息中‘回填土对地下室的约束相对刚度比’填为0，先算一遍，判定地下室是否可作为嵌固端。

（2）用第一种层刚度比计算方法（剪切刚度比）先算一遍，判定地下室是否可作为嵌固端。

‘转换层上、下刚度突变的控制’：选取那种层刚度计算方法要按高规规定方法进行。 1.5 结果说明

程序逐层输出每一层层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数。 SATWE

层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数的结果可在WMASS.OUT中查看。如以下所示： 各层刚心、偏心率、相邻层侧移刚度比等计算信息

Ratx，Raty：X、Y方向本层塔侧移刚度与下一层相应塔侧移刚度的比值 Ratx1，Raty1：X、Y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值 或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者

RJX，RJY，RJZ：结构总体坐标系中塔的侧移刚度和扭转刚度

====================================================================

Floor No：1，Tower No.：1

Xstif= 45.7917(m)，Ystif= -11.6787(m)，Alf = 0.0000(Degree) Xmass= 50.9751(m)，Ymass= -13.9529(m)，Gmass= 1022.9373(t) Eex = 0.4070，Eey = 0.1706 Ratx = 1.0000，Raty = 1.0000

Ratx1= 2.1582，Raty1= 2.3140，薄弱层地震剪力放大系数= 1.00

RJX = 4.7175E+06(kN/m)，RJY = 4.7783E+06(kN/m)，RJZ = 0.0000E+00(kN/m) TAT

层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数的结果可在TAT-M.OUT中查看。如以下所示： --------------------------------------------------------- | 各层附加薄弱层地震剪力的人工调整系数 |

----------------------------------------------------------

层号：Nfloor = 4 调整系数：X向 WakeX = 1.00 Y向 WakeY = 1.00 层号：Nfloor = 3 调整系数：X向 WakeX = 1.00 Y向 WakeY = 1.00 层号：Nfloor = 2 调整系数：X向 WakeX = 1.15 Y向 WakeY = 1.15

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层号：Nfloor = 1 调整系数：X向 WakeX = 1.00 Y向 WakeY = 1.00 ***************************************************************** * 第四部分 各层层刚度、刚度中心、刚度比 * ***************************************************************** 各层(地震平均剪力/平均层间位移)刚度、刚度比等，其中： Ratio_d1：表示本层与下一层的层刚度之比 Ratio_u1：表示本层与上一层的层刚度之比

Ratio_u3：表示本层与上三层的平均层刚度之比

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 层号 塔号 X向层刚度 Y向层刚度 刚心坐标：X、Y X向偏心率 Y向偏心率 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1 0.1361E+07 0.1636E+07 51.92 -14.33 0.02 0.11 3 1 0.9378E+06 0.9106E+06 53.00 -13.21 0.05 0.28 2 1 0.1812E+07 0.1663E+07 46.97 -13.43 0.33 0.02 1 1 0.2843E+07 0.2570E+07 47.19 -13.69 0.28 0.00

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 层号 塔号 Ratio_d1：X、Y Ratio_u1：X、Y Ratio_u3：X、Y 薄弱层放大系数：X、Y ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1 1.45 1.80 1.26 1.32 1.39 1.49 1.00 1.00 3 1 0.52 0.55 0.69 0.56 0.82 0.69 1.15 1.15 2 1 0. 0.65 1.93 1.83 1.61 1.32 1.15 1.15 1 1 1.00 1.00 1.57 1.55 2.07 1.83 1.00 1.00

PMSAP

层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数的结果可在工程名_TB.RPT（简单摘要）文件中查看。如以下所示：

7. 楼层刚度比

X刚度比：本层X刚度比下层X刚度 Y刚度比：本层Y刚度比下层Y刚度

X刚度比1：本层X刚度比上层X刚度的70%和上三层X刚度平均值的80%中的大者 Y刚度比1：本层Y刚度比上层Y刚度的70%和上三层Y刚度平均值的80%中的大者 采用的楼层刚度比算法:剪弯刚度算法

X刚度比 Y刚度比 X刚度比1 Y刚度比1 薄弱层调整系数 楼层：1 刚度比： 1.00 1.00 0.03 0.04 1.15 楼层：2 刚度比： 1.87 1.59 1.43 1.41 1.00 楼层：3 刚度比： 1.00 1.01 9.53 5.37 1.00 楼层：4 刚度比： 0.15 0.25 1.58 1.39 1.00

2 结构楼层受剪承载力沿竖向突变产生的薄弱层

2.1 规范条文

高规的4.4.3、5.1.14条规定，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不

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宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。抗震设计的高层建筑结构，结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。 2.2 软件实现

程序无自动进行楼层层间受剪承载力不满足的判断的功能。

用户在确定某层抗侧力结构的受剪承载力小于其上一层的80%时，应将该层手工设置为薄弱层。 2.3 操作方法

用户可做‘指定薄弱层’的操作。 SATWE

指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整 进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《调整信息》。

在‘指定的薄弱层个数’项内填入要手工设定薄弱层的总层数，再在‘各薄弱层层号’项内填入相当的薄弱层所在结构的层号。

TAT

指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧放大1.15

进入菜单《2.数据检查和图形检查》→《3.参数修正》→《调整信息》。 在‘考虑附加薄弱层地震剪力的人工调整’项内打‘√’，此时弹出‘折减系数’菜单。 在指定薄弱层的层号行中填入X方向、Y方向的薄弱层放大系数值。注意：程序按填入的放大系数调整，不一定是1.15。

PMSAP

指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整 进入菜单《3.参数补充与修改》→《计算调整信息》

在‘指定的薄弱层个数’项中填入要用户设定薄弱层的总层数，再在‘指定的各薄弱层层号’项内填入薄弱层的结构层号。

关联操作见‘薄弱层（刚度比）’：参见刚度比的薄弱层相关内容。 2.4 结果说明

程序逐层输出每一层薄弱层（包括用户指定）地震剪力放大系数。详见薄弱层（刚度比）的结果说明。

3 结构弹塑性变形验算

我国的抗震设计的基本思想，是“三水准设防和两阶段设计”；三水准设防是“小震不坏，中震可修，大震不倒”；两阶段设计是∶第一阶段，小震下弹性设计，即多遇地震下结构和构件承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规范要求采取抗震措施；第二阶段，

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对一些规范规定的结构进行罕遇地震下的弹塑性变形验算。

结构弹塑性变形验算，指罕遇地震下结构层间位移不超过弹塑性层间位移角，属变形能力极限状态验算。 3.1 验算范围

“高规”4.6.4条，高层建筑结构在罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算，应符合下列规定：

下列结构应进行弹塑性变形验算：

（1）7--9度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构； （2）甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑结构； （3）采用隔震和消能减震技术的建筑结构。 下列结构宜进行弹塑性变形验算：

（A）在下列高度范围：

（1）8度Ⅰ、Ⅱ类场地和7度，建筑高度大于100m；

（2）8度Ⅲ、Ⅳ类场地，建筑高度大于80m； （3）9度，建筑高度大于60m。 并且存在以下问题的：

（1）刚度突变的软弱层； （2）受剪承载力的突变层；

（3）结构竖向抗侧力构件上下不连续贯通；

（4）上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时，上

部楼层收进后的水平尺寸B1小于下部楼层水平尺寸的0.75倍；

（5）上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B小于上部楼层水平尺寸B1的 0.9倍，或水平外挑尺寸a大于4m。

（B）7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度抗震没设防的乙类建筑结构； （C）板柱--剪力墙结构。

验算目的，防止结构在罕遇地震时倒塌。 楼层屈服强度系数是指，按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力与按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力的比值。 3.2 弹塑性变形计算方式

（1）罕遇地震作用取值

烈度 αmax

（2）作用效应组合

只考虑罕遇地震下的弹塑性层间变形，不考虑其它荷载下产生的变形；地震作用分项系数驭1.0，其它荷载组合值系数取0。 （3）计算方法

“高规”5.5.1条规定，7、8、9度抗震设计的高层建筑结构，在罕遇地震作用下薄弱层（部位）弹塑性变形计算可采用：

（a）弹塑性位移增大系数法“高规”5.5.3条的简化方法，适用于不超过12层，

- 16 -

7 0.50（0.72） 8 0.9（1.2） 9 1.4

且层侧向刚度无突变的框架结构；

（b）弹塑性时程分析方法； （c）“抗震规范”5.5.3条，还提出可采用静力弹塑性分析方法。 PKPM软件系列提供了相应的计算软件，在TAT、SATWE、PMSAP结构设计程序中提供了计算薄弱层弹塑性变形的增大系数法；也提供了高层建筑结构弹塑性时程分析程序EPDA，静力弹塑性分析方法程序PUSHOVER，用于上款规定的建筑结构的薄弱层弹塑性变形计算。

3.3 弹塑性层间位移的简化方法

简化方法即为弹塑性位移增大系数法。

A. 结构薄弱层的位置确定 按“高规”5.5.3.1款有：

（1）楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层；

（2）楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层及相对较小的楼层，一般不超过2--3处。

B. 层间弹塑性位移可按下列公式计算

uppue

其中：

ηp ----弹塑性位移增大系数，当薄弱层的屈服强度系数不小于相邻层该系数平均值的0.8时，按下表采用；当不大于该平均值的0.5时，可按表内相应数值的1.5倍采用；其他情况可采用用内插。

结构的弹塑性位移增大系数ηp ξy 0.5 1.3 1.5 1.8 0.4 1.4 1.65 2.00 0.3 1.60 1.80 2.20 框架总层数 2--4 5--7 8--12

ξy---楼层屈服强度系数。

ξy=Vy/Ve

Vy---楼层实际受剪承载力，按构件实际配筋和材料强度标准值计算；

Ve---罕遇地震作用标准值产生的框架楼层弹性地震剪力；可采用多遇地震作用标准值产生的层间地震剪力乘以罕遇地震与多遇地震的水平地震影响系数最大值的比值；对于7、8、9度，此比值分别有6.25(6.00)、5.625(5.00)和4.375。

C. 弹塑性位移验算

upph

其中：

- 17 -

p－层间弹塑性位移角限值，可按高规中表4.6.5采用；对框架结构，当柱轴压比小于0.40时，可提高10%；当柱全高的箍筋构造比规范规定的最小配筋特征值大30%时，可提高20%，但累计不超过25%。

h－层高

D. 楼层受剪承载力的估算 TAT、SATWE采用“拟弱柱化法”，计算公式如下：

（1） 计算柱端正截面受弯承载力

当柱的b时，

)0.5Nh(1N/1fckbh) McyfykAs(h0asa 式中 Mcy－柱端按实际配筋和材料强度标准值计算的正截面受弯承载力； fyk－钢筋强度标准值；

a As－受拉区纵向钢筋实际配筋截面面积；

N－可取重力荷载代表值的柱轴向压力； fck－混凝土轴心抗压强度标准值。 （2） 计算柱和楼层受剪承载力

Vyj(i)Mcyj(i)Mcyj(i)Hn(i)mul

Vy(i)Vj1yj(i)

式中 Vy(i)－第i层第j根柱受剪承载力；

Mcyj(i)、Mcyj(i)－分别为第i层第j根柱上、下端正截面受弯承载力，按（1）节计算；

Hn(i)－第i层柱净高；

Vyi－第i层楼层受剪承载力。

ulE. 软件的操作（弹塑性位移增大系数法）

在进入“构件配筋设计与验算”菜单时，选择“计算12层以下框架结构的薄弱层”的计算选项，程序会自动执行计算，结果输出在TAT-K.OUT（TAT）、SAT-K.OUT（SATWE）文件中。

以一幢7层框架为例，输出的SAT-K.OUT文件内容如下：

- 18 -

============================================================ Output of Weak-Storey-Analysis of Frame Structure Displacements of Floors under earthquake load

=========================================================== Vx、Vy ----- The Shear Force of Floors（楼层剪力） VxV、VyV ----- The Bearing Shear Force of Floors（承载力）

---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Floor Tower Vx Vy VxV VyV (kN) (kN) (kN) (kN) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 1 330.78 384.67 794.12 741.31 6 1 2430.16 2683.98 3656.01 3711.57 5 1 4063.65 43.33 4797.23 4797.23 4 1 5255.97 5630.55 5531.87 5531.87 3 1 6192.91 65.11 5858.66 5858.66 2 1 7152.73 7659.95 5963.40 6000.83 1 1 8183.14 8707.41 5145.58 4952.42

The Yield Coefficients of Floor（楼层屈服强度系数） -------------------------------------------------------------------- Floor Tower Gsx Gsy -------------------------------------------------------------------- 7 1 2.4007 1.9271 6 1 1.5044 1.3829 5 1 1.1805 1.0929 4 1 1.0525 0.9825 3 1 0.9460 0.8816

2 1 0.8337 0.7834 1 1 0.6288 0.5688

The Elastic-Plastic Displacement of Floor in X-Direction（X向弹塑性位移）

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Floor Tower Dx Dxs Atpx Dxsp Dxsp/h h (mm) (mm) (mm) (m) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 1 104.35949 4.09383 1.50 6.14074 1/ 586 3.60 6 1 105.10651 6.07019 1.50 9.10528 1/ 395 3.60 5 1 99.32450 10.00779 1.50 15.01169 1/ 239 3.60 4 1 .31724 13.71103 1.30 17.82434 1/ 201 3.60 3 1 75.81548 16.91443 1.30 21.98876 1/ 163 3.60 2 1 59.22510 26.15290 1.30 33.99877 1/ 123 4.20 1 1 33.44107 33.44107 1.30 43.47339 1/ 124 5.40

The Elastic-Plastic Displacement of Floor in Y-Direction（Y向弹塑性位移）

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---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Floor Tower Dy Dys Atpy Dysp Dysp/h h (mm) (mm) (mm) (m) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 1 102.39285 5.23111 1.50 7.84666 1/ 458 3.60 6 1 99.03337 7.09758 1.50 10.638 1/ 338 3.60 5 1 93.22583 10.41341 1.50 15.62012 1/ 230 3.60 4 1 83.70084 13.02811 1.30 16.93655 1/ 212 3.60 3 1 70.714 16.53282 1.30 21.49267 1/ 167 3.60 2 1 54.18207 24.88723 1.30 32.35340 1 1 29.37691 29.37691 1.30 38.198 X、Y向薄弱层弹塑性位移均可满足规范的1/50要求。

- 20 -

1/ 129 4.20 1/ 141 5.40

专题四 上部结构与地下室共同工作分析及

地下室设计

1 概述

最近几年设计的高层、超高层和复杂多层建筑结构中，通常都带有地下室。对于这类带有地下室的工程，在设计计算中如何考虑地下室结构和回填土的影响、如何合理简化结构形成符合工程实际的计算模型是摆在广大设计人员面前的一个重要问题，也是目前结构设计理论研究的一个焦点。

有地下室的建筑结构是一个由上部结构与地下室组成的完整的承力体系，具有共同的位移场，相互协调变形。此外，地下室外的回填土对结构具有一定的约束作用，而且这种约束作用是相互耦连的、仅约束水平位移、并不约束竖向位移和竖向的转动。严格地讲，在建筑结构分析与设计中，上部结构与地下室应作为一个整体统一考虑，并应合理考虑地下室外回填土对结构的约束作用。由于理论研究和应用软件等条件，以前设计人员很难作到这一点，不得不做各种简化。譬如在上部结构设计计算时将嵌固端取在±0.0处或某层地下室顶板位置，以嵌固端为界将上部结构与下部结构分离开，建立两套数据文件，按照上部结构和下部结构的不同要求，分别进行计算。在地下室刚度足够大时（如箱基），这样的模型简化误差不大，这种简化措施是可行的。但由于地下大空间利用要求，现在设计的地下室已经很少采用箱基，而且许多地下室都用作停车库或商场，空间分割灵活，其水平刚度和竖向刚度都有限，对于这样的工程，上述简化模型导致的误差已经不可忽视了。PKPM系列CAD软件中的SATWE软件针对这类工程做了一些具体工作，本文结合新规范的有关规定，介绍SATWE软件有关上部结构与地下室共同工作分析、地下室抗震设计以及地下室人防设计功能的编制原理和应用要点。

2 建议的分析模型

《抗震规范》[1]第6.1.14条、《高规》[2]第5.3.7条都规定，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。当刚度比不满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时，《高规》宣贯培训材料[3]（P5-12）建议：有条件时可增加地下室楼层的侧向刚度，或者将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位。

对“嵌固部位”的理解是问题的关键。参照上节的分析，应将规范中的“嵌固部位”理解为在该部位限定结构的水平位移，而对其它自由度并不施加任何条件。这样理解与目前设计的工程实际是相符的。

有地下室结构的分析模型简化，核心问题有两点，一是如何合理考虑地下室刚度，二是如何正确反映回填土约束作用。

合理考虑地下室刚度比较简单，可以真实地将地下室部分与上部结构一起建模，建立一个包括上部结构和地下室所有构件在内的综合模型，并将结构的嵌固端取在基础底板处。 正确反映回填土对地下室的约束作用则要复杂得多。回填土与地下室之间的作用是相互的。虽然在土与结构相互作用的地震反应方面，理论界已取得一些研究成果，但要直接应用于工程设计还有一定的困难。鉴于目前规范的反应谱理论是基于刚性地基假定的，为此建议采用两种考虑回填土约束作用的分析方法：嵌固水平位移法和弹簧刚度法。

- 21 -

方法一：嵌固水平位移法

按照《抗震规范》第6.1.14条和《高规》第5.3.7条规定的基本思想，将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固端取在基础底板处，并根据地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比的大小，确定合适位置限定其水平位移，即取相应的水平位移为零。

这是一种近似简化方法。在应用这一方法时，首先涉及的一个问题是楼层侧向刚度比计算。目前楼层侧向刚度计算方法有三种，分别是剪切刚度、剪弯刚度和《抗震规范》第6.4.3条条文说明中建议的楼层剪力与层间位移比值，这三种方法计算结果的差异较大，而且具体含义也不相同。《抗震规范》第6.1.14条条文说明中建议：当进行方案设计时，地下室侧向刚度比可采用剪切刚度比估算；《高规》宣贯培训材料（P5-12）建议：地下室侧向刚度比可采用剪切刚度比计算，也可按《抗震规范》的楼层剪力与层间位移比计算。当得到满足规范规定的地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比值时，则可确定水平位移嵌固部位，即取该层地下室及以下各层地下室顶板处的水平位移为零。在具体软件操作中，考虑到计算效率及其它因素，我们建议在计算地下室结构与相邻上部结构楼层侧向刚度比时，以采用切刚度比法为优。

方法二：弹簧刚度法

弹簧刚度法的计算模型是将上部结构与地下室作为一个整体考虑，嵌固端取在基础底板处，并在每层地下室的楼板处引入水平弹簧刚度，其值的大小反映回填土对地下室的约束作用的强弱。这是采用水平弹簧刚度近似模拟回填土对地下室的约束作用的方法，实际上也是一种近似方法。

在工程分析中应用时，设计人员需要确定水平弹簧刚度的具体取值，这是一项非常困难的工作。我们大家都知道回填土对地下室本身有约束作用，由于影响这种约束作用的因素很多且十分复杂，难以观察，所以谁也不清楚具体的约束作用有多大。鉴于这一点，在SATWE软件中，没有直接要求用户输入水平弹簧刚度的真实数值，而是间接地要求输入“回填土对地下室约束作用的相对（弹簧）刚度比”，其含义是回填土的约束刚度与地下室本身抗侧移刚度的比值。对于设计人员来说，都清楚各层地下室本身的抗侧移刚度大小，间接地取一个相对刚度比值应该更容易操作。若取相对刚度比为零，则表示不考虑回填土的约束刚度；若取相对刚度比为5.0或更大，则计算结果与方法一的嵌固各层地下室顶板水平位移效果一致。这是两个极端,工程实际情况应该介于这两种情况之间。分析经验表明，取相对刚度比在2.0到4.0之间变化对计算结果影响并不敏感。对于一般工程，可取相对刚度比为3.0，SATWE软件给出的相对刚度比隐含值就是为3.0。

[1]

[2]

3 恒活、风荷载和地震作用计算

3.1 恒、活荷载

本文建议的模型中，因为地下室部分结构的竖向变形和转角造成了上部结构内力分布的影响，在恒、活荷载作用下其构件内力与将地下室部分截掉的分析方法相比会有所不同。随着地下室层数越多、刚度越小，这种差异就越大。 3.2 风荷载

程序自动取地下室部分的基本风压为零。在地上部分的风荷载计算中，自动扣除地下室部分的高度，地下室顶板作为风压高度变化系数的起算点。

- 22 -

3.3 地震作用

由地下室质量产生的地震作用，主要被室外的回填土吸收，只有一小部分由地下室本身的构件承担。由于被室外的回填土吸收的地震作用标准值没有在计算结果中表现出来，这样会造成结构整体地震作用基底剪力的减小，导致传递到基础的总地震剪力和倾覆力矩偏小。对于这个问题，程序正在修正中。

另外在按《抗震规范》第5.2.5条进行最小地震剪力系数调整时,不满足地下室部分的最小地震剪力系数要求也不给予调整。

4 地下室抗震设计

4.1地下室的抗震等级根据《抗震规范》[2]第6.1.3条，当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。地下室中无上部结构的部分，可根据具体情况采用三级或更低等级。文献[4]给出了进一步的规定：所有满足嵌固在地下室顶板各结构类型的地下一层均按上部结构的抗震等级采用，以下可逐层降低一级，但7度不宜低于四级、8度不宜低于三级、9度不宜低于二级；对于乙类建筑，6度不宜低于四级、7度不宜低于三级、8度不宜低于二级、9度时专门研究。在SATWE软件中，在参数定义菜单中可定义全楼的基本抗震等级。抗震等级特殊的部位可在特殊构件菜单中逐个构件定义。这样就可满足在同一结构中有不同抗震等级的要求。对于有多层地下室的结构，如果没有对地下一层以下构件特殊定义抗震等级，则程序按全楼的基本抗震等级设计所有各层地下室。 4.2 设计计算要点

按照《抗震规范》第6.1.14条要求，地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地上一层框架结构柱和抗震墙墙底截面的设计弯矩值应符合6.2.3、 6.2.6、 6.2.7条规定。位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际受弯承载力之和。程序根据“地下室层数”数据自动搜索出地下室顶板的梁、地上一层框架结构柱和抗震墙墙底截面位置，并按上述要求进行设计内力调整。

同时，规范要求地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积，除应满足计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。程序尚未实现这条要求，输出的地下室各层柱配筋仅是其计算值。在绘制施工图时，设计人员应自己考虑1.1倍要求给予加强。

程序内定地下室为剪力墙的加强部位，用户可人工指定剪力墙加强部位的起算层号而使部分地下室为非加强部位，并按上部结构抗震等级要求设计地下室部分的剪力墙边缘构件[4]

。不管用户是否更改，高规第7.2.6-1条所指的墙底截面组合弯矩设计值程序都按地下室的顶板处截面计算；高规第7.1.9条所指剪力墙的加强部位高度或层数程序都按地下室顶板处以上计算，但输出结果包括了全部地下室的高度或层数。

- 23 -

5 地下室外墙平面外设计

地下室外墙所承受的荷载，除上部结构传递来的恒、活、风和地震作用外，还有地下室本身的竖向荷载、地面活载、侧向土压力Qs和地下水压力Qw，参见图1。若有人防设计要求，还有人防等效静荷载（有关人防设计问题将在下节讨论）。用户应在前处理的《地下室信息》子菜单中的‘地下室外墙侧土水压力参数’框内填入相应的数据（见右图所示）。

在实际工程设计中，风荷载和地震作用产生的内力一般不起控制作用，墙体的平面外配筋主

要由垂直于墙面的水平荷载产生的弯矩控制，可

以考虑竖向荷载产生的轴力与垂直于墙面的水

平荷载产生的弯矩组合的压弯作用，在有些设计中也可仅按墙板弯曲计算墙的平面外配筋。软件是按前一种方式进行地下室外墙平面外配筋的。

关于垂直于墙面的水平荷载产生的弯矩计算力学模型，文献[5]给出了如下建议：地下室外墙可根据支撑情况按双向板或单向板计算水平荷载作用下的弯矩。由于地下室内墙间距不等，而且有的间距较大，因此在工程设计中一般可把楼板和基础底板作为外墙板的支点，按单向板简化计算，在基础底板处按固端约束，顶板处按铰接支座。软件采用了文献[5]建议的简化计算模型，按单向板简化计算垂直于墙面的水平荷载产生的弯矩，但在计算中未考虑塑性内力重分布。

6 地下室人防设计

地下室设计中除考虑的荷载除常规的恒载、活载、风荷、地震作用等外，还有地下室顶板的竖向人防等效均布静荷载Qe1、外墙的水平人防等效均布静荷载Qe2和临空墙的水平人防等效均布静荷载Qc。SATWE程序的地下室人防设计信息见右图所示。对于一个二层地下室的结构，若二层地下室都考虑人防荷载作用，即人防地下室层数填为2，相应的人防荷载加载简图如图1—1所示；若只有最下面的一层考虑人防荷载作用，即人防地下室层数填为1，则相应的加载简图如图1—2所示(图中Qw为地下水对地下室外墙的侧压力，Qs为回填土对地下室外墙的侧压力)。

- 24 -

图1—1 图1—2

图1 人防荷载加载简图

程序将作用于地下室顶板的竖向人防等效均布静荷载Qe1作为整体结构的一种工况，人防荷载，进行整体结构的三维线弹性有限元分析，求得人防地下室层数内各构件的人防作用效应。用户可在单项内力文件中查看人防地下室层数内各构件的人防荷载作用下的标准内力。

在进行人防地下室构件的截面验算时，除恒、活、风、地震作用效应组合外，根据《人民防空地下室设计规范》第4.3.14条和4.6.2条要求，增加的人防作用效应组合如下： 对于考虑人防地下室的普通构件（如梁、柱、墙等），程序中考虑了两组人防作用效

应组合：

① 1.2 SGK＋1.0 SQK ② 1.0 SGK＋1.0 SQK

其中，SGK为恒载作用效应，SQK为相应于Qe1 的人防设计荷载作用效应；

对于临空墙，考虑的人防作用效应组合同上，其中SQK为相应于Qe1 和Qc的人防设计荷载作用效应，截面验算内容包括墙平面内强度验算和平面外强度验算；

对于地下室外墙，考虑的人防作用效应组合有：

① 1.2 SGK +1.2 SEK＋1.0 SQK ② 1.0 SGK +1.0 SEK＋1.0 SQK

其中，SEK为地下室外墙的侧向土、水压力作用效应，SQK为相应于Qe1 和Qe2的人

防设计荷载作用效应，截面验算内容包括墙平面内强度验算和平面外强度验算。

在人防作用效应组合下进行构件验算时，材料强度取其动力强度。砼和钢筋的动力强度设计值取静荷载作用下的强度设计值乘以强度综合调整系数rd，其值按第4.6.3条和表4.6.3取用。另外，在钢筋砼梁斜截面承载力验算时，考虑了砼强度等级影响的修正（有关公式见4.6.7条）；在梁、柱斜截面承载力验算时，砼的动力强度设计值乘以折减系数0.8（见4.6.）；在墙、柱受压构件正截面承载力验算时，砼轴心抗压动力强度设计值乘以折减系数0.8（见4.6.9条）；钢筋砼构件纵向钢筋的配筋率最小值按4.7.7表取值（见4.7.7条）。

[6]

7 结束语

本文详细介绍了SATWE软件的上部结构与地下室共同工作分析功能及其应用，包括分析模型的选取、各种作用的计算、地下室外墙平面外配筋设计和地下室人防设计等相关问题。除此之外，在工程应用中尚需注意以下几点：

文中建议了两种考虑上部结构与地下室共同工作分析方法：嵌固水平位移法和弹簧刚度法。考虑到与现行规范的协调一致，在工程应用中选用计算方法时以嵌固水平位移法为优先。

- 25 -

程序中提供了地下室外墙平面外配筋设计功能。垂直于墙面的水平荷载产生的弯矩

的计算采用了文献[5]建议的计算模型，即根据支承情况按单向板简化计算。但未考虑地下室外墙越层情况，若结构中存在地下室外墙越层情况，设计人员应对该局部做补充验算。

在上述介绍的人防设计功能中，顶板人防等效静荷载的导荷方式与活荷载值一致，

也就是说若某个房间的均布活荷载为零，程序认为该房间的顶板人防等效静荷载也为零。另外程序未能考虑顶板覆土厚度和顶板区格最大短边净跨的不同而导致各区格中顶板人防等效静荷载的差异。

8 参考文献

[1] 建筑抗震设计规范 GB50011-2001，中国建筑工业出版社，2001，北京。 [2] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002，中国建筑工业出版社，2002，北京。

[3] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002）宣贯培训材料，中国建筑科学研究院建筑

结构研究所，2002，北京。

[4] 龚思礼，建筑抗震设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，2002，北京。 [5] 李国胜，高层钢筋混凝土结构设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，2003，

北京。

[6] 人民防空地下室设计规范 GB50038-94 (2003年版)，中国建筑标准设计研究

所，2003，北京。

- 26 -

专题五 剪力墙边缘构件的设计

原规范对于剪力墙边缘构件的规定过于笼统，以致在某些情况下不够安全，在另外一些情况下又过于保守。为了保证在地震作用下的钢筋混凝土剪力墙具有足够的延性，新修编规范、规程对剪力墙边缘构件的大小、配筋和构造要求作了更详细的规定。

新规范的边缘构件是怎样分类和配筋的呢？它们是配筋的，还是从剪力墙配筋的基本公式出发且考虑边缘构件自身构造共同作配筋呢？

1 墙正截面配筋计算

1.1 正截面承载力计算

墙正截面承载力计算采用柱正截面中沿截面腹部均匀配置纵向钢筋的截面的计算方法。

高规第7.2.7条规定，抗震设计的双肢剪力墙中，墙肢不宜出现小偏心受拉；当任一墙肢大偏心受拉时，另一墙肢的弯矩设计值和剪力设计值应乘以增大系数1.25。目前软件还未执行这条规定。

1.2 墙最小配筋率

按混凝土规范第11.7.11条规定，抗震要求的剪力墙的水平和竖向分布钢筋的配置，符合下列规定：一、二、三级抗震等级的剪力墙的水平和竖向分布钢筋配筋率sh（shAsvbshAshbsv，

sv为水平分布钢筋的间距）和sv（sv,sh为竖向分布钢筋的间距）均不小于0.25%；

四级抗震等级剪力墙不小于0.2%；非抗震要求的剪力墙的水平和竖向分布钢筋的配筋率不小于0.2%。分布钢筋间距不大于300mm；其直径不小于8mm；

部分框支剪力墙结构的剪力墙底部加强部位的水平和竖向分布钢筋配筋率，抗震设计时不小于0.3%，非抗震设计时不小于0.25%；抗震设计时水平钢筋间距不大于200mm。

2 墙斜截面配筋计算

2.1 非抗震剪力墙斜截面设计

钢筋混凝土剪力墙，按混凝土规范第10.5.4条规定，受剪截面应符合下列条件：

V0.25cfcbh

式中

剪力设计值； V ——

c—— 混凝土强度影响系数；

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矩形截面的宽度或T形、I形截面的腹板宽度（墙的厚度）； b ——

截面高度（墙的长度）。 h ——

当截面不满足上述要求时，给出超筋信息，此时应加大截面或提高混凝土强度等级。

钢筋混凝土剪力墙在偏心受压时的斜截面受剪承载力按第10.5.5、10.5.6条规定计算。 2.2 抗震要求的剪力墙斜截面设计

考虑地震作用组合的剪力墙，按新混凝土规范第11.7.4条规定，受剪截面应符合下列条件：

当剪跨比2.5时：V1(0.2cfcbh0)

RE1当剪跨比2.5时：VRE(0.15cfcbh0)

当截面不满足上述要求时，给出超筋信息，此时应加大截面或提高混凝土强度等级。 考虑地震作用组合的剪力墙在偏心受压时的斜截面受剪承载力按第11.7.5、11.7.6条规定计算。

2.3 剪力墙分布筋构造要求

按混凝土规范第11.7.11条规定，抗震要求的剪力墙的水平和竖向分布钢筋的配置，符合下列规定：一、二、三级抗震等级的剪力墙的水平和竖向分布钢筋配筋率sh和sv均不小于0.25%；四级抗震等级剪力墙不小于0.2%；非抗震要求的剪力墙的水平和竖向分布钢筋的配筋率不小于0.2%。分布钢筋间距不大于300mm；其直径不小于8mm；部分框支剪力墙结构的剪力墙底部加强部位的水平和竖向分布钢筋配筋率，抗震设计时不小于0.3%，非抗震设计时不小于0.25%；抗震设计时水平钢筋间距不大于200mm。

对于特一级剪力墙，按高规第4.9.2条规定，一般部位的水平和竖向分布钢筋的最小配筋率取为0.35%，底部加强部位的水平和竖向分布钢筋的最小配筋率取为0.4%。

3 剪力墙边缘构件设计

新规范、规程增加了约束边缘构件的概念，对延性要求比较高的剪力墙，在可能出现塑性铰的部位应设置约束边缘构件，其它部位可设置构造边缘构件。约束边缘构件的截面尺寸及配筋都比构造边缘构件要求高，其长度即箍筋配置量都需要通过计算确定。

3.1 基本构造要求

剪力墙两端及洞口两侧边缘构件符合下列要求：

一、二级抗震等级的剪力墙结构和框架—剪力墙结构中的剪力墙，其底部加强部位及其以上一层的墙肢端部设置约束边缘构件；其它部位设置构造边缘构件。

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3.1.1 约束边缘构件

剪力墙端部设置的约束边缘构件（暗柱、端柱、翼墙和转角墙）应符合下列要求： 约束边缘构件沿墙肢的长度lc及配箍特征值v按混凝土规范中表11.7.15的要求取值，箍筋的配置范围及相应的配箍特征值v和v2的区域见混凝土规范中图11.7.15，其体积配筋率VVfcfyv ；式中 v——配箍特征值，对混凝土规范中图11.7.15中的v2区

域，可计入拉筋。

一、二级抗震等级剪力墙约束边缘构件的纵向钢筋的截面面积，对暗柱、端柱、翼墙和转角墙分别不应小于混凝土规范中图11.7.15中阴影部分面积的1.2%、1.0%。

约束边缘构件沿墙肢长度lc除满足表11.7.15的要求外，当有端柱、翼墙或转角墙时，尚不小于翼墙厚度或端柱沿墙肢方向截面高度加300mm。

(a) 暗柱 (b) 端柱 (a) 翼墙 (b) 转角墙

1 －配箍特征值为v的区域； 2 －配箍特征值为v/2的区域

剪力墙的约束边缘构件图

当截面不满足上述要求时，程序给出超筋信息，此时应加大截面或提高混凝土强度等级。 3.1.2 构造边缘构件

剪力墙端部设置的构造边缘构件（暗柱、端柱、翼墙和转角墙）的范围，应按混凝土规范中图11.7.16采用，构造边缘构件的纵向钢筋除满足计算要求外，尚符合混凝土规范中表11.7.16的要求。

当截面不满足上述要求时，程序给出超筋信息，此时应加大截面或提高混凝土强度等级。 3.2 边缘构件设计和问题探讨 3.2.1 边缘构件设计

高规的7.2.15条规定，抗震设计时，一、二级剪力墙结构底部加强部位及以上一层的墙肢设置约束边缘构件，一、二级剪力墙的其它部位以及三、四级和非抗震设计的剪力墙墙

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肢均应设置构造边缘构件。

程序可以通过自动搜索，区分确定这两类边缘构件，并进行相应的边缘构件设计。边缘构件的特征尺寸、主筋面积、箍筋面积或者配箍率，用户都可以在边缘构件简图中查看。

程序提供两张剪力墙配筋结果图：一张是配筋简图中的各个直线剪力墙段的配筋图，另一张是边缘构件配筋图。用户应注意的是：直线剪力墙段标出的暗柱主筋面积是计算值，如果计算值小于零则取零，并不考虑构造要求；而边缘构件简图中的配筋结果则同时考虑了钢筋计算值和构造值，即二者当中的大者。简言之，剪力墙的配筋以边缘构件简图为准，直线剪力墙段的配筋图仅供校核之用。

边缘构件简图

3.2.2 问题探讨

剪力墙的合理配筋是一个较为麻烦的问题。当有斜交、弧墙时，合理的配筋则更为复杂。目前软件采取这种直线段的配筋，又考虑了交叉点钢筋的叠加，使得交叉点的钢筋即边缘构件的配筋是偏大的，有时会达到不可容忍的地步，尤其是端部存在边框柱时。 一种合理的配筋模式是考虑直线配筋墙段的面外翼缘的作用，如L形节点处要互为翼缘，取大配筋即可；边框柱亦应与直线配筋墙段共同组合内力，作为一个整截面配筋。

对于斜交墙肢的端部、弧墙等的剪力墙配筋方法，目前仍没有好的解决方法。

剪力墙用应力配筋的模式是解决各种形式剪力墙配筋的一个方向，也是一个较为彻底的解决方案。

4 框架-剪力墙结构设计

（1）一般框剪结构恒载计算应选择“模拟施工1”；

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（2）按高规有0.2Qo的调整，此时程序自动放大梁柱的地震弯矩和剪力；

（3）框架部分底层承受地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，框架部分的抗震等级应按框架结构采用；

（4）框剪结构，程序自动把柱轴压比放松0.05；

（5）一端与柱一端与墙相连的梁，也可以按连梁设计；

（6）可以选择“模拟施工2”用于传基础力；？？？

（7）一些内筒外框、筒中筒等结构，程序也认为是框架-剪力墙结构，所以也要符合框剪结构的要求；

（8）框筒结构，由于结构的扭转刚度都集中在内筒，结构扭转周期往往靠前，不满足新高规周期比的要求。所以要特别注意刚度的布置位置、方向等；

（9）周期比不满足要求的结构，应增加结构外部的刚度，如：在角部加剪力墙等； （10）对于0.2Qo调整，一般可只在底部几层进行或按新高规分段调整。尤其对有内收的结构，一般只调整到内收层为止；

（11）对框架支撑体系的钢结构，可以认为属于框剪结构，所以按高钢规，有25%Qo的调整要求；

（12）有关剪力墙的设计要求见下节“剪力墙结构设计”。

5 剪力墙结构设计

新规范对剪力墙的配筋方式做了重大改进。剪力墙的配筋是先确定配箍特征值和边缘构件的尺寸，在计算剪力墙的主筋时，采用一字形剪力墙的墙肢，进行配筋，然后再与边缘构件的节点叠加，产生边缘构件的配筋面积，并与边缘构件的构造相比取大。

这样新规范剪力墙的配筋与旧规范有很大差别。对一级、特一级的底部加强区及上一层剪力墙配筋采用的弯矩是底层墙底的设计弯矩，所以配筋要比旧规范大得多。 5.1 加强区与约束边缘构件

剪力墙加强区及约束边缘构件的确定，软件按以下几点控制：

（1）加强区按规范要求取1/8～1/10的结构总高度，并不小于2层；当剪力墙高度超过150m时，其底部加强区取墙肢总高度的1/10。带转换层的高层建筑结构，加强区取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。

（2）在加强区及以上一层为约束边缘构件； （3）加强区的设计调整系数与非加强区不同；

（4）地下室程序自动认为是加强区，也可用人工指定加强区的起算层号的手段来指定地下室为非加强区；

（5）有地下室时，程序自动扣除地下室的高度计算加强区；

（6）新高规规定加强区都为约束边缘构件，新抗震规范则规定在加强区是否为约束边缘构件由轴压比控制，程序按新高规的要求操作、控制。当结构层数较少，或剪力墙的轴压比很小时，软件仍按新高规的要求设计约束边缘构件；

（7）剪力墙单肢轴压比，按1.2倍重力荷载代表值计算；

（8）加强区的确定会有局限，用户应按需要在设计时自行调整、修正； （9）剪力墙的间跨比按最大剪力组合时那组的内力计算、控制。 5.2 边缘构件设计的注意事项

目前剪力墙边缘构件的设计与剪力墙端部的配筋计算存在着较大的差异，即配筋按直

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线段而边缘构件按组合墙段之间的矛盾。在下一版的软件中，将解决这个问题。边缘构件的设计时要注意以下几点：

（1）剪力墙按单肢墙端部计算配筋，按边缘构件的组合墙设计配筋；

（2）当墙肢长度不大于3倍的墙厚时，按柱配筋。此时水平筋可以理解为箍筋，但注意轴压比仍按墙计算；

（3）当两个边缘构件靠的很近时，程序会自动考虑合并；

（4）边框柱作为剪力墙的一部分与墙共同工作，边框柱按柱配筋作为参考，轴压比也仅为参考，视具体情况而定；边框柱合理的配筋是与组合墙一起整体受力、配筋；

（5）边缘构件的配筋，尤其是L形端部，按分段直线段配筋有时过大，可以考虑钢筋的共用，如考虑翼缘的作用，两个方向的配筋可以取大值，至少可以减去中间部分的钢筋面积；

（6）边缘构件中的箍筋按构造要求配置，尤其是一、二级抗震等级的边缘构件； （7）边缘构件的配筋应参考边缘构件配筋简图，而在单肢墙配筋简图中输出实际需要的配筋面积，小于0取0，水平分布筋仍在单肢墙配筋简图中输出，可供参考。

6 短肢剪力墙结构设计

高规提出了“短肢剪力墙结构”的概念，那么在设计中如何体现、把握短肢剪力墙结构的要求，用软件时应注意以下几点：

（1）短肢剪力墙结构，其首先应是全剪力墙结构；

（2）短肢剪力墙结构中，应有足够的长肢剪力墙；

（3）当结构形式符合短肢剪力墙结构形式后，才能在软件“总信息”参数的结构体系中，定义结构为“短肢剪力墙结构”；

（4）短肢剪力墙结构中的短肢墙，在设计时其“抗震等级”，软件自动提高一级；

（5）短肢剪力墙结构中筒体和一般剪力墙需符合不宜小于50%总倾覆弯矩的要求； （6）在设计短肢剪力墙结构中的短肢墙时，其非加强区部位，软件自动乘以相应剪力设计增大系数。

由上述可知，短肢剪力墙结构其实并不多，规范对其设计要求比较严格。对一些采用异形柱框架加短肢剪力墙的结构，或全部都是短肢剪力墙的结构，不能定义为“短肢剪力墙结构”。

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专题六 带转换层高层结构的分析

在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层，在结构转换层布置转换结构构件。当高层建筑上部楼层竖向结构体系与下部楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上、下部结构轴线错位时，就必须在结构改变的楼层布置转换层结构。

底部大空间部分框支剪力墙结构，上部为剪力墙结构，底部数层为落地剪力墙或筒体和支承上部剪力墙的框架组成的协同工作结构体系。这种结构类型由于底部有较大空间，能适用于许多建筑功能的要求，广泛用于底部是商店、夕厅、车库、机房等用途，上部为住宅、公寓、饭店等高层建筑。

本文就“高层建筑混凝土结构技术规程”（JGJ3--2002）（下文中简称“高规”）中带转换层高层建筑结构，整体性能控制、内力计算调整和构造要求的有关规定，计算机软件实施情况，用户使用时应注意的问题，作一介绍。

1 转换结构的计算模型

高规5.1.12与10.1.1条文说明，体型复杂、结构布置复杂（包括带转换层结构），应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。

高规10.1.5条，复杂高层建筑结构中的受力复杂部位，宜进行应力分析，并按应力进行配筋设计校核。 1.1 梁托柱的转换结构

这类转换层结构的计算模型，可以仍采用杆模型。

如结构中采用大量的梁托柱的受力形式，则该结构也应该定义为“复杂高层”及“转换层结构”，其托柱梁也应在《特殊构件定义》中定义为“转换梁”，把与托柱梁相连的柱也应定义为框支柱。这样定义后，程序自动把转换梁及框架柱按框支梁、框支柱设计及构造控制，且当转换层在3层及3层以上时，框支柱的抗震等级自动提高1级。。 1.2 框支剪力墙转换结构

高规10.2.10条，转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层主结构上。当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。B级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜采用框支主、次梁方案。

框支剪力墙结构宜采用墙元（壳元）模型，如SATWE、PMSAP等。

框支托梁的构造应按高规的相应要求控制，如托梁上的洞口布置、托梁的腰筋配置等，框支柱、托梁均应在特殊构件中单独定义，否则程序不会按框支柱、托梁进行设计控制。 可以用FEQ对主梁托墙的框支榀进行二次应力分析，FEQ可以按高规的要求进行加强部位的应力配筋。次梁托墙的转换榀将无法进行平面应力分析。 1.3 厚板转换结构

“高规”10.2.1条，非抗震设计和6度抗震设计可采用厚板转换结构；7、8度抗震设计的地下室转换构件可采用厚板。

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厚板转换层结构，目前没有很好的分析方法，应尽量避免。

由于厚板上下传力的特殊性，整体计算时厚板一定要考虑厚板面外的变形，这样才能使上部结构、厚板、下部结构的变形、内力计算合理。所以说厚板面外变形的正确考虑，决定了计算结果的正确性。厚板平面内可以按无限刚考虑。

用SATWE、PMSAP进行结构的整体分析时，首先在PMCAD建模中应使厚板上、下结构的轴线在厚板这层同时画出，并在轴线上布置100*100的虚梁。当虚梁所围成的房间较大时，还应增加虚梁。通过这种手段来人工细分厚板单元。最后在SATWE、PMSAP分析时厚板必须定义为弹性楼板，可以用“弹性板3” 面内无限刚且面外有刚度。

此外厚板本身的进一步细部分析，可以借助二次分析程序－复杂楼板有限元分析SLABCAD完成板的位移、内力、配筋计算以及冲切、应力等验算。

SATWE厚板的分析与结构整体分析是分开的，在整体分析中考虑板的变形是为了结构中除厚板以外构件分析的准确性。PMSAP则是板与其它构件一起分析、配筋。

支撑厚板的柱均应定义为框支柱。 PMSAP厚板转换层结构的输入：

，PMSAP采用应力杂交四边形中厚板单元来分析转换厚板模拟其平面外刚度和变形（选用“弹性板3”）。当需要时，也可同时用平面应力膜模拟其面内刚度和变形（选用“弹性板6”）。

1) 2) 3)

厚板转换层不单独设为一层，只视为某一层的楼板。

在PMCAD的交互式输入中，和板-柱结构的输入要求一样，也要布置100×100mm的虚梁，要充分利用本层柱网和上层柱、墙节点(网格)布置虚梁。 转换厚板所在的层与其上一层的层高的输入有所改变。将厚板的板厚均分给与其相临两层的层高，即取与厚板相临的两层的层高分别为其净空加上厚板的一半厚度。如下图所示，第i层有厚度为Bt的厚板，在PMCAD交互式输入中，第i层的板厚输入值为bt，层高为Hi，第i+1层的层高为H i+1 。

厚板转换层结构层高输入示意图

4)

转换厚板应设为“弹性板3”或“弹性板6”。

1.4 超大梁转换结构

一般这种超大梁占有一层的高度，分析模型与构件的配筋模型难以统一，所以采用不同计算模型的两次分析来解决问题。

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1） 梁所占有的一层仍按一层输入，大梁按剪力墙定义。此时可以正确分析整体结构及构件内力，除大梁（用剪力墙输入）的配筋不能用以外，其余构件的配筋均能参考采用；

2） 不把大梁作为一层输入，即两层合并为一层。大梁按梁定义，层高为两层之和。这

种计算模型仅用于考察、计算大托梁受力、配筋，其余构件及结构整体分析的结果

可以不用参考。层高的增加使柱的计算长度增加，此时程序自动考虑柱上端的刚域，亦使结构分析准确。也可以用FEQ进一步作转换大梁的二次分析。

1.5 桁架转换结构

SATWE、TAT、PMSAP可直接输入桁架转换结构的的转换桁架，完成计算。其分析的关键是桁架上、下层弦杆的轴力，所以在分析时一定要在上、下弦杆所在层中定义弹性楼板，这样才能计算出上、下弦杆的轴力。

当桁架中斜腹杆的连接比较简单时，如只与上下层节点相连，则用SATWE、TAT计算没有问题；当连结复杂时，用SATWE、TAT计算时就需要简化。

复杂连接的转换结构可以用SPASCAD建模，PMSAP计算。

2 转换结构的设计控制

2.1条文规定及软件操作

高规条文：

1）表4.2.2-1和表4.2.2-2关于A、B级最大适用高度的规定； 2）第10.2.2条 8度不宜超过3层；7度不宜超过5层；

3）第10.1.2条 9度抗震设计，不应采用带转换层结构； 4）按表4.8.2和表4.8.3，正确填写结构构件的抗震等级；

5）第10.2.3 条，底部带转换层的高层建筑结构布置有关规定。

上机操作：

a、 用户在程序的前处理输入的‘结构体系’选取‘复杂高层’体系，则指明为底部带转换层高层建筑结构。 b、 用户在程序的前处理输入‘转换层所在层号’的输入参数时应遵照高规第10.2.2

条规定。 c、 用户应按高规10.2.5 条规定确定抗震等级且在程序的前处理中输入框架、剪力

墙的抗震等级。目前剪力墙的抗震等级只有一个数，无法区分底部加强区剪力

墙与非底部加强区剪力墙的抗震等级。为此建议用户按底部加强区剪力墙的抗震等级输入，而非底部加强区剪力墙的抗震等级通过‘定义构件抗震等级’来完成，这样当转换层的位置设置在3层及3层以上时程序自动将框支柱、落地剪力墙底部加强部位的抗震等级提高一级采用，已经为特一级时不再提高。注意：不落地剪力墙抗震等级不提高。是否为落地剪力墙由程序自动按上下截面是否对齐来判断。

d、 注意程序现暂未执行“而对于底部带有转换层的框架-核心筒结构和外围为密柱

框架的筒中筒结构，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级不必提高（高规10.2.5 条条文说明）”内容，结果偏于安全。若要严格按此规定执行，用户

可用‘指定构件抗震等级’操作设定一次框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级，这样被指定过的构件抗震等级不会再自动提高。

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设定‘底部带转换层高层建筑结构’ 注意：SATWE、TAT和PMSAP目前将‘底部带转换层高层建筑结构’包含在‘复杂高层结构’中，没有细分。 

SATWE

① 进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《总信息》。

② 在‘结构体系’框中选取‘复杂高层结构’即可。

① 在‘转换层所在层号’项内转换层填入所在的结构自然层号。若有地下室则包括地

下室层号在内。 

TAT

① 进入菜单《2.数据检查和图形检查》→《3.参数修正》→《总信息》。 ② 在‘结构类型：’框中选取‘复杂高层结构’即可。

③ 进入菜单《2.数据检查和图形检查》→《3.参数修正》→《调整信息》。

④ 在‘转换层所在层号’项内转换层填入所在的结构自然层号。若有地下室则包括地

下室层号在内。



PMSAP

进入菜单《3.参数补充与修改》→《总信息》。 ① 在‘计算总控制信息：’框中‘是否复杂高层’项内选取‘是’即可。 ② 进入菜单《3.参数补充与修改》→《计算调整信息》。

③ 在‘转换层所在层号’项内转换层填入所在的结构自然层号。若有地下室则包括地

下室层号在内。 设定‘框架、剪力墙的抗震等级’ 

SATWE

① 进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《地震信息》。

② 在‘框架抗震等级’项内选择抗震等级。 ③ 在‘剪力墙抗震等级’项内选择抗震等级。 

TAT

① 进入菜单《2.数据检查和图形检查》→《3.参数修正》→《地震信息》。 ② 在‘框架抗震等级’项内选择抗震等级。 ③ 在‘剪力墙抗震等级’项内选择抗震等级。 PMSAP

① 进入菜单《3.参数补充与修改》→《地震信息》 ② 在‘框架抗震等级’项内选择抗震等级。 ③ 在‘剪力墙抗震等级’项内选择抗震等级。 关联操作：

抗震等级：用户若要细调每根构件的抗震等级可进行此项操作。经此操作后的构件抗震等级不会再自动提高。

？？？

2.2 刚度控制及软件输出

1）位移比、周期比

高规的4.3.5条规定，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移角，A、B级高度高层

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

建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍；且A级高度高层建筑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复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。

高规的4.3.5条规定，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期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复杂高层建筑不应大于0.85。

这是一般高层建筑结构，要满足的；带转换层高层建筑结构也是如此。

2）转换层上部与下部结构的侧向刚度比 高规的10.2.3条2款，转换上部结构与下部结构的侧向刚度比的计算和限值，应符合附录E的规定。

结构计算软件，按附录E的计算方法，计算了侧刚比。

高规第10.2.3-2条指出转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比应符合高规附录E的规定，即高位转换结构的刚度比。高规附录E中E.0.1是针对转换层位于1层的，采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比算法， 宜为1，非抗震设计时不应大于3，抗震设计时不应大于2。E.0.2是针对转换层位置大于1层的，采用转换层的上部结构与带转换层的下层结构等效侧向刚度比e算法， 宜为1，非抗震设计时不应大于2，抗震设计时不应大于1.3。当转换层设置在3层及3层以上时转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%。

上机操作：

a、 程序给出了三种计算层侧向刚度的方法。它们是方法1-高规附录E.0.1的剪切

刚度：Ki = Gi Ai / hi，适用于转换层位于1层的刚度突变的控制；方法2-高规附录E.0.2的方法剪弯刚度：Ki = Vi / Δi ，适用于转换层位置大于1层的刚度突变的控制；方法3-抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明及高规的方法地震剪

力与地震层间位移的比：Ki = Vi / ΔUi，适用于转换层设置在3层及3层以上时转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60%的控制。 b、 程序计算高位转换结构的刚度比时，若干层的侧向刚度K可由楼层i的层侧向

刚度Ki通过公式k1/i1ki计算求得，所以1/k。这样就可应用高规

E.0.2公式计算不带转换层的上部结构与带转换层的下层结构等效侧向刚度比e。

c、 转换层位于1层时用户应该采用‘剪切刚度’方法计算层刚度，当转换层位置

大于1层用户应该采用‘剪弯刚度’方法计算层刚度，来求转换层上部与下部

结构的等效侧向刚度比和判断是否符合高规要求。若采用‘地震剪力与地震层间位移的比’方法计算层刚度，其求得的转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比结果明显偏小，是偏于不安全的。

d、 转换层设置在3层及3层以上时用户还要采用‘地震剪力与地震层间位移的比’

方法再计算一次层刚度，从而进行转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼

层侧向刚度的60%的下限控制。目前程序未输出超下限的警告提示。

本节无特殊操作。当转换层设置在3层及3层以上的结构要计算两次，才能正确地做好转换层上、下刚度突变的控制。

- 38 -

结果说明：

转换层上、下等效侧向刚度比可在相关文件中查看。用户可对照规范实现转换层上、下刚度突变控制。

a) SATWE可在WMASS.OUT文件中查看，输出的是用户所选定的层刚度的计算

方法得到的结果，如以下所示：

==========================================================

高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比

========================================================== 转换层所在层号= 3

转换层下部结构起止层号及高度= 1，3，10.10 转换层上部结构起止层号及高度= 4，6，8.10

X方向下部刚度= 0.2353E+08，X方向上部刚度= 0.2769E+08，X方向刚度比= 0.9439 Y方向下部刚度= 0.4338E+08，Y方向上部刚度= 0.3284E+08，Y方向刚度比= 0.6072

b) TAT可在TAT-M.OUT文件中查看，如以下所示：

==========================================================

高位转换层结构的刚度比

========================================================== X向上部刚度 Stiff_ux= 0.5552E+06，X向下部刚度Stiff_downx= 0.1107E+07 上下刚度比 Ratio= 0.502

Y向上部刚度 Stiff_uy= 0.5850E+06，Y向下部刚度 Stiff_downy= 0.1010E+07 上下刚度比 Ratio= 0.579

c)

PMSAP可在工程名_TB.RPT（简单扎要）文件中查看，输出的分别是用户选择的层刚度的计算方法得到的结果，如以下所示，

========================================================== 高位转换时转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比

========================================================== 采用的楼层刚度算法:剪弯刚度算法

转换层所在层号= 3

转换层下部结构起止层号及高度= 1，3，10.10

转换层上部结构起止层号及高度= 4，6，8.10

X方向下部刚度= 0.2353E+08，X方向上部刚度= 0.2769E+08，X方向刚度比= 0.9439 Y方向下部刚度= 0.4338E+08，Y方向上部刚度= 0.3284E+08，Y方向刚度比= 0.6072

转换层设置在3层及3层以上结构的转换层本层侧向刚度与相邻上一层楼层侧向刚度的值可在WMASS.OUT（SATWE）、TAT-M.OUT（TAT）、工程名_TB.RPT（简单摘要）文件中查看，用户可对照规范自己进行转换层本层侧向刚度的下限控制。 2.3 剪力墙底部加强部位

高规的10.2.4条，剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。

程序按此规定，自动确定剪力墙底部加强部位，并执行与之有关的相应操作。

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用户可在WMASS.OUT文件中，检查底部加强部位的高度。

例如底层大空间剪力墙结构34层，框支层3层，WMSS.OUT文件中有输出：

剪力墙底部加强区信息................................. 剪力墙底部加强区层数 IWF= 5

剪力墙底部加强区高度(m) Z_STRENGTHEN= 22.90 在TAT、PMSAP中也是类似。 2.4 抗震等级

当转换层位置设置在3层或3层以上时，框支柱、位于底部加强部位的剪力墙抗震等级宜按表4.8.2 和表4.8.3 规定提高一级采用，已为特一级可不再提高。

对凡是在整体结构抗震等级中定义的，程序自动判断，是否复杂高层，转换层是否在3层及以上，而对框支柱，底部加强部位的剪力墙的抗震等级提高一级，对底部加强部位的不落地剪力墙的抗震等级不予提高；而对于在“特殊构件” 菜单中另行改动了抗震等级，则不做调整。最终调整的结果，可在配筋文件中看到，用户可进一步核实。

例如首层第1墙柱，原来抗震等级为1级，经提高后是特一级。在WPJ1.OUT中输出：

N-WC= 1 (I= 146， J= 251) ，B*H*Lwc(m)= 0.60* 0.70* 5.00

aa= 40(mm)，Nfw= 0（0为特一级），Rcw= 40.0（混凝土强度C40） N= -2946.，Uc= 0.37

( 29)M= 1209.，N= -4056.，As= 21.

( 29)V= 1197.，N= -4056.，Ash= 793.2

2.5 薄弱楼层地震剪力放大

高规的10.2.6 条，带转换层高层建筑结构，其薄弱层地震剪力应按高规的5.1.14条规定乘以1.15增大系数。

程序依据5.1.14条，检查相邻层刚度比，当楼层抗侧刚度小于其上层70%，或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，则将该楼层构件的地震内力乘以1.15。用户可在WMASS.OUT、TAT-M.OUT文件中看到薄弱层信息。 2.6 楼层最小地震剪力系数控制

高规的3.3.13 条，水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合表3.3.13的要求。

程序给出一个控制开关，由设计人员决定是否由程序自动进行调整。若选择由程序自动进行调整，则程序对结构的每一层分别判断，若某一层的剪重比小于规范要求，则相应放大该层的地震作用效应。

最小剪力系数是否自动按规范要求调整由用户自行确定。

当结构的地震作用不满足新规范要求的最小剪力系数时，反映了结构刚度和质量可能不合理分布，一般需要调整结构以使其满足最小剪力系数要求。本参数打开时程序自动调整放大地震作用效应以使其满足最小剪力系数要求，此时用户仍应知道该结构的方案可能是存在缺陷的。

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2.7 框剪结构、框支结构柱剪力调整

框剪结构的0.2Qo调整 抗震规范6.2.13条规定，侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框—剪结构，任一层框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框—剪结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。

程序对框剪结构，将依据规范要求进行0.2Q0调整,用户可以指定调整楼层的范围，同时，由于0.2Q0调整可能导致过大的调整系数，所以TAT、SATWE和PMSAP程序都允许用户对数据文件中的调整系数进行手工修改。

框支柱地震作用下的内力调整

高规10.2.7条规定：

1）每层框支柱数目不多于10根时，:当框支层为1—2层时，每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%。；

2）每层框支柱数目多于10根时，当框支层为1—2层时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力20%；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力30%。

框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩。

高规4.9.2、10.2.12条规定，框支柱在特一级、一、二级抗震时，地震作用产生的轴力分别乘以增大系数1.8、1.5、1.2。但在计算轴压比时不考虑该增大系数。

SATWE、TAT、PMSAP在执行本条时，自动对框支柱的弯矩剪力作调整。由于调整系数往往很大，为了避免异常情况，SATWE、TAT给出一个控制开关，由设计人员决定是否对与框支柱相连的框架梁的弯矩剪力进行相应调整，默认不调；而PMSAP无此开关，一律不调。

3 转换结构的设计内力调整

3.1 梁设计剪力调整

抗震规范第6.2.4条和高规第6.2.5、7.2.22条规定，抗震设计时，特一、一、二、三级的框架梁和抗震墙中跨高比大于2.5的连梁，其梁端截面组合的设计剪力值应调整。

抗震等级 特一 一 二 三 框架梁 1.56 1.3 1.2 1.1 连梁 1.3 1.3 1.2 1.1 注：对于9度设防的框架梁和一级抗震等级的框架结构，梁和连梁端部剪力调整应按实配钢筋和材料强度标准值来计算。程序要求输入的超配系数η

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As，并取钢筋超强系数为

1.1，

按新混凝土规范第11.3.2条、新高规第7.2.22条计算框架梁和连梁端部剪力调整系数η

V=1.21ηAs。

3.2 转换梁地震内力调整

抗震规范3.4.3条规定，当竖向不规则的建筑结构，竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25-1.5的增大系数。高规第10.2.23条规定，转换梁在特一级和一、二级抗震设计时，其在水平地震作用下的内力分别放大1.8、1.5、1.25倍。程序按高规执行，自动对地震作用下的转换梁内力进行放大。 3.3 柱设计内力调整

为了体现抗震设计中强柱弱梁概念设计的要求，抗震规范第6.2.2、6.2.3、6.2.6、6.2.10条和高规第4.9.2条规定，抗震设计时，特一、一、二、三级的框架柱、框架结构的底层柱下端截面、角柱、框支柱的组合设计内力值应调整。调整系数见下表。

抗震等级 框 架 柱 框架结构底层 柱底 框 支 柱 Q 3.024 2.1 1.5 - Q M Q M 2.8224 1.8 3.024 1.8 1.96 1.5 2.1 1.5 1.44 1.25 1.5 1.25 1.21 1.15 1.265 - M 特一 1.68 一 1.4 二 1.2 三 1.1 注：1、对于9度设防的框架柱和一级抗震等级的框架结构，柱端部弯矩、剪力调整应按实配钢筋和材料强度标准值来计算。程序要求输入的超配系数ηAs，并取钢筋超强系数为1.1，则弯矩调整系数：ηmc =1.32ηAS, 剪力调整系数按抗震规范第255页公式近似计算：ηvc=1.2[0.15+0.7(0.4762+ηAs)]ηmc。

2、角柱是在框架柱的基础上乘以1.1的放大系数。

3、底层底截面的弯矩、剪力增大系数分别为乘以1.5/1.4。

3.4 框支柱地震内力调整

除了2.7节及3.3节对框支柱的调整以外，还要根据高规第10.2.12-6条规定，对框支柱的地震轴力进行放大，特一级和一、二级抗震设计时，其在水平地震作用下的框支柱轴力分别放大1.8、1.5、1.25倍。 3.5 剪力墙设计内力调整

高规第7.2.10、10.2.14、4.9.2条规定，抗震设计时，特一、一、二、三级的剪力墙底部

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加强区和非加强区截面组合的设计内力值应调整。

剪力墙设计弯矩调整系数 抗震等级 部分框支落地剪力墙 底部加强部位 取墙底截面组合弯矩乘1.8 取墙底截面组合弯矩乘1.5 取墙底截面组合弯矩乘1.25 1.0 非加强部位 一般剪力墙 底部加强部位及上一层 特一级 一级 二级 三级

剪力墙设计剪力调整系数

抗震等级 特一级 一级 二级 三级 底部加强部位 1.9 1.6 1.4 1.2 非加强部位 一般剪力墙 1.2 1.0 1.0 1.0 短肢剪力墙 1.68 1.4 1.2 1.0 1.3 1.2 1.0 1.0 取墙底截面组合弯矩乘1.1 取墙底截面组合弯矩 1.0 1.0 1.3 1.2 1.0 1.0 其它部位 注：对于9度设防的各类剪力墙结构，墙加强部位的设计剪力调整应按实配钢筋和材料强度标准值来计算。程序取钢筋超配系数1.8，超强系数1.1，按新抗震规范第6.2.条文说明给出的公式近似计算得剪力调整系数：ηV=1.7。

4 转换结构的二次分析

对一些复杂结构，如：转换层结构、大开洞结构等，当结构的空间分析完成后，有时还要进行二次的局部精细化分析。 4.1 高精度平面有限元分析FEQ

FEQ主要针对框支剪力墙结构中框支榀的二次分析，当次梁承托剪力墙时，不能用FEQ分析。分析时应注意以下几点：

（1） 只能分析主梁承托的框支榀；

（2） 在截取计算榀时，最好全轴线截取，以减少与整体分析时的误差；

（3） 在截取层数时，只能截取框支层上部不超过4层。因为在整体分析时，框支托

梁的竖向刚度要远小于落地墙的轴向刚度，竖向荷载按刚度分配后，使托梁承

担的荷载远小于托梁上部的总荷载，所以取转换梁上部3-4层，计算得到的托梁的内力才有参考价值；

（4） 转换层结构的整体分析，应选用墙元、壳元模型（SATWE），这样FEQ在传递

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荷载时更为准确；

（5） FEQ主要计算框支托梁配筋、剪力墙加强部位的配筋，其他部位、构件的配筋

应参考整体分析的结果。 4.2 复杂楼板有限元分析SLABCAD

对于复杂结构的楼板分析，SLABCAD截取了一层进行单独分析，分析时应注意以下几点：

（1） 复杂楼板分析只适用于中、薄板单元，？？？与1.3 厚板转换结构的有关说明矛盾？？？； （2） 当经过SATWE分析后，应注意SLABCAD传递、协同SATWE分析边界条件

的一致性，如：边界上梁的约束、柱点的已知位移、梁抬柱时的约束形式等； （3） 荷载的作用形式的不同。在SATWE整体分析时，板上荷载按人工指定的方式传

到梁上，而在SLABCAD中，荷载直接作用在板上，传递方式与单元划分、板

刚度、四周的约束边界条件、梁柱刚度等都有关系。

5 有待深入研究的问题

5.1 转换构件的模型选取问题

在分析厚板转换层结构时，往往会发生厚板上、下构件之间的传力机构不清晰的问题，这主要是由于单元选取和单元划分的双重原因引起的。

目前在框支转换结构分析时，为使上部墙与托梁共同工作，保证墙下部节点与梁的位移协调，迫使下部托梁被打断成一段段短梁。但由于托梁的高度较大，一段段短梁将造成梁单元刚度的数值计算误差，有时托梁有整层的高度，这种计算误差会加大，从而造成局部计算结果的错误。解决办法只有把托梁也按二维有限元的方法进行单元划分来作整体分析，配筋则采用梁的方式。

5.2 转换结构的分析方法问题

目前，软件对恒载内力计算可采用施工模拟算法来模拟施工过程。对一般高层建筑结构而言，该方法可以得到真实恒载作用下柱、墙的竖向变形的一个估计值，使得位于上部楼层的柱与墙之间的梁端弯矩有一个令人可接受的分布。但由于带转换层结构的高层建筑结构施工过程的复杂性，这种施工模拟算法是否符合实际的施工过程，还要按具体工程作具体分析。如不能符合，则需要根据实际情况另行设计算法。

转换层结构有多种形式，如：桁架转换、厚板转换以及最常见的框支转换。转换层最大的问题是：

（1）受力、传力不是很明确；

（2）分析、设计手段不太多；

（3）规范的构造、参数等不能含盖所有的转换层结构；

所以转换层结构应用多个程序、多种手段分析，尤其是关键部位。对框支、厚板等转换层结构应选用SATWE、PMSAP这种有二维单元的分析软件。托梁按梁单元分析，有时会造成托梁刚度偏大，且在局部产生较大的应力集中，造成托梁计算超限，所以需要、也有必要用FEQ这类软件来复核。

FEQ是平面有限元分析软件，可把托梁也按照二维单元来分析。，在使用时应注意：

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（1）尽量全轴线截取计算榀；

（2）截取高度在转换层上部3-4层；

（3）FEQ不能分析次梁托剪力墙的情况。 同样，对厚板转换层结构也需要且有必要采用其它软件进行分析、复核，如用SAP2000、ANSYS、ETABS等。

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专题七 短肢剪力墙结构设计

近年兴起的短肢剪力墙结构，有利于住宅建筑布置，又可进一步减轻结构自重，应用逐渐广泛。但是由于短肢剪力墙抗震性能较差，地震区应用经验不多，考虑高层住宅建筑的安全起见，其剪力墙不宜过少、墙肢不宜过短，因此，不应设计仅有短肢剪力墙的高层建筑，要求设置剪力墙筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的结构。新修编的《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3–2002对短肢剪力墙结构抗震设计的最大适用高度、使用范围、抗震等级、筒体和一般剪力墙承受的地震倾覆力矩、墙肢厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率作了相应的规定。

1 规程相关规定

高规第7.1.2条规定了高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构，并且应符合一系列规定。第7.1.3条规定了B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，不应采用第7.1.2条规定的具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。

1.1 短肢剪力墙结构的定义

  

短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙；

高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构； 短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。

1.2 短肢剪力墙结构的必要条件

抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。

1.3 短肢剪力墙结构的应用范围

  

B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，即使设置筒体，也不能采用；

其最大适用高度比高规表4.2.2-1中剪力墙结构的规定值适当降低，且7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和60m；

如果在剪力墙结构中，只有个别小墙肢，不应看成短肢剪力墙结构而应作为一般剪力墙结构处理。

1.4 短肢剪力墙结构的抗震加强

 

抗震设计时，短肢剪力墙的抗震等级应比高规4.8.2规定的剪力墙的抗震等级提高一级采用；

抗震设计时，各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.5、0.6和0.7；对于无翼缘或端柱的

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一字形短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1；     

抗震设计时，除底部加强部位应按高规7.2.10条调整剪力设计值外，其它各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2；

抗震设计时，短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%；

短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm；

7度和8度抗震设计时，短肢剪力墙宜设置翼缘。一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。

高规7.2.1条文规定了带有筒体和短肢剪力墙的剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。

弱短肢剪力墙（墙肢截面高度与厚度之比小于5墙肢）

高规7.2.5条文规定了不宜采用墙肢截面高度与厚度之比小于为5的剪力墙；当其小于5时，其在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一级（9度）、一级（7、8度）、二级、三级时分别不宜大于0.3、0.4、0.5和0.6。 短墙（墙肢截面高度与厚度之比不大于3的墙肢）

高规7.2.5条文和抗震规范6.4.9条文规定剪力墙的截面高度与厚度之比不大于3时，应按柱的要求进行设计，底部加强部位纵向钢筋的配筋率不应小于1.2%，其它部位不应小于1.0%，箍筋应沿全高加密。

1.5 综合：短肢剪力墙结构中剪力墙分类表

剪力墙分类 墙肢截面高度与厚度之比hw/bw 规程、规范相应条文  高规7.1.2条  高规7.1.3条  高规7.2.1条  形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构 B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑不能采用较多短肢剪力墙的剪 最大适用高度 力墙结构 比高规表4.2.2-1中剪力墙结构的规定值适当降低，且7度和8- 47 -

一般剪力墙 >8 短肢剪力墙 弱短肢剪力墙 短墙 5～8 3～5 3  高规7.2.5条  高规7.2.1条  高规7.2.5条  高规7.2.1条  抗震规范6.4.9条 使用要求  不宜采用 按柱、异型柱设计

度抗震设计时分别不应大于100m和60m 抗震等级   应比一般剪力墙的抗震等级提高一级采用 抗震等级为一、二、 轴压比限值   抗震等级为三时分别不宜大于一级（9度）、一0.5、0.6和0.7； 级（7、8度）、二对于无翼缘或端柱的级、三级时分别不一字形短肢剪力墙，宜大于0.3、0.4、其轴压比限值相应降0.5和0.6； 低0.1； 除底部加强部位应按高规7.2.10条调整剪力设计值外；  剪力调整  其它各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2； 底部加强部位不宜小于1.2%； 其它部位不宜小于1.0%；  全部纵向钢筋的配筋率   底部加强部位不应小于1.2%  其它部位不应小于1.0%；  应沿全高加密； 箍筋 截面厚度 混凝土强度等级   不应小于200mm 不应低于C25 注：弱短肢剪力墙或短墙列未说明内容的，则按同行左列执行。 2 程序实现

① 程序把第7.1.2条规定的具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构称为短肢剪力墙结构。

用户可在‘结构体系’中设定为‘短肢剪力墙结构’。

② 结构设定为‘短肢剪力墙结构’后，程序自动将其中的短肢剪力墙，即墙肢高度和

厚度之比不大于8的剪力墙的抗震等级提高一级。用提高后的抗震等级进行短肢剪

力墙墙肢的轴压比控制和剪力设计值放大。

③ 短肢剪力墙结构，其短肢墙部分承担地震倾覆力矩不应大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。这也是判定短肢剪力墙结构的上限。超过此上限说明短肢剪力墙占的比例太大，这种结构是不允许的。若短肢墙部分承担地震倾覆力矩占结构总底部地震

倾覆力矩很小（现高规没有设定下限，也许可设为10%），则此结构应视为一般剪力墙结构，不用定义为短肢剪力墙结构，结构中不用区分短肢剪力墙还是一般剪力墙，一律按剪力墙处理。

④ 短肢剪力墙和高厚比小于5的矩形截面墙肢要全楼验算轴压比限值。不管短肢

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剪力墙有无翼缘或端柱，SATWE和PMSAP一律用提高的抗震等级按无翼缘或端柱轴压比限值来控制短肢剪力墙轴压比，而TAT则考虑了有无翼缘的不同处理。 ⑤ 按高规第7.1.2-3条规定，短肢剪力墙结构中墙肢高度和厚度之比不大于8的短肢

剪力墙，其抗震等级自动提高一级。用户不需要手工更改这些构件的抗震等级。 ⑥ 但目前TAT对短肢剪力墙的判断是双向认定的。而SATWE、PMSAP对短肢剪力

墙的判断是单向认定的，所以有长肢翼缘的T形、L形剪力墙的短肢部分还认为是

短肢剪力墙，这是不对的。用户使用SATWE时请用‘定义构件抗震等级’定义这种假短肢剪力墙，使它不按短肢墙肢自动调整。但即使这样，这些假短肢墙仍然统计在短肢剪力墙承担地震倾覆力矩中。

3 操作

3.1 设定‘短肢剪力墙结构’ 

SATWE

① 进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《1.分析与设计参数补充定义》→《总信

息》。

② 在‘结构体系’项内选择‘短肢剪力墙结构’即可。 TAT

① 进入菜单《2.数据检查和图形检查》→《3.参数修正》→《总信息》。 ② 在‘结构类型：’项内选择‘短肢剪力墙结构’即可。 3.2 关联操作

 ‘剪力墙墙肢轴压比’，详见《应用指南》4.3节。

 ‘剪力墙截面剪力设计值调整’，详见《应用指南》4.5节。  ‘框架总剪力调整’，详见《应用指南》5.2节。 3.3 结果说明

① 短肢剪力墙部分承担地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的比例可在相关文件中查看。

 SATWE可在WV02Q.OUT文件中查看，如以下所示， 框架柱及短肢墙地震倾覆弯矩百分比

********************************************************************** 柱及短肢墙倾覆弯矩 墙倾覆弯矩 柱及短肢墙倾覆弯矩百分比 X向地震: 410.5 52040.0 47.14% Y向地震: 24870.4 77263.5 24.35%

 TAT可在NL-1.OUT文件中查看，如以下所示，

本层短肢墙所承担的地震力之弯矩：

塔号： 1 X向短肢墙弯矩：Mdwx = 1.7 X向墙弯矩：Mwx = 88118.3 比值：Mdwx/(Mdwx+Mwx) = 15.76%

塔号： 1 Y向短肢墙弯矩：Mdwy = 15323.8 Y向墙弯矩：Mwy = 86747.3 比值：Mdwy/(Mdwy+Mwy) = 15.01%



- 49 -

② 短肢剪力墙部分抗震等级的提高及轴压比限值降低等加强，可在相应配筋文件中查看。

下面显示一些结果，  SATWE可在WPJ*.OUT文件中查看，如下所示。

N-WC= 1 (I= 79 J= 96) B*H*Lwc(m)= 0.30* 2.50* 3.30 aa= 300(mm) Nfw= 2 Rcw= 25.0

N= -5002. Uc= 0.56 一般剪力墙轴压比 ( 38)M= -1105. N= -739. As= 229. ( 31)V= 804. N= -8430. Ash= 150.0

---------------------------------------------------------------------------- N-WC= 2 (I= 97 J= 116) B*H*Lwc(m)= 0.30* 2.00* 3.30 aa= 300(mm) Nfw= 1 Rcw= 25.0 短肢剪力墙抗震等级提高

** N= -4100. Uc= 0.57 > 0.40 短肢剪力墙且按无翼缘或无端柱，限值再降低0.1 ( 1)M= 1. N= -4750. As= 0. ( 1)V= 2. N= -4750. Ash= 150.0

 TAT可在PJ-*.OUT文件中查看，如下所示。

有长肢翼缘的短肢剪力墙按一般剪力墙处理

N-W= 5 Lw= 3.30(m) Arfw= 0.0000 Nfw= 2 Rcw= 25.0 Nwb= 1(I1= 4 I2= 2) Bw= 300(mm) Hw= 2000(mm) aa= 300(mm) Nuc= -4206. Uc= 0.59 一般剪力墙轴压比 ( 7)N= -8084. M= 7. As0= 1954. ( 1)N= -48. V= -3. Ash= 150.

Nwb= 2(I1= 1 I2= 3) Bw= 300(mm) Hw= 2500(mm) aa= 300(mm) Nuc= -5272. Uc= 0.59

( 1)N= -6115. M= 14. As0= 0. ( 1)N= -6115. V= 9. Ash= 150.

---------------------------------------------------------------------------- N-W= 6 Lw= 3.30(m) Arfw= 0.0000 Nfw= 1 Rcw= 25.0 短肢剪力墙抗震等级提高 Nwb= 1(I1= 4 I2= 2) Bw= 300(mm) Hw= 2000(mm) aa= 300(mm) ** Nuc= -4213. Uc= 0.59 > 0.50 短肢剪力墙且有翼缘限值为0.5 ( 1)N= -4886. M= 9. As0= 0. ( 1)N= -4886. V= -4. Ash= 150.

Nwb= 2(I1= 5 I2= 3) Bw= 300(mm) Hw= 2000(mm) aa= 300(mm)

** Nuc= -4213. Uc= 0.59 > 0.50 短肢剪力墙且有翼缘限值为0.5 ( 1)N= -4886. M= -2. As0= 0.

( 1)N= -4886. V= 0. Ash= 150.

 PMSAP可在PMSAP_PJ.*文件中查看，如下所示。 一般剪力墙轴压比

( 3) 28 32 L= 3.300 B,H= 300. 2500. NC,NG,NGH=25 1 1 IEW= 2 MUSV=0.0030 Un/Unmax= 0.55/ 0.60 N= -4927.3 Icom= 26 As/Asvs Ps(%) Ierr Igz Icom M/Q N

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BOT As 1200.000 0.160 0 1 1 51.4 -5707.5 Asv/S 150.000 0.250 0 1 1 319.0 -5707.5 TOP As 1200.000 0.160 0 1 1 61.4 -5707.5 Asv/S 150.000 0.250 0 1 1 319.0 -5707.5

短肢剪力墙且按无翼缘或无端柱，限值再降低0.1

( 13) 59 L= 3.300 B,H= 300. 2000. NC,NG,NGH=25 1 1 IEW= 1 MUSV=0.0030 Un/Unmax= 0.58/ 0.40 N= -4161.4 Icom= 26 短肢剪力墙抗震等级提高 As/Asvs Ps(%) Ierr Igz Icom M/Q N BOT As 2700.000 0.450 0 1 1 0.1 -4820.7 Asv/S 223.103 0.372 0 0 24 848.4 -4970.1 TOP As 2700.000 0.450 0 1 1 0.3 -4820.7

Asv/S 223.103 0.372 0 0 24 848.4 -4970.1

4 工程实例

某短肢剪力墙结构体系。总层数25层，有1层地下室，可分7个结构标准层和3个荷载标准层。7度设防，3级抗震等级。下图是用SpaSCAD显示的实体模型。

某短肢剪力墙结构体系的实体模型图

用SATWE计算后，

①从WV02Q.OUT文件中可查到

**********************************************************************

框架柱及短肢墙地震倾覆弯矩百分比

**********************************************************************

柱及短肢墙倾覆弯矩 墙倾覆弯矩 柱及短肢墙倾覆弯矩百分比 X向地震: 275505.2 257858.1 51.65% 超限 Y向地震: 134361.4 347349.2 27.% 满足

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从上述结果可见，X向地震作用下柱及短肢墙倾覆力矩超过了结构总底部地震倾覆力矩的50%。这不能满足短肢剪力墙结构的必要条件，所以这结构是高规不允许的。用户应减少X向的短肢墙肢。

②从配筋文件WPJ*.OUT中可见短肢墙肢的抗震等级提高一级以及其它的抗震加强措施。

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专题八 多塔楼、错层及设缝结构的分析

1 概述

近年来，随着经济的发展和建筑技术的进步，我国多塔楼结构、错层结构、以及设缝结构越来越多。在全面应用CAD软件进行辅助设计并广泛应用新设计规范的今天，如何对这些结构进行分析与设计，是广大设计人员最关心的问题之一。本文从规范的有关规定、计算模型选取、软件的具体实现、应用注意事项等多方面介绍了这类结构的设计计算方法，供设计人员参考。

2 多塔楼结构的设计

2.1 针对多塔结构的有关规定

《高规》第10.6节对多塔楼结构的平立面布置、抗震设计构造等都给出了明确要求。关于结构布置，第10.6.1条规定多塔楼结构各塔楼的层数、平面和刚度宜接近，塔楼对底盘宜对称布置，塔楼结构与底盘结构质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%；第10.6.2条规定抗震设计时，转换层不宜设置在底盘屋面的上层塔楼内，否则应采取有效抗震措施。

关于底盘屋面楼板，第10.6.3条规定底盘屋面楼板厚度不宜小于150mm，应加强配筋构造，底盘屋面上、下层结构的楼板也应加强构造措施。当底盘屋面为结构转换层时，还应符合第10.2.30条规定：楼板厚度不应小于180mm，应双层双向配筋，且每层每方向的配筋率不宜小于0.25%，楼板中的钢筋应锚固在边梁或墙体内；落地剪力墙和筒体外围的楼板不宜开洞。楼板边缘和较大洞口周边应设置边梁，其宽度不宜小于板厚的2倍，纵向配筋率不应小于1.0%。钢筋接头宜采用机械连接或焊接。与转换层相邻楼层的楼板也应适当加强。

关于梁、柱、墙，第10.2.30条规定抗震设计时，多塔楼之间裙房连接体的屋面梁应加强，塔楼中与裙房连接体相连的外围柱、剪力墙，从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内，柱纵向钢筋的最小配筋率宜适当提高，柱箍筋宜在裙楼屋面上、下层的范围内全高加密，剪力墙宜按第7.2.16条规定设置约束边缘构件。

裙房的抗震等级与裙房和主楼的连接方式有关。《抗震规范》第6.1.3条第2款规定，当裙房与主楼相接时，裙房的抗震等级除应按裙房本身确定外，还不应低于主楼的抗震等级，主楼结构在裙房顶层及相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施；当裙房与主楼脱离时，应按裙房本身确定抗震等级。 2.2 多塔结构的特点

多塔楼结构具有两个突出特点，其一是每个塔楼都有的迎风面，在计算风荷载时，不考虑各塔楼的相互影响；其二是每个塔楼都有的变形，各塔楼的变形仅与塔楼本身因素、与底盘的连接关系和底盘的受力特性有关，各塔楼之间没有直接影响，但都通过底盘间接影响其它塔楼。

在工程应用中，我们经常采用―刚性楼板‖假定。―刚性楼板‖和塔楼之间既有区别，又有联系，每块―刚性楼板‖有的变形，但不一定有的迎风面，只有在某个塔楼范围内全部采用―刚性楼板‖假定时，该塔楼在该层所承受的风荷载与该块―刚性楼板‖所承受的风荷载相同。此外，―塔楼‖和―刚性楼板‖之间不存在一一对应关系，一个塔楼中可以有一块或多块

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刚性楼板，也可以没有刚性楼板（没有楼板或定义成弹性楼板）。 2.3 多塔结构计算模型

对于多塔楼结构，通常采用的计算模型有两种，其一是将各塔楼离散开，分别计算，可以称之为“离散模型”，其二是把各塔楼连同底盘综合在一起，作为一个结构整体参加计算，可以称之为“整体模型”。这两种模型的程序实现及应用注意事项如下。 （1）位移比、周期比控制计算模型

《高规》第4.3.5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地震作用下，楼层竖向构件的最大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、混合结构高层建筑，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，及复杂高层建筑不应大于0.85。

位移比控制要求在“刚性楼板”假定条件下计算。位移比控制计算应考虑各塔楼之间的相互影响，应将各塔楼连同底盘作为一个完整的系统进行分析，即采用“整体模型”，每层每个塔为一块刚性楼板，同一层各塔楼的刚性楼板相互。针对每层每个塔分别统计竖向构件的最大水平位移和层间位移、最小水平位移和层间位移，然后计算每层每个塔的平均水平位移和平均层间位移，最后计算每层每个塔的最大水平位移与平均水平位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值。

周期比控制也要求在“刚性楼板”假定条件下计算。在周期比计算中涉及到每个振型的平动因子和扭转因子计算，从理论上讲，也应该采用整体模型，但在目前条件下，平动因子和扭转因子计算只能针对非多塔楼结构进行，所以，对于多塔结构，目前只能人为地近似分割成一个个单塔结构，即采用“离散模型”。对每个分割开的单塔结构按“刚性楼板”假定进行分析并判断周期比。

周期比控制计算和位移比控制计算虽然都要求在刚性楼板假定条件下进行，但上述建议的计算模型不同，其原因是目前没有计算多塔情况下每个振型的平动因子和扭转因子的方法，在周期比控制计算中只好暂时近似地采用离散模型，其直接结果是增加了设计人员的计算工作量。为了提高效率，作为近似估算，在方案阶段位移比控制计算也可采用离散模型，与周期比控制计算相同，这样通过一次模型近似离散和一次计算，就可以同时近似得到周期比控制计算结果和位移比控制计算结果。当然这是暂时的建议，待条件成熟，有了计算多塔情况下每个振型的平动因子和扭转因子的方法时，可以都采用刚性楼板条件下的整体模型。 （2）构件内力计算模型

在构件内力分析和截面设计计算中，要尽可能按照结构的真实情况进行结构分析。《抗震规范》第3.4.3条第1款的第2项规定，凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时，尚应计及扭转影响。《高规》第4.3.6条规定，当楼板平面比较长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。

按照上述规定，在构件内力分析和截面设计计算中，要尽量真实地考虑结构系统的特性。对于多塔结构，应将各塔楼连同底盘作为一个完整的系统进行分析，即采用 “整体模型”，同时，楼板也应根据具体情况需要，采用合适的假定。这样，可以比较真实地考虑各塔楼对底盘的影响、底盘对各塔楼影响、已及各塔楼通过底盘对其它塔楼的影响，这与周期比和位移比控制计算时采用的模型有很大区别。

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2.4 多塔结构补充定义

软件提供一项补充输入菜单，通过这项菜单，可补充定义结构的多塔信息。对于一个非多塔结构，可跳过此项菜单，直接执行“生成SATWE数据文件”菜单，程序隐含规定该工程为非多塔结构。对于多塔结构，一旦执行过本项菜单，补充输入的多塔信息将被存放在硬盘当前目录名为SAT_TOW.PM的文件中，以后再启动SATWE的前处理文件时，程序会自动读入以前定义的多塔信息。若想取消已经对一个工程做出的补充定义，可简单地将SAT_TOW.PM文件删掉。SAT_TOW.PM文件中的信息与PMCAD的第1项菜单密切相关，若经PMCAD的第1项菜单对一个工程的某一标准层布置作过修改，则应相应地修改(或复核一下)补充定义的多塔信息，其它标准层的多塔信息不变。

点取“多塔结构补充定义”菜单后，程序在屏幕上绘出结构首层平面简图。若以前执行过“多塔结构补充定义”菜单，则程序会提问：“是否保留以前定义的多塔信息(是/［Enter］/否［Esc］)?”，若按［Enter］键则把以前补充输入的多塔信息保留下来，若按［Esc］键，则把以前补充输入的多塔信息删除掉。

“多塔结构补充定义”的子菜单如下：

（1） 换层显示

点取这项菜单后，程序会在右侧菜单区显示如下菜单，右侧菜单区的每一项都有3个数，这三个数分别为结构的层号、该层所属的几何标准层号和荷载标准层号，按［Esc］键可退出这项菜单，若选取某一层，则程序会显示该层的简图。

（2） 多塔定义

通过这项菜单可定义多塔信息，点取这项菜单后，程序要求用户在提示区输入定义多塔的起始层号、终止层号和塔数，然后程序要求用户以闭合折线围区的方法依次指定各塔的范围。建议以最高的塔命名为一号塔，次之为二号塔，依此类推。依次指定完各塔的范围后，程序再次让用户确认多塔定义是否正确，若正确可按［ENTER］键，否则可按［Esc］键，再重新定义多塔。对于一个复杂工程，立面可能变化较大，可多次反复执行“多塔定义”菜单，没次可以定义一层，也可以定义多层，直至完成整个结构的多塔定义。

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（3） 多塔立面

通过这项菜单可显示多塔结构各塔的关联简图，还可显示或修改各塔的有关参数，其1～6项子菜单的功能是显示各层各塔的层高、梁、柱、墙和楼板的砼标号以及钢构件的钢号。通过第7项菜单可修改上述参数，这样可实现不同的楼层、不同的塔楼有各自不同的层高和不同的砼标号。

（4） 多塔平面

通过这项菜单，可复核各层多塔定义是否正确。 2.5 程序实现

（1） 在风荷载导算中，根据多塔信息搜索每个塔楼的X、Y方向迎风面，对每个塔楼分

别计算其相应的风荷载；

（2） 在考虑偶然偏心的地震作用计算中，每个塔楼的质量偏移值取垂直于地震作用方向

的该塔楼总长度的5%；

（3） （4） （5） （6）

在质心坐标计算中，根据多塔信息分别计算各塔楼的质心坐标； 在层刚度比计算中，根据多塔信息分别计算各塔楼的层刚度比；

在风和地震作用剪力、倾覆弯矩计算中，对每层每各塔楼分别统计； 在楼层最大位移和最小位移比计算中，对每层每各塔楼分别统计；

（7） 上述计算结果都按每层每个塔楼分别输出。

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2.6 应用注意事项

（1） 在多塔定义过程中，围区定义操作要特别注意，各塔楼的围区范围线框可以重叠，但一个构件不能同时属于两个塔楼，同时也不允许有的构件不属于任何一个塔楼。

（2） 对于一个多塔楼结构，如果没给出多塔定义，则程序按非塔楼结构进行计算，此时，

结构的周期、不考虑偶然偏心的地震力、以及恒活荷载作用下的内力和相应位移都是正确的，但风荷载及相应的位移不对，可能偏大，也可能偏小。平动周期和扭转周期判断、楼层最大位移和最小位移比、以及楼层刚度比也不对。

（3） 采用“整体模型”将各塔楼连同底盘作为一个完整的系统进行分析，所得的结构周

期是整个结构系统的周期，一般情况下难以区分到底是哪个塔楼的周期。而周期比和位移比控制计算时，采用“离散模型”将各塔楼分割开分别计算所得的周期，可以近似认为是每个塔楼的周期。

3 错层结构设计

3.1 针对错层结构的有关规定

《高规》第10.4节对错层结构的平立面布置、抗震设计构造等都给出了明确要求。 关于结构布置，第10.4.1条规定，抗震设计时高层建筑宜避免错层。当房屋不同部位因功能不同而使楼层错层时，宜采用防震缝划分为的结构单元。第10.4.2条规定，错层两侧宜采用结构布置和侧移刚度相近的结构体系。

关于计算模型，第10.4.3条规定，错层结构中，错开的楼层应各自参加结构整体计算，不应归并为一层计算。

关于错层柱、墙构造，第10.4.4条规定，错层处框架柱的截面高度不应小于600mm，混凝土强度等级不应低于C30，抗震等级应提高一级采用，箍筋应全柱段加密。第10.4.5条规定，错层处平面外受力的剪力墙，其截面厚度，非抗震设计时不应小于200mm，抗震设计时不应小于250mm，并均应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱；抗震等级应提高一级采用。错层混凝土强度等级不应低于C30，水平和竖向分布钢筋的配筋率，非抗震设计时不应低于0.3%，抗震设计时不应低于0.5%。 3.2 错层结构的模型输入

当错层高度不大于框架梁的截面高度时，一般可以近似地忽略错层因素影响，可以归并为同一楼层参加结构计算，这一楼层的标高可近似取两部分楼面标高的平均值；当错层高度大于框架梁的截面高度时，各部分楼板应作为楼层参加整体计算，不宜归并为一层，此时每一个错层部分都应视为楼层。计算模型输入规则如下： （1） 对于框架错层结构，在PMCAD数据输入中，可通过给定梁两端节点高，来实现错层梁或斜梁的布置，SATWE前处理菜单会自动处理梁柱在不同高度的相交问题。 （2） 对于剪力墙错层结构，在PMCAD数据输入中，结构层的划分原则是“以楼板为界”，如图右所示，底盘错层部分(图中画虚线的部分)被人为地分开，这样，底盘虽然只有两层，但要按三层输入。

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（3） 对于图中底盘以上的双塔部分，可采取两种方式处理，其一是按错层处理，但按错

层处理工作量大，效率低。其二是利用SATWE的多塔楼功能，由于在SATWE的数据结构中，多塔结构允许同一层的各塔有其自己的层高，所以，可按非错层结构输入，结构层的划分如图所示，只是在“多塔、错层定义”时要给各塔赋予不同的层高。这样数据输入效率和计算效率都很高。

3.3错层结构的特点与程序实现

错层结构的突出特点是在同一楼层平面内，部分区域有楼板，部分区域没楼板，在没有楼板的区域内，有些竖向构件（柱、墙）可能与梁连接，也可能是越层构件。在该区域内构件的内力和位移与楼板无关。

SATWE软件自动将错层构件在楼层平面内的节点设为的弹性节点，不受楼板计算假定，因而能更真实地反应结构的实际受力状态。对于错层结构，程序判断柱和墙是否越层的原则是：既不和梁相连，又不和楼板相连。程序自动按上述原则搜索出越层信息，无需用户交互操作。

错层处框架柱和平面外受力的剪力墙，其抗震等级的提高需要设计人员交互定义，程序没有自动处理。

在错层结构设计计算中，越层柱的计算长度系数计算应受到足够重视。有些柱两个方向的计算长度不同，而且程序STAWE、TAT有越层柱搜索功能，计算结果确保在越层范围内越层柱每个截面的计算长度相同。 3.4 应用注意事项

在错层结构的数据输入中，一定要注意，错层部分若没有楼板，切不可人为地输入假想的楼板，否则将影响软件的搜索规则，影响柱的计算长度。

4 设“缝”结构的设计

4.1 有关规定

这里所说的“缝”主要指伸缩缝、沉降缝和防震缝。伸缩缝是为了防止超长结构因混凝土干燥收缩和热胀冷缩而导致可能的开裂所采取的一种措施。《混凝土结构设计规范》第9.1.1条规定了各类钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距。沉降缝的作用是防止地基不均匀沉降时可能造成破坏所采取的一种措施。在沉降缝处上部结构应连同基础一起断开，缝内一般不填充材料。当必须填充时，应防止缝两侧因结构内倾而相互挤压影响沉降效果。《基础设计规范》对建筑物沉降缝的设置位置和房屋沉降缝的宽度都给出了具体规定。对于防震缝，《抗震规范》第3.4.5条规定，体形复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较为规则的抗侧力结构单元。《高规》第4.3.9条规定，高层建筑宜调整平面形状和结构布置，避免结构不规则，不设防震缝。当建筑平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较规则的结构时，宜设置防震缝将其划分成较为简单的几个结构单元。需要设置防震缝时，防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差等具体情况，留有足够的宽度，其两侧的上部结构应完全分开。《高规》第4.3.10条和《抗震规范》第6.1.4条对防震缝的宽度和防震缝两侧结构布置给出了具体规定。

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4.2 结构特点

仅就上部结构而言，“缝”将结构划分成几个较为规则的抗侧力结构单元，各结构单元之间完全分开。所以，各结构单元有的变形，若忽略基础变形的影响，各单元之间相对。这一点与多塔楼结构不同，多塔楼结构的各塔通过底盘相互发生影响。

由于缝的宽度不是很大，在风荷载作用下，各结构单元的迎风面与多塔楼的迎风面不同，缝隙面不是迎风面。 4.3 计算模型与程序实现

对于设缝结构，通常采用的计算模型有两种，其一是将各结构单元离散开，分别计算，可以称之为“离散模型”;其二是把各结构单元综合在一起，作为一个结构整体参加计算，可以称之为“整体模型”。对于这两种模型的程序实现及应用注意事项如下。 （1）离散模型

仅就上部结构而言，任何设缝结构都可以采用离散模型对每个结构单元逐一进行设计计算。此时，除与风荷载有关的计算结果外，其它所有结果都是对的。这是因为在计算风荷载作用时，程序把缝所在的面也作为迎风面，该方向的风荷载计算值偏大。在具体工程设计中，若不是风荷载控制，可以不用做特殊处理，设计结果略保守一点，一般可以接受；若风荷载是控制作用，而直接采用设计结果，可能过于保守，此时可以交互修改该方向的风荷载值，使之与工程实际相符。在按照《高规》第4.3.5条规定验算周期比时，在目前条件下一定要采用离散模型的分析结果。

采用离散模型也有其不便之处，在绘制平面施工图时，不便于整个楼层绘制，只能手工拼图；在绘制梁柱施工图时，无法自动完成整层或全楼归并；在传递基础设计荷载时，不能同时传递整个上部结构的荷载。

（2）整体模型

在采用整体模型时，要把每个结构单元定义成多塔楼，程序采用多塔楼结构计算模型进行设计计算。此时，要注意的有两点：一是计算振型数要取得足够多，使整个结构系统的有效质量系数在90%以上；二是风荷载偏大，其原因与处理方法与采用“离散模型”的相同。采用整体模型的计算结果除“周期比”验算指标外都是对的。

与离散模型相反，采用整体模型时，在绘制平面施工图、梁柱施工图，以及传递基础设计荷载时都比较方便。

5 结构顶部小塔楼的设计

在多、高层建筑的顶部，经常有突出屋面的电梯间、水箱间等高度较小的小塔楼，在广播、通讯、电力调度等高层建筑顶部，常设有细高的塔楼，这些塔楼的高度可能超过主体建筑的1/4，而且层数可能也较多。对于这类结构，《抗震规范》第5.2.4条规定，采用基底剪力法时，突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟筒等的地震作用效应，宜乘以增大系数3，此增大系数不应往下传递，但与该突出部分相连的构件应予计入；采用振型分解法时，突出屋面部分可以作为一个质点。《高规》第3.3.10和3.3.11条建议，小塔楼宜每层作为一个质点参与计算。

按照上述规定，在结构建模时应将小塔楼作为结构的一部分输入，在采用振型分解法计算地震作用时，计算振型数应适当多取一些，使有效质量系数在90%以上，此时计算的地震作用无需再放大。

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程序设计参数中的“顶塔楼地震力放大起算层号”和“放大系数”两参数的隐含值都为零，一般情况下都不用修改，即不放大顶塔楼的地震作用。只要特殊工程需要额外放大时，才需要修改上述两参数。

6 结束语

本文叙述的软件实现方法、选取计算模型的建议等都是笔者一人之所见，仅供参考。希望能起到抛砖引玉作用，不足之处，敬请审正。

7 参考文献

[1] 建筑抗震设计规范 GB50011-2001，中国建筑工业出版社，2001，北京。 [2] 混凝土结构设计规范，GB50010-2002，中国建筑工业出版社，2002，北京。 [3] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002，中国建筑工业出版社，2002，北京。 [4] 龚思礼，建筑抗震设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，2002，北京。 [5] 李国胜，高层钢筋混凝土结构设计手册（第二版），中国建筑工业出版社，2003，北京。 [6] 混凝土结构构造手册（第三版），中国建筑工业出版社，2003，北京。

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专题九 多高层结构的弹塑性分析

“三水准抗震设防，两阶段抗震设计”是我国现阶段的基本抗震设计思想。与“大震不倒”的第三水准设防目标相对应，需要对建筑结构进行第二阶段的抗震设计，即需要对一些规范所规定的建筑结构进行罕遇地震作用下的弹塑性阶段变形验算。

1 结构弹塑性分析的规范要求

目前主要有三本现行规范涉及到罕遇地震作用下的弹塑性阶段设计： 1、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001） 2、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2002） 3、《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）

这几本规范中对于弹塑性阶段设计均有着较为明确的规定，例如《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）第3.4.3条、第3.6.2条、第5.1.2条、第5.5.2条、第5.5.3条、第5.5.4条、第5.5.5条中均涉及到了罕遇地震作用下的弹塑性阶段变形验算。

“抗震规范”第3.6.2条规定：“不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构，应按本规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。”

“抗震规范”第5.5.2条规定何种结构了“应”或“宜”进行罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算。

1 下列结构应进行弹塑性变形验算：

（1）8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架； （2）7～9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构；

注：“楼层屈服强度系数”参见SATWE计算结果文件SAT-K.OUT （3）高度大于150米的钢结构；

（4）甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构； （5）采用隔震和消能减震设计的结构。 2 下列结构宜进行弹塑性变形验算：

（1）（规范中）表5.1.2-1所列高度范围且属于表3.4.2-2所列竖向不规则类型的高层建筑结构；

（2）7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构；

（3）板柱—抗震墙结构和底部框架砖房； （4）高度不大于150m的高层钢结构。

对于罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算的方法，抗震规范5.5.3条给出了明确规定：不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架结构、单层钢筋混凝土柱厂房可采用简化分析方法；除此以外的其他建筑结构，均可采用弹塑性时程分析方法或静力弹塑性（推覆）分析方法。

可见对于大量的已建、在建和拟建的建筑结构，尤其是高层、超高层建筑结构，进行弹塑性阶段抗震分析是十分必要的。

2 弹塑性分析软件EPDA&EPSA简介

目前，设计人员可用于建筑结构弹塑性分析的计算工具是十分有限的，所以一般只能选

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用通用有限元分析软件来进行结构的弹塑性计算。通用有限元软件有其自身的优势，如计算功能强大、计算性能相对稳定，用于特别重要结构的分析还是可以考虑的，但对于大多数建筑结构的设计、校核而言还是显得过于复杂，而且对于一些建筑结构所特有的复杂性而言，通用有限元软件未必能够做到简单、适用、可靠。

经过几年的努力，中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部在原有的线弹性分析程序的基础上，对建筑结构弹塑性分析软件进行了探索研究，适应规范要求推出了建筑结构弹塑性动力、静力分析软件EPDA&EPSA。目前的EPDA&EPSA软件提供了两种空间模型弹塑性分析方法，一种是弹塑性动力时程分析方法EPDA（Elastic and Plastic Time-history Dynamic Analysis）；另一种是弹塑性静力分析方法EPSA（Elastic and Plastic Static Analysis），即通常所说的静力推覆分析方法（Push-Over Analysis）。

EPDA&EPSA程序具备如下特点：

（1）完全空间化的计算模型。EPDA&EPSA程序是完全基于空间模型而设计的，

尽量做到计算模型能够真实地模拟结构的实际受力状态，最大限度地避免了计算模型所带来的计算误差。

（2）前、后处理功能强，自动读取PMCAD的几何信息、荷载信息，SATWE、TAT、

PMSAP软件模块的设计分析结果，对钢筋砼构件，自动读取计算配筋，用户可以交互修改生成实配钢筋；充分利用了PKPM系列软件的CFG图形操作功能。

（3）EPDA&EPSA程序不但提供了弹塑性时程分析功能，而且提供了静力弹塑性

分析功能。一些渐趋成熟的罕遇地震分析方法和近年来成为研究热点的罕遇地震分析方法均得到一定程度的体现。

（4）EPDA&EPSA程序所提供的材料本构关系力求做到准确和符合中国规范。钢材的本构关系采用双折线的弹塑性本构关系，用户可以自由控制塑性阶段的杨氏模量折减。混凝土的本构关系给出了双折线和三折线两种形式，可以考虑材料的受拉开裂、裂缝闭合、压碎退出工作等混凝土材料所特有的复杂特性；其中的三折线滞回本构关系是按照我国现行混凝土规范采用等能量方法得到的，有着较高的拟合精度。

（5）EPDA&EPSA程序采用了目前阶段可以使用的较为先进的梁单元模型。梁、

柱、支撑等一维构件采用纤维束模型模拟，纤维束模型的适用性好，不受截面形式和材料，被认为是一种较为精确的杆系有限单元模型。EPDA&EPSA程序中通过综合提高程序计算效率，较好的避免了该模型计算工作量大的问题；同时，程序中给出了直观的杆系单元端部塑性铰判断方法。

（6）剪力墙的弹塑性性质模拟是混凝土结构弹塑性分析的难题。EPDA&EPSA程

序将SATWE、TAT、PMSAP程序中使用的的弹性墙单元进行了推广，考虑其弹塑性性质，使用弹塑性墙单元来模拟剪力墙的弹塑性性质。这种单元计算效率高，精度好，可以较真实地分析和显示剪力墙的弹塑性状态，相对于一些简化的墙单元弹塑性性质考虑方法有着明显的优势。

（7）为了提高程序的计算效率，EPDA&EPSA程序的线性方程组解法在给出了通常的LDLT解法的同时，还给出了波前法和两种较为高效的有预处理功能的共轭斜量法（PCG）解法，用于结构的静、动力弹塑性分析，使得程序的求解效率明显提高。

（8）弹塑性时程分析时的动力微分方程组解法给出了Newmark-β法和Wilson-θ法两种直接积分方法；非线性方程组的解法采用增量法与Newton-Raphson或modified

Newton-Raphson方法相结合。

（9）静力弹塑性分析程序EPSA可以很好的解决病态方程的求解问题，程序可以计

算到荷载——位移曲线的下降段。

（10）EPDA&EPSA程序可以考虑P-Δ效应影响。

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3 弹塑性动力分析软件EPDA功能实现

EPDA程序不需要任何附加的建模工作，就可以从SATWE、TAT、PMSAP程序继承得到弹塑性分析模型。用户只需确定且输入相关的弹塑性分析参数就可以进行结构的弹塑性分析。

弹塑性动力分析程序EPDA的参数选择的对话框如图1所示，从中用户可以看出EPDA程序的基本功能。在此将主要参数进行如下说明，详细的参数讲解见EPDA&EPSA用户手册。

从图1中可以看出，需要用户干预的参数包括六个部分：

（1）地震波相关参数

点击“选择地震波”按钮时，程序弹出“选择地震波”对话框，用户可以根据实际情况选取需要计算的地震波及相关参数。

（2）结构模型相关参数 “起始计算楼层”：有些结构存在着大底盘裙房或地下室，当用户确认这些结构对上部结构有较大的嵌固作用并基本上保持弹性状态时，可以通过输入起始计算楼层来去掉这些楼层，减小计算工作量。

图1 EPDA参数选择对话框

“终止计算楼层”：有些结构的顶部存在着小塔楼、桅杆等结构，用户可以通过输入去掉这些附属结构，避免计算时出现弹塑性发展严重，程序计算难以收敛情况。

（3）材料本构关系参数

EPDA动力弹塑性时程分析中给出了混凝土和钢材（钢筋）两种材料的滞回本构关系，其中钢的本构关系采用了双线性的本构关系；混凝土给出了双线性和三线性两种本构关系。

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“混凝土本构关系类型”：用户可以选择“双线性模型”和“三线性模型”两种混凝土本构关系。

（4）过程显示参数 “结构模型显示方式”：由于EPDA的计算时间较长，所以程序提供了三种过程显示方式，包括“显示地震波进程”，“显示结构空间动画”和“显示楼层平均位移”。 “位移放大倍数”：在选择“显示结构空间动画”和“显示楼层平均位移”时的结构位移放大倍数。由于程序中的位移量纲是“米”，所以需要将位移放大一定的倍数才能清楚的看到结构的变形状态。当用户选择的放大倍数不合适时，可能造成显示的结果异常，比如多塔结构相互嵌入，剪力墙交叉扭曲等情况，此时将放大倍数减小即可正常显示。

“塑性铰判断方法”：目前软件中只给出了“弹性积分点比例”判断杆系构件的塑性铰的方法。该方法是按照构件截面的积分点仍然保持弹性的比例来判断构件的端部是否出现塑性铰。

“塑性铰判断参数”：该参数与“塑性铰判断方法”相对应，填入0.0～1.0之间的一个数值，缺省值为0.3。当通过“弹性积分点比例”判断塑性铰时，如果填入“0.3”表示“只有不大于30％的端截面积分点保持弹性时就认为该端截面出现了塑性铰”。

“显示所有曾出现过塑性铰位置”：结构中的杆系构件在某一时间步之前可能曾经出现过塑性铰，如果希望显示在改时间步之前所有出现塑性铰的位置，选择“是”。此时曾出现塑性铰的位置用黄颜色表示，当前时间步的塑性铰用红颜色表示。

（5）计算相关参数 “结构始终保持弹性状态”：如果选择“是”，则不考虑钢和混凝土材料的弹塑性性质，将结构强制在弹性状态；如果选择“否”，则考虑钢和混凝土材料的弹塑性性质。通过更改此参数，用户可以实现弹性时程分析与弹塑性时程分析的转换。用户还可以将EPDA程序的弹性时程分析结果与PKPM系列的SATWE、TAT、PMSAP中含有的弹性动力分析程序的计算结果进行对照，确保EPDA程序分析可靠（需注意的是，使用不同软件进行弹性分析对比时，所采用的地震波峰值加速度应该保持一致）。 “首先计算竖向荷载作用”：当首先将已有的竖向荷载作用于结构，然后才进行地震波时程分析时，选择“是”；当不计算竖向荷载作用，直接进行地震波时程分析时，选择“否”。 “竖向荷载加载步数”：该参数指定了施加竖向荷载的细分步数。通常的结构由于竖向荷载不大，该参数取“1”即可；但当竖向荷载作用下结构会发展较大的弹塑性变形时，应作适当细分，增加加载步数，防止计算不收敛情况。仅当“首先计算竖向荷载作用”时该参数起作用。

“考虑P-Δ效应影响”：当结构比较“高”、“柔”时，尤其是高层钢结构建筑考虑P-Δ效应影响。EPDA程序中考虑P-Δ效应的方法说明详见技术条件。 “最大层间位移角限值”： EPDA程序计算结束的判定条件。当填入“0.05”时，表示当计算的层间位移角大于“1/20”时程序自动退出，不再继续计算。 “线性方程组解法”：目前程序提供了“LDLT解法”、“PCG解法1”、“PCG解法2”等三种线性方程组求解方法，缺省的解法为PCG解法1。目前“LDLT解法”没有进行分块求解，所有只能用于自由度数较少的结构，而且其计算速度要明显慢于后两种方法，建议用户采用后两种方法进行计算。

“动力微分方程组解法”：目前程序提供给用户两种求解动力微分方程组的方法，Wilson-θ法和Newmark-β法。这两种方法的计算结果差别不大，用户可根据需要选择。 “非线性方程组解法”：程序提供了两种求解非线性方程组的迭代方法，Newton-Raphson迭代和modified Newton-Raphson迭代。这两种方法的迭代次数和适用条件是不同的。对于混凝土结构一般建议采用Newton-Raphson迭代进行计算。

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“非线性迭代步数限值”：该限值规定了非线性迭代的最多次数。当达到该步数限值时，如果还没有收敛，需要缩短步长进行计算。该值不宜取的过大，“10”左右比较合适，否则会明显增加计算时间。

“非线性迭代收敛精度”：EPDA程序衡量非线性迭代是否收敛的依据是“不平衡力向量范数”，缺省值为0.01。一般认为0.01～0.001左右的精度是可以满足工程要求的。该值不宜取的过小，否则程序将难以收敛。

（6）后处理参数

当用户点击“后处理参数选择”按钮时，将进入“后处理相关输出选项”对话框。用户可以在此选择后处理需要输出的计算结果内容。

EPDA程序可以在计算过程中实时显示结构的变形和弹塑性发展状态，如图2所示。

图2 EPDA空间模型动画显示图

弹塑性动力分析完成后，用户可以通过菜单《③查看弹塑性动力时程分析结果》以图形和文本等方式了解结构的弹塑性动力分析结果，如图3所示。

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图3 EPDA后处理主菜单

用户比较关心的最大楼层层间位移角分布如图4所示。

图4 EPDA楼层最大层间位移角响应图

结构在地震波作用过程中的塑性发展情况可以通过平面、空间、三维动画等多种显

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示方法查看。图5所示为结构某一楼层的墙体裂缝和杆系塑性铰分布情况。

图5 EPDA结构弹塑性状态显示界面

4 弹塑性静力分析软件EPSA功能实现

弹塑性静力分析软件EPSA集成了近年来静力推覆分析的一些科研成果，具有较强的分析能力和可参考性。其输入参数如图6所示。

图6 EPSA控制参数交互输入菜单

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图中主要参数含义如下：

（1）侧推荷载

荷载类型：有倒三角形和矩形两种选择，通常可以选择倒三角形。

基底剪力与总重量的比值：通过该参数定义侧向荷载的总和，比如填0.5意思是侧向荷载总量最大可以施加到50%的结构总重量大小。

荷载方向与X轴的夹角：一次静力弹塑性分析只在一个方向上施加侧向荷载，其作用正向以与X轴正向的夹角来表示。单位取度。

（2）走步控制

要求用户输入走步控制参数如下：

从头运行和接力运行：本程序具有中途停机和中途启动功能。

控制方法：程序允许三种控制方法，分别叫做“球面弧长法1”、“球面弧长法2”和“柱面弧长法”，它们各有特点，但在多数情况下，这三种控制方法效果相似。如果采用某一种控制方法出现难以收敛的情况，可以换用另一种方法。

迭代方法：对于每个增量步中的迭代方案，我们提供了两种选择，它们分别是完全的牛顿—拉弗逊方法（FNR）和修正的牛顿—拉弗逊方法（MNR），前者速度较慢但很稳定，后者速度快但稳定性不如前者。建议用户选用FNR方法。

（3）材料参数调整

砼剪切本构曲线下降段的长度：该参数为相对值。缺省值为1.0。用以调整混凝土的剪切延性。

（4）收敛判据

程序在每一个增量步中都需要通过迭代改进解的精度，那么解的精度到什么程度才算满意呢？原则上这需要用户来决定。本程序提供了四类迭代收敛判定参数供用户干预。 （5）中途停机控制

对于大规模的问题，从初始加载到结构破坏，可能花费很多机时。在进行静力弹塑性分析时，开始往往先要通过试算调节走步控制参数，这时可以先算几步看看，通过输入“中途停机最多增量步”，可以控制中途停机。

（6）停机控制

建筑物的顶层侧向位移达到一定的程度，就认为已经破坏，静力弹塑性-分析即可终止，这里需要用户输入X、Y两个方向的最大侧移限值，单位是米。

（7）竖向荷载

这里允许用户通过修改竖向荷载调整系数对竖向静力荷载进行调整。

EPSA计算完成后，用户也可以通过菜单《⑤查看弹塑性静力分析结果》以图形和文本等方式了解结构的弹塑性静力分析结果，如图7所示。

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图7 EPSA图形后处理主菜单

EPSA程序得到的结构弹塑性状态图形显示如图8所示。

图8 EPSA梁柱端部的塑性铰图

EPSA程序得到的结构抗倒塌验算结果如图9所示。通过该图用户可以了解到结构的抗震能力和需求层间位移角。

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图9 EPSA 抗倒塌验算图

5 如何有效地使用弹塑性分析软件EPDA&EPSA

考虑到建筑结构设计人员对弹塑性分析概念的了解程度，在EPDA&EPSA程序的开发过程中，开发者在做到计算模型合理、计算方法可靠的同时，尽量减少用户的干预工作量，使得用户可以较为顺利的完成弹塑性分析工作。在使用EPDA&EPSA计算完成后，用户如何有效、合理的利用程序的计算结果是十分重要的。这里进行一些必要的强调。

弹塑性分析的目的是了解结构的弹塑性性能，得到结构在罕遇地震下的抗倒塌能力。 我国现行规范中规定的弹塑性阶段设计主要是指弹塑性阶段的变形验算，也就是说需要将计算（如利用EPDA或EPSA程序）得到的结构在罕遇地震作用下最大层间位移角与规范所规定的层间位移角限值进行比较，满足限值要求则通过弹塑性阶段的变形验算。

EPDA程序得到罕遇地震作用下最大层间位移角的方法如下：

（1）选择多条天然地震波或人工地震波。

通过计算得到每条地震波作用下各个结构楼层的平均和最大层间位移角，进而得到

多条地震波的平均层间位移角均值。

确定结构的薄弱楼层，得到多条地震波作用下的楼层平均层间位移角均值。 将薄弱楼层的层间位移角均值与规范限值进行比较，确定是否满足规范要求。 “抗震规范”中对于弹塑性分析时的地震波选择原则并没有明确规定，我们建议用户参考“抗震规范”5.1.2条的规定选取弹塑性分析时的地震波：“采用时程分析法时，应按建筑场地和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震响应系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。”对于一些结构的弹塑性反应明显较小的地震波，用户应该剔除。

EPSA程序得到罕遇地震作用下最大层间位移角的方法如下：

（2）给定侧推荷载形式，进行静力推覆分析。

使用EPSA程序提供的抗倒塌验算功能得到结构的需求层间位移角。

将需求层间位移角规范限值进行比较，确定是否满足规范要求。

除了进行规范所规定的弹塑性阶段的变形验算以外，用户还可以利用EPDA&EPSA程

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序从以下几个方面来了解结构的弹塑性性能：

（1）确定结构的薄弱层。 薄弱层是一个相对的概念，一个结构并不是只有一个薄弱层，有时有多个或连续几个薄弱层。利用EPDA&EPSA程序可以采用如下的一些原则来确定薄弱层部位：  最大层间位移、最大有害层间位移所在的楼层；    

层间位移、有害层间位移超过规范限值的楼层； 结构构件塑性铰、剪力墙破坏点比较集中的部位； 结构局部变形较大的部位；

结构弹塑性反应力突变的部位。 （2）确定薄弱构件

EPDA程序和EPSA程序均提供了杆件的塑性铰显示和剪力墙的弹塑性状态显示功能。通过这些功能用户可以清楚的了解到结构构件在地震波作用过程中或静力推覆分析过程中结构的弹塑性发展情况，指导用户有选择的加强原结构设计，如增大构件尺寸或增大实配钢筋。

最后，需要强调一下EPDA&EPSA的计算时间问题。前面提到为了尽量符合实际的受力情况，EPDA&EPSA程序采用了空间计算模型，对于实际的高层建筑结构而言，这将使得结构模型达到几万计算自由度。虽然我们从程序的角度采取了很多措施来提高计算效率，但计算一条地震波的时间通常要几个小时，甚至十几个小时的时间。为了提高EPDA&EPSA程序的使用效率，我们对用户提出如下一些建议：

（1）去掉不必要的附属结构、构件。如去掉可以作为上部结构嵌固端的地下室，去

掉对整体结构抵抗地震作用没有太多贡献的挡土墙、次梁、裙房等附属结构，尽量只保留主要的结构抗侧力构件。

（2）应该首先使用EPDA&EPSA程序对结构进行试算，如选择某条地震波中的1～

2秒时间段进行EPDA计算或选择几个加载步进行EPSA计算，在确定计算没有问题后再进行实际计算。通过试算，用户还可以对程序的计算耗时有所了解。

（3）计算前应该详细检查输入参数是否正确，以免计算完成后有反复。

（4）EPDA程序一次计算尽量不要选用太多的地震波，一般应少于3条地震波，最

好是一次只计算一条波，以免耗费较多的计算时间后没有得到任何计算结果。需要强调的是，EPDA一次计算完成后，如果用户需要选择其他的地震波继续计算，需要新建工程目录进行计算，以免原来的计算结果被程序删除。如果硬盘空间较小，可以选择只输出文本文件。 （5）规范中对于所选择地震波的持时是有一定要求的；但是某些地震波，尤其是一

些人造地震波在几十秒的持时中，地震波远离峰值的前后段加速度很小。一些试算表明，将地震波中远离峰值且加速度很小的部分去掉，对于正确得到最大层间位移角没有多大影响。建议将地震波的计算步数保持在1000步左右为宜。

（6）EPSA程序在结构接近承载力极限状态时耗时是较多的，如果用户只是希望得

到需求位移，可以通过参数选择，使得结构的能力曲线穿越需求谱即可。

（7）使用EPDA&EPSA程序计算时，尽量选择较快的计算机在整块的空闲时间（如

晚上）进行；在计算过程中尽量不要在该计算机上进行其他操作；并且应 ‘屏幕保护程序’

选取‘无’且在‘电源管理’中的‘选择电源使用方案’框内的‘关闭监视器’和‘关闭硬盘’项选取‘从不’，以便观察程序进程。

应该说很长时间以来，设计人员进行建筑结构的弹塑性分析只能依赖于通用有限元软件。前面也提到了通用有限元软件有其自身的优势，但对于一些建筑结构所特有的复杂性而言，通用有限元软件未必能够做到简单、适用、可靠。考虑到通用软件存在的不足，我们推

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出的EPDA&EPSA软件特别注重建筑结构的专业特点，做到了使用方便、概念清楚、计算正确。

以前PKPM系列软件只能用简化方法处理不超过12层的纯框架结构的弹塑性变形验算。现在借助于EPDA&EPSA程序，弹塑性变形验算的对象可以扩充到几乎所有的多、高层建筑结构。所以说，EPDA&EPSA程序的推出不仅极大地方便了设计人员进行建筑结构弹塑性变形验算工作，而且加强且深化了他（她）们进行建筑结构弹塑性变形验算工作的能力。

尽管我们付出了很多努力，EPDA&EPSA程序在使用过程中难免还会有各种问题出现，希望用户能够多与我们交流，以使软件逐步走向完善。

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专题十 非荷载作用

温度、收缩、地基不均匀差异沉降是属于变形作用，高规称其为非荷载作用，是客观存在于任一建筑结构的。高层建筑结构由于竖向构件截面较大，竖向构件竖向变形累计较大，结构水平向变形受到的约束较大，其非荷载作用影响较大。从工程结构裂缝控制角度看，裂缝成因可分两大类：荷载引起的和变形作用引起的。根据国内外的调查资料统计，工程实践中结构物的裂缝原因属于由变形作用（温度、收缩、不均匀沉降）引起的约占80%以上，属于由荷载引起的约占20%左右，可见高层建筑结构设计中考虑变形作用的影响是很重要的，不容忽视。若对这种客观存在的作用估计不足，导致设计施工处理不当，导致结构受到损伤或已承受很大内应力，结构的安全度、耐久性、延性及建筑物的正常使用将受到很大影响，不利于抗风、抗震。

但由于种种原因，诸如高层建筑各处的温度场、混凝土收缩、徐变等随时间变化的变量因素还难以直接采用数值准确量化，混凝土收缩、徐变的弹塑性特征使分析处理复杂，所以一般很难准确地计算结构的温度－收缩应力，并且作为设计的依据。因此，高规不要求直接计算非荷载作用，而强调由构造措施来解决。

程序提供了计算温度应力、支座沉降以及设置弹簧支座的功能。设计人员可以通过最不利温差、收缩当量温差或基础支座沉降值来计算结构的温度、收缩或地基不均匀差异沉降产生的效应，得到定量结果数据，从而能较正确地估计温度、收缩或地基差异沉降的影响，有助于设计人员采取相应对策与措施。

1 规范、规程相关规定

高规4.9.3条指出非荷载作用指温度变化、混凝土收缩和徐变、支座沉降等对结构或结构构件的影响。

2 温度应力分析

高层建筑结构不仅平面尺寸大，而且竖向的高度也很大，其竖向构件截面尺寸较大，温度变化和混凝土收缩不仅会产生较大的水平方向的变形和内力，而且也会产生竖向的变形和内力。高层建筑结构的温度变形与应力应该引起设计人员的重视。 2.1 分析情况

高层建筑的温度分析可考虑下列三种情况：

当主体结构完成后，未作内外装修和围护结构，结构全部处于通透状态时的温差造成的内力，属于施工阶段；

外墙围护结构已施工，室内处于自然通风状态时的温差造成的内力，属于正常使用阶段； 外墙围护结构已施工，室内空调恒温状态时的温差造成的内力，属于正常使用阶段； 2.2 构件温差

对于单个构件受到温度变作用表现为两类，分别为内外表面有温差时造成弯曲和内外温差的平均值比构件原始温度高（低）时造成的伸长（缩短）。

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2.3 程序实现

由于高层建筑结构出现的温度变化主要是均匀的普遍温差作用，所以目前程序在温度应力计算中，只考虑到构件的内外温差的平均值比构件原始温度高（低）时造成的伸长（缩短）效应。用户可通过设置节点温差或构件温差来输入结构的温度变化，实现温度应力分析。 2.4 操作步骤

现分别对SATWE、TAT和PMSAP的温度应力计算作如下说明：

 SATWE操作

程序允许两组温度作用，分别表示为第一组、第二组（最高升温、最低降温）的两种工况。

① 进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《3.温度荷载定义》。 ② 进入某自然层号，通过《指定温差》、《捕捉节点》子菜单，用户按节点输入两组温差，完成结构此层的节点温差的设置。 ③ 点取《层号加一》、《层号减一》、《自然层号》 子菜单，逐一完成全楼各层节点温差的设置。也可配合《拷贝前层》、《全楼同温》等操作来做。 ④ 没有设置结构温差的节点，程序自动看成两组温差均为零。

 TAT

程序只能输入一组正温差的温度作用，表示为一组工况。程序计算荷载组合时自动增加一组负温差的温度作用。

① 菜单《2.数据检查和图形检查》→《5.特殊荷载查看和定义》。

② 先用子菜单《选择楼层》或《显示上层》选定某自然层号，再进入《温度荷载》子菜

单。 ③ 通过‘定义’、‘删除’ 条目的操作，用户按构件输入一组正温差，完成结构此层的构

件温差的设置。 ④ 再用子菜单《选择楼层》或《显示上层》，逐一完成全楼各层构件温差的设置。 ⑤ 没有设置结构温差的节点，程序自动看成两组温差均为零。  PMSAP

程序允许一组温度作用，表示为一组工况。 ① 进入菜单《1.补充建模》→《温度荷载》。

② 进入某自然层号，通过《指定温差》、《捕捉节点》子菜单，用户按节点输入两组温差，

完成结构此层的节点温差的设置。 ③ 点取《层号加一》、《层号减一》、《自然层号》 子菜单，逐一完成全楼各层节点温差的

设置。也可配合《拷贝前层》、《全楼同温》等操作来做。 ④ 进入菜单《3.参数补充及修改》→《总信息》。

⑤ 在‘温度荷载参数’框内，填入‘温度荷载组合系数’和‘弹性模量折减系数’相应值以及选择‘温度场类型’项‘连续’或‘间断’。温度荷载组合系数指与其它荷载工

况的分项系数。弹性模量折减系数指考虑混凝土的随时间变化的变化因素，如考虑受徐变的影响，填入小于1的数。弹性模量折减系数影响结构的总刚度，即影响自振周期、地震作用和所有荷载的位移。温度场类型选取连续，则杆件的温度取两端温度平均值；墙元则按节点插值计算内部点温度。温度场类型选取间断时，构件的任一节点一旦设置成零温度，则此构件的温度为零；若构件的所有节点都为非零温度，则构件

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的温度取法同连续。

温度作用工况的荷载组合  SATWE程序目前尚无温度作用工况的荷载组合。

 TAT程序计算荷载组合时自动增加一组负温差的温度作用，将这两组温度作用按活

载组合系数进行组合。

 PMSAP程序把用户设定温度荷载组合系数作为分项系数。组合时保留原荷载的所有

组合数的基础上，再增加原组合值+温度荷载*温度荷载组合系数的组合。参见第2.4.1节PMSAP的⑤相关说明。

3 温度收缩分析

3.1 收缩相对变形和收缩当量温差

混凝土收缩经验公式很多，都能在某一特定条件下反映一定的规律。但是，实际工程所处条件变化较多，使得各种经验公式都带有一定的局限性。根据文献资料调查，我们推荐一种关于素混凝土（包括低配筋率钢筋混凝土）的收缩公式。

 任意时间t天的收缩相对变形y(t)为

100ybty(t)(1e)Mi

i1式中 b ——经验系数，一般取0.01；养护较差时，取0.03； y ——标准状态下的极限收缩，可取3.24104；

Mi ——考虑第i个非标准条件的修正系数，见表3-1至表3-5。  收缩当量温差T为

'0 Ty

式中 y(t) ——收缩相对变形；



——混凝土线膨涨系数，取110

5这样收缩变形的作用可以转化成温度作用。 3.2 非标准条件的修正系数

为定量考虑各不同条件对收缩的影响，给出十种由表3-2-1至表3-2-5列出的非标准条件的混凝土极限收缩的修正系数。

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混凝土材料组成对于标准状态下混凝土极限收缩的修正系数 表3-2-1 水泥品种 矿渣水泥 快硬水泥 低热水泥 普通水泥 火山灰水泥 M1 水泥细度 1500 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 M2 骨料 砂岩 砾砂 M3 水/灰 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 － M4 水泥浆量 M5 （％） 15 20 25 30 35 40 45 50 0.90 1.00 1.20 1.45 1.75 2.10 2.55 3.03 1.25 1.12 0.90 0.93 1.90 1.00 0.65 0.85 1.00 1.21 1.42 1.62 1.80 － 1.10 石灰矿渣水泥 1.00 1.00 1.00 1.00 玄武岩 1.00 1.13 花岗岩 1.00 1.35 石灰岩 1.00 1.68 白云岩 0.95 2.05 石英岩 0.80 2.42 － － 抗硫酸盐水泥 0.78 矾土水泥 0.52

初期养护时间的修正系数 表3-2-2 混凝土浇筑后初期养护时间w（天） 1 2 3 4 5 7 1.11/1.00 1.11/1.00 1.09/0.98 1.07/0.96 1.04/0.94 1.00/0.90 M6 混凝土浇筑后初期养护时间w（天） 14 20 28 40 60 90 M6 0.93/0.84 0.93/0.84 0.93/0.84 0.93/0.84 0.93/0.84 0.93/0.84 0.93/0.84 ≥180 10 0.96/0. 注：分子是自然状态下硬化，分母是蒸汽状态下硬化。

使用环境湿度状态与尺寸的修正系数 表3-2-3 环境相对湿度W% 25 30 40 50 60 70 80 90 M7 构件的水力半径的倒数 （cm-1） 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 M8 1.25 1.18 1.10 1.00 0.88 0.77 0.70 0.54/0.21 0.76/0.78 1.00/1.00 1.03/1.03 1.2/1.05 1.31/－ 1.40/－ 1.43/－ 0.54 0.7 － 1.44/－ 100 0.8 注：构件的水力半径的倒数是构件受大气包围的截面的周长L与该周边所包围的截面面积F之比，其值中分子是自然状态下硬化，分母是蒸汽状态下硬化。

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不同操作条件的修正系数 表3-2-4 操作方法 机械振捣 手工捣固

不同配筋率（包括不同模量比）的修正系数 表3-2-5

EgAgEsAsM10 M9 操作方法 蒸汽养护 高压斧处理 M9 1.00 1.10 0.85 0.54 0.00 1.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.86 0.76 0.68 0.61 0.55 注：Eg、Ag分别是钢筋的弹性模量（MPa）和钢筋面积（cm2），Es、As分别是

混凝土的弹性模量（MPa）和混凝土截面面积（cm2）。

在某些具体计算中，有可能遇到表3-2-1至表3-2-5中所不能包括的情况，则取修正系

数为1.0。如遇有中间情况，可用插值方法确定。亦有可能实际情况并不像表中规定项目那么多，则计算中只要考虑那些有的情况，其它情况则取修正系数为1.0。 3.3 程序实现

目前程序可用温度应力计算功能来完成收缩分析。 3.4 操作步骤

同第2.4节操作步骤。

4 不均匀沉降分析

在软土、填土以及各种不均匀地基上建造建筑物，或者地基虽然相对均匀，但是上部荷载差异过大，建筑物体形复杂、刚度差别悬殊时，都会引起地基变形，造成建筑物下沉、水平位移和转动。 4.1 程序实现

要定性地分析地基变形作用的影响，在程序中可用两种方法实现：

① 设置弹性支座，弹簧刚度值可看成文克尔地基模型的地基土基床系数。这将改变结构的总刚，影响结构自振周期、地震作用以及所有荷载效应。

② 支座处直接给定支座沉降值。这只是增加支座位移的工况，不改变总刚，也不影响

结构自振周期、地震作用以及所有荷载效应。 4.2 操作步骤

现分别对SATWE、TAT和PMSAP的弹性支座和支座位移的计算作如下说明：

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弹性支座的操作  SATWE操作

目前弹性支座不能设置于底层的柱底和墙底处，只能设置于其它自由节点。 ① 进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《4.弹性支座/支座位移定义》。

② 选定某自然层号，进入《指定刚度/位移》子菜单，弹出对话框，在‘输入类型（Input

Type）’项内选取‘刚度（Stiffness）’，并且支座刚度框的X、Y、Z位移刚度和X、Y、Z转动刚度项内输入弹簧刚度值。再通过《捕捉节点》子菜单，指定所属节点。  TAT无此功能  PMSAP无此功能 支座位移的操作  SATWE操作

① 进入菜单《1.接PM生成SATWE数据》→《4.弹簧支座/支座位移定义》。

② 选定某自然层号，进入《指定刚度/位移》子菜单，弹出对话框，在‘输入类型（Input

Type）’项内选取‘位移（Movement）’，并且在支座位移框的X、Y、Z位移和X、Y、

Z转角项内填入相应值。再通过《捕捉节点》子菜单，指定所属节点。  TAT

① 进入菜单《2.数据检查和图形检查》→《5.特殊荷载查看和定义》。

② 选定第1自然层号，进入《位移荷载》，点取《定义》，输入支座位移值，再用光标指

定所属节点。也可用《查看》显示节点位移值，用《删除》删去已定义的节点位移。 ③ 支座位移只能设置在第1层与基础连接的节点上，其它部位不能设置。  PMSAP无此功能

支座位移的内力处理 SATWE和TAT程序都把支座位移的内力加到恒载中，无的支座位移工况。

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专题十一 带吊车荷载作用的结构设计

带吊车的结构大多是工业厂房的排架结构，近来也多用于多层工业厂房的框架结构，所以这种可移动荷载的空间整体分析，越来越重要。目前有这种功能的计算软件很少，PKPM软件首先在TAT和SATWE中实现了吊车荷载的空间计算，这为结构设计提供了更先进的设计工具。

1 吊车荷载的定义方式

1.1 软件操作方式

（1）TAT

由TAT“数据检查和图形检查”进入“特殊荷载查看和定义”再进入“吊车荷载”，则右上角菜单如下：

吊车荷载 ======= 查 看 定 义 删 除 说 明 返 回

当选择“定义”项时，屏幕上弹出如下对话框：

吊车荷载定义对话框图

输入完相应的参数后，选择“确定”，则屏幕在下方提示：

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请用光标指定吊车在左（上）轨道的两端点

当选择完一根直线上的两点后，屏幕在下方又提示：

请用光标指定吊车在右（下）轨道的两端点

当选择完第二条轨道的两端点后，这组吊车荷载就定义完毕了，如再选择定义项，则进入下一组吊车的定义。

吊车荷载定义后，可以选择“查看”项，来标出各吊车荷载参数，可以选择“删除”项来删除某组吊车荷载的定义，此时屏幕下方提示：

请用光标选择吊车任一轨道的一个端节点

选中轨道的端点后，该组吊车定义被删除。 （2）SATWE

由SATWE“接PM生成SATWE数据”进入“特殊构件补充定义”再进入“吊车荷载”，则右上角菜单如下：

[吊 车] 吊车参数 吊车布置 吊车删除 局部放大 回前菜单

首先应选择“吊车参数”，此时屏幕上弹出如下交互界面：

输入完相应的第1组吊车参数后，还可以继续定义第2组、第3组吊车荷载参数，直至所有的吊车组数都定义完毕。

选择“确定”，然后选择“吊车布置”右上角出现吊车组数的选择，如选择第1组吊车，则屏幕在下方提示：

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请用光标指定吊车在左（上）轨道的两端点

当选择完一根直线上的两点后，屏幕在下方又提示：

请用光标指定吊车在右（下）轨道的两端点

当选择完第二条轨道的两端点后，这组吊车荷载就定义完毕了，还可以选择其它组吊车，则进入下一组吊车的定义。

选择“吊车删除”项来删除某组吊车荷载的定义，此时屏幕下方提示：

请用光标选择吊车任一轨道的一个端节点

选中轨道的端点或吊车轨迹后，该组吊车定义被删除。

1.2 吊车荷载说明

在TAT和SATWE的吊车荷载计算中，没有考虑吊车荷载对吊车梁的影响，即没有按照影响线的方式考虑吊车梁，吊车梁应采用其它软件专门分析。所以TAT和SATWE所分析的吊车荷载适用除吊车梁以外的其余构件。

软件要求根据吊车的形式，如对各种轨道、轮压点的吊车，给出最大轮压反力（或作用）及最小轮压反力（及作用），不论该吊车运行轨道上有几部吊车，均按这个方式给出。

在一对轨道内的吊车荷载称为第1组吊车荷载（不论该对轨道内有几部吊车），第二对吊车轨道则可以定义第2组吊车荷载等等。

纵上所述，吊车的轮压荷载是一个综合的作用反力，它是需要通过对吊车梁、柱的影响线分析才能得到的。也可以在一些设计手册中查找。

吊车水平刹车力作用在上层的柱中间。

2 吊车荷载的计算模型

由于吊车荷载作用在吊车柱的牛腿上，所以在牛腿处应该设置一个标准楼层，并且在沿吊车运行轨迹方向应定义框架梁，如吊车柱在吊车运行轨迹方向没有框架梁，也应把吊车梁作为两端铰接梁输入，吊车荷载的移动顺序是通过轨迹上的梁所确定的，这是吊车运行轨迹方向必须布置梁的原因。

2.1 吊车荷载的计算

吊车荷载的作用点就是与吊车轨道平行的柱列各节点，是根据吊车轨迹由程序自动求出。在TAT、SATWE软件中选择“吊车荷载计算”，则对吊车荷载作如下计算：

（1）程序沿吊车轨迹自动对每跨加载吊车作用；

（2）求出每组吊车的加载作用节点；

（3）对每对节点作用4组外力，分别为：a.左点最大轮压、右点最小轮压；b.右点最大轮压、左点最小轮压；c.左、右点正横向水平刹车力；d.左、右点正

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纵向水平刹车力；

（4）对每组吊车的每次加载，求每根杆件的内力；

（5）分别按轮压力和刹车力，求每根柱的预组合力，其目标为：最大轴力、最大弯矩等。

2.2 合理的计算模型

吊车荷载作用的牛腿处楼层一般应没有楼板，所以要考虑该层的节点为“弹性节点”，即不受刚性楼板假定的制约。即使是多层工业厂房，在吊车柱的外边有楼板，也要按“弹性楼板”考虑，或者不考虑楼板的存在和作用，这样可以比较正确地求出水平刹车力对上、下梁的影响。

当吊车柱之间设有交叉支撑时，必须考虑支撑的作用。在吊车柱的设计中，可适当减少吊车柱在支撑布置方向的长度系数。

注意：当这种结构产生了多个“弹性节点”后，地震振型数就要增加。振型分析也应该采用“总刚模型”。

3 吊车作用效应的预组合

吊车荷载作为移动荷载，在每一点作用后，对某一根柱均会产生影响，这就产生了这种移动荷载作用的多个反应值。怎样在设计中反映这种移动荷载的现象，预组合不失为一种有效的方法。

结合“荷载规范”的5.2多台吊车的组合的原则，目前软件采用预组合的方法来处理多台吊车的组合问题。

3.1 预组合目标

考虑柱配筋的最不利荷载组合情况吊车柱预组合目标共14项：

（1）Vxmax、（2）Vymax、（3）+Mxmax、（4）-Mxmax、（5）+Mymax、（6）-Mymax、（7）Nmax,+Mxmax、（8）Nmax,-Mxmax、（9）Nmax,+Mymax、（10）Nmax,-Mymax、（11）Nmin,+Mxmax、（12）Nmin,-Mxmax、（13）Nmin,+Mymax、（14）Nmin,-Mymax

其中：

Vx, max、Vy, max —— 表示X、Y剪力最大时对应的柱内力； +Mx,ymax —— 表示X、Y弯矩最大时的吊车柱的内力项；

-Mx,ymax —— 表示X、Y弯矩最小时的吊车柱的内力项； Nmax —— 表示轴力最大时的吊车柱的内力项； Nmin —— 表示轴力最小时的吊车柱的内力项。

考虑梁配筋的最不利荷载组合情况吊车荷载作用下梁的预组合目标共4项： （1）-Mmax/T、（2）-Vmax/N 、（3）+Mmax/T、（4）+Vmax/N

其中：

-Mmax/T —— 表示最大负弯矩与扭矩的组合项；

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+Mmax/T ——表示最正负弯矩与扭矩的组合项； -Vmax/N ——表示最大负剪力与轴力拉力的组合项； +Vmax/N ——表示最大正剪力与轴力拉力的组合项。

3.2 预组合工况

因为吊车的水平刹车力作用效应不参与地震作用效应的基本组合，所以有必要将吊车作用效应预组合分成“只考虑轮压的预组合力”和“考虑轮压加刹车的预组合力”两种工况处理。

吊车柱预组合工况分别有：。

预组合1 ——吊车的“轮压+刹车”内力组合，用于非地震参与的荷载组合； 预组合2 ——吊车的“轮压”内力组合，用于地震参与的荷载组合。 软件按照上述二种预组合工况分别搜索出14项预组合目标的最不利预组合内力。下图所示的为吊车柱的预组合内力图之一：

吊车柱预组合内力之一Vymax

同样梁预组合工况分别有：

预组合1 —— 轮压+刹车包络内力，用于非地震参与的荷载组合； 预组合2 —— 轮压包络内力，用于地震参与的荷载组合。

分别搜索出梁的包络内力。

梁包络内力输出为：

M-I，M-1，M-2，M-3，M-4，M-5，M-6，M-7，M-J V-I，V-1，V-2，V-3，V-4，V-5，V-6，V-7，V-J

其中：

M-I、M-J——为梁两端包络弯矩； V-I、V-J——为梁两端包络剪力；

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M-1～M-7——为梁跨中包络弯矩； V-1～V-7——为梁跨中包络剪力。

4 预组合内力与其它荷载的组合配筋

4.1 荷载组合原则

承载能力极限状态设计荷载效应组合

活载控制的组合按《建筑结构荷载规范》的第3.2.3-1条；恒载控制的组合按《建筑结构荷载规范》的第3.2.3-2条。恒载的分项系数当不利时取1.2，有利时取1.0，倾覆、滑移验算取0.9；活荷载和风荷载的分项系数取1.4；活荷载和风荷载的组合系数分别取0.7和0.6。地震荷载的组合按《建筑抗震设计规范》的第5.4.1条。

正常使用极限状态设计荷载效应组合

标准组合（短期效应组合）按《建筑结构荷载规范》的第3.2.；准永久组合（长期效应组合）按《建筑结构荷载规范》的第3.2.10条。需要强调的是新规范版本在地基承载力计算时，要采用上部荷载的标准组合式。 4.2 分项系数和组合系数

软件内力组合采用以下原则： 1.35恒载 + ψLγL活载 γG恒载 + γL活载 1.0恒载 + γ

L活载

当有风力作用时： γG恒载 ±γW风力 1.0恒载 ±γW风力

γG恒载 + γL活载 ± ψWγ1.0恒载 + γL活载 ± ψWγγG恒载 + ψLγL活载 ± γ1.0恒载 + ψLγ

L活载

W风力 W风力 W风力 W风力

± γ

其中：γL、γW为活荷载、风荷载的分项系数，隐含为规范取值，可由用户输入； ψL、ψW为活荷载、风荷载的组合值系数，隐含为规范值，可由用户输入。 当有地震力作用时： 对多层结构：

1.2（恒载 + γEG活载） ±γ1.0（恒载 +γEG 活载） ±γ对高层结构： 1.2（恒载 +γ1.0（恒载 +γ其中：γ

EG活载）±

水平地震作用 ±γEV 竖向地震作用 Eh 水平地震作用 ±γEV 竖向地震作用

W风力

Eh

0.2γ

EG活载）± 0.2γ± γ

W风力 ± γ

Eh水平地震作用

± γ

Eh水平地震作用 ± γ

EV竖向地震作用 EV竖向地震作用

EG为可变荷载的组合值系数，隐含为规范取值，可由用户输入；

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γγEV为水平地震作用分项系数和竖向地震作用分项系数，隐含为规范取值，Eh、

可由用户输入。

在遇到水平风力和地震力时，要考虑两个相互垂直方向的作用。

由以上原则，并根据多层、高层结构的区别，计算出标准内力的组合数。在实际组合时，考虑有利、不利的原则，以及工程设计经验，排列出以下组合数：

1． 考虑恒、活组合，有3组；

2． 考虑恒、活、风组合，有24组；

3． 考虑恒、活、风、水平地震，有16组，当考虑竖向地震时，组合数为18。 当考虑梁活荷载不利布置时，对梁则以上组合数乘以3；当考虑偶然偏心时，以上有水平地震参与的组合数乘以3。

4.3 偶然偏心、活载不利布置和其它可变荷载的内力组合

当结构地震力分析考虑偶然偏心时，按上节的地震作用的组合原则分别对地震作用进行+5%和-5%的偶然偏心地震力的组合。

当结构考虑活荷载不利布置，就产生了3项活荷载内力，即活1: 全楼一次性加载的弯矩、剪力；活2：不利布置的负弯矩，剪力包络；活3 不利布置的正弯矩、剪力包络。

在进行上节的内力组合时，对梁可以得到不利分布的“活2”、“活3”，再加上一次性加荷计算的“活1”，一共3种活荷工况，按上面的组合原则分别对这3种活荷载进行组合，取出正负弯矩包络图并计算配筋。

当结构考虑温度应力作用计算时，温度应力作为可变荷载的一种类型，按上节的组合原则分别对温度应力作用进行 +温度效应 和 -温度效应 组合。 4.4 吊车荷载的组合方式

当结构考虑吊车计算时，吊车荷载作为可变荷载的一种类型，按上节的组合原则对吊车荷载作用进行相应组合。

在进行荷载组合前，首先将吊车荷载直接加到活荷载中，即把活荷载产生的内力与两个工况的吊车荷载预组合内力分别叠加，产生新的两个工况的活荷载。再将这两个工况的活荷载分别与无地震作用参与的其它荷载组合和有地震作用参与的其它荷载组合，产生相应的组合设计内力。

吊车荷载的组合系数与楼面竖向活荷载一样，即为：γL。

5 吊车荷载结构的设计注意事项

TAT、SATWE可以分析带吊车的结构。但有以下几个问题： （1）地震分析时，没有计入吊车的桥架重和吊重； （2）没有考虑吊车梁的作用；

（3）吊车柱的配筋，没有考虑排架的计算长度系数。

因为吊车的桥架重和吊重是移动荷载，所以很难确定质量的位置，在地震分析中这部分的质量没有计入，则计算地震作用局部算小了，可以通过地震作用放大来弥补这个问题。

对于吊车梁，当排架中间有框架梁，则应输入该框架梁，否则应把吊车梁按两端铰接梁定义、输入。在用TAT、SATWE分析时，排架柱之间必须要有梁才能正确分析。

排架柱的计算长度可以人工修正，因此在用软件设计中要注意以下几点：

（1）对于重型吊车、排架结构应用PK计算；

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（2）TAT、SATWE适用于中、轻型的吊车分析，特别是多层结构中带吊车的结构形式；

（3）吊车分析以每对轴线为准，程序自动搜索每对轴线上的吊车柱，并成对作用； （4）注意定义吊车的参数及含义； （5）TAT、SATWE只计算吊车柱，并生成柱的预组合力； （6）吊车柱的配筋考虑了刹车+轮压、轮压的不同组合； （7）吊车柱的计算长度系数应由用户自行修正。

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