SATWE应用的一些问题(黄警顽)

1、SATWE应用的一些问题黄警顽（鑫中建建筑设计顾问有限公司深圳518031）提要：本文对SATWE程序应用中的斜屋面输入，梁墙柱偏心，柱墙输入，特殊构件指定，层刚度计算,抗倾复力矩计算，多塔楼刚度比和剪重比计算等问题进行讨论，提出实用可行的处理意见，可供设计计算参考。关键词：斜屋面，偏心，柱墙，计算关于斜屋面输入问题目前关于斜屋面输入处理方法讨论较多，大概可归纳为两种方法（模型见下图）：斜梁法：在檐口标高处设置层面1,沿檐口线设置水平檐口梁，沿屋脊线布置斜梁（将折板化成等效矩形截面梁）或水平梁；斜屋面荷载等效化成水平面荷载输入，可正常导荷。计算给出梁柱内力和配筋。斜杆法：在檐口标高处设置层面1

2、,沿檐口线设置水平檐口梁；在屋脊处设置层面2,沿屋脊线设置斜杆或水平梁（当有水平屋脊时）将层面1、2连接成整体；斜屋面荷载等效化成屋脊线上的节点荷载输入。此时斜杆只有轴力，无弯矩剪力。1在糖口架尉舉面1：热杯法1在將口魅鮭Uh在星眷水平魅鮭面2；2在层面1上用梁堺商羞法杓入屋臀鼎架2在2農连成鳏饗是水平构件，只能在同一楼层面布置，可作楼面导荷边界，不能将楼面荷载直接传至下一层；斜杆是竖向构件，只能在层间布置，可将上层荷载直接传至下层，把上下层连成整体，但不能作楼面的导荷边界。第二种处理方法中若用斜梁代替斜杆，似乎更合理；但实际上这会造成檐口层1与屋脊层2间无竖向构件连结，导致刚度矩阵奇异，程序

3、执行中断，不能采用。两种方法均不能自动处理风荷，应人工算出斜面风荷,化成屋脊线上的等效节点活荷载，黄警顽：高级工程师，中国科技研究交流中心研究员，一级注册结构工程师，一级注册监理工程师。当节点活荷输入。斜屋面的输入建议用两种模型各算一次。用第一种模型的计算结果进行梁柱的强度设计；用第二种模型的计算结果，验算斜杆的轴压比和檐口水平梁轴向拉力并按此拉力计算梁腰筋。斜梁的输入方法，程序说明书无详细说明，下面经验供参考：在檐口层层面1设置辅助的斜梁投影轴线并形成节点；按一般梁输入，在选梁断面后出现的偏心输入窗口中输入梁顶标高1和梁顶标高2；梁顶标高按对檐口层层面相对标高输入；设斜梁的两端节点为I,J（

4、IVJ）,则梁顶标咼1为I节点标咼，梁顶标咼2为J节点标咼；点号排序规则：X座标小的优先，然后是Y座标小的优先。同理，斜板结构有边梁时，边梁按斜梁输入；无边梁时将斜板化成斜梁输入。框支墙的偏心问题用SATWE程序处理偏心问题时应注意：梁轴对柱偏心，程序自动计入梁荷对柱产生的偏心弯矩；柱柱偏心时，程序自动计入上柱轴力对下柱产生的偏心弯矩；梁柱偏心柱柱偏心产生的偏心弯矩都是对下柱形心给出的；竖向构件对下层梁轴偏心布置无效，会导致构件连结及传力关系错误，不能采用。墙是竖向构件，其偏心只对下层竖向构件有效，对下层梁轴的偏心无效（图面能反映，但传力关系不能反映）。因此，框支墙偏心，不能采用对框支梁轴偏心

5、的方式布置。这种布置方法导致墙荷传力关系错误。下图算例两层，一层框支层，二层单片墙，墙顶作用均布线荷100kN/m,自重和水平荷载不考虑。图中为框支层梁弯矩图，上排为在框支层上层设对框支柱偏心的墙轴线，墙按墙轴线布置的结果;下排为在框支层设对框支柱偏心的框支梁轴线，框支墙沿该轴线布置的结果。无刚性短梁有刚性短梁无刚性短梁有刚性短梁平面图立面图分析上述结果，在计算结构力学意义上可以得出下述结论：墙的偏心只是对框支柱的偏心，不能反映墙偏心对框支梁产生的扭转效应；框支梁偏心，框支墙沿梁轴布置无效，框支墙偏心不能用梁轴偏心方式处理；竖向构件偏心的传力关系程序能自动处理，因此框支柱偏心比框支梁偏心好。框

6、支墙偏心处理方法：（见下图）在框支层按框支墙位置加建辅助轴线；在墙肢两端点垂直框支梁轴线设相对刚度较大的辅助短梁，力求正确反映墙与梁间的偏心传力关系。沿辅加轴线布置墙时，一定要在转换层加刚性辅助短梁，否则墙荷将不通过框支梁而直接传至框支柱，造成传力关系错误。墙柱输入问题墙和柱都是竖向构件，但其力学模型、受力特性、配筋计算、抗震要求等差别较大，因此在输入时应注意区别。两种竖向构件的差别归纳如下表4-1：表4-1：柱、墙的主要特性及要求表（未包括抗震内力放大要求）构件类型柱墙力学特性1单元力学模型三维杆件单元板壳墙兀几何特性2截面长宽比1348轴压比要求限值3轴压比要求（二级抗震，下同）0.70.

7、850.64轴压比计算轴力的工况考虑地震组合的轴力设计值重力荷载代表值的轴力设计值强度及配筋构造要求5.强度计算不考虑分布筋作用考虑部分分布筋作用6.抗剪要求（入为剪跨比）入2.0时，VeW(.20cfebbh0)/YAr入W2.0时VW(0.150Cfbbh0)/Y.入2.5时，VwW(.20cfebbh0)/Y“入W2.5时V.W(0.150Cfbbh0)/Y.7最小配箍特征值入v（普通复合箍）0.170.20%0.2%（约束边缘构件）一般情况下，可由构件截面长宽比区别按墙或柱输入。但当截面长宽比在边缘状态时应如何决定呢？某些情况下，为建模方便，常不按截面长宽比决定输入构件类型，对计算结果

8、有多大影响？下面就有关问题作具体分析。轴压比要求分析。以表中二级抗震构件为例，设构件重力荷载轴力标准值为N,其中恒荷占2/3,活荷占1/3,取地震轴力放大系数为1.1，则考虑地震组合的轴力设计值为：Ndc=（1.2XNX2/3+1.4XNX1/3）X1.1=1.39N重力荷载代表值的轴力设计值为：（活荷组合系数取1.0）N=（1.0XNX2/3+1.0XNX1/3）=1.0N,贝I：N/N=1.39，0.6X1.390.85dwdedw因此墙和柱的轴压比控制是一致的，只是计算轴力的组合要求不同，导致轴压比要求不同。强度及配筋构造和抗震内力放大要求，可在实配钢筋时人工根据实际情况调整。两种力学模

9、型不同的竖向构件，其单元刚度矩阵不同，计算结果是不同的。SATWE单元库中的梁柱单元均是考虑剪切变形的三维杆单元，在截面两个轴线方向对剪切刚度和弯曲刚度均有贡献；单元库中的墙元是由带旋转自由度的膜元与平板单元叠加构成的，面内有剪切刚度和弯曲刚度，面外只有弯曲刚度无剪切刚度。为了解两个不同力学模型对刚度的影响，下面用一个简单算例作对比分析。算例一层,层高4000,只有一个竖向构件，分别按柱和按墙输入，无任何荷载作用，用SATWE计算其X、Y方向的层剪切刚度、剪弯刚度和绕Z轴的抗扭刚度，截面高宽比38,截面宽2501000;不论作为墙或柱，均有足够代表性。表4-2是计算结果及比较结论。分析表4-2

10、可知，剪弯刚度在截面主轴方向的刚度相差不大，对整体分析的内力分配影响不大，因此可得出如下结论：竖向构件按柱或按墙输入对内力计算结果影响不大，误差在10%以下；轴压比控制基本相同，可按输入的构件类型的控制要求设计。由于两种构件的构造要求和抗震内力调整系数不同，在实际配筋时宜根据构件实际情况人为修正。长宽比W4的墙肢宜按柱要求配筋。规范对框支柱的抗震构造要求严格，抗震内力调整系数较大，支承框支梁的厚墙，原则上宜按柱输入；当多柱连成墙断面较长或异型时，建议在直接支承框支梁处输入明柱，再用薄墙肢把柱连起来，这样受力较明确且配筋经济合理。表4-2：墙柱刚度比较表断面尺寸柱刚度墙刚度墙柱刚度比结论1000

11、X2000CWw/c剪切X6.72e55.6e68.33用SATWE计算截面长宽比82，宽度刚度Y6.72e5001000250范围内的墙柱刚度结果比较T1.28e61.66e61.30得:剪弯X2.00e62.31e61.151.顺长轴方向刚度Y7.368e57.649e51.04柱的剪弯刚度柱的剪切刚度；T1.28e61.66e61.30墙的剪弯刚度V墙的剪切刚度；500X20002.顺长轴方向墙柱剪切刚度比约为剪切X3.36e52.80e68.338.33；按高规附录E公式(E.0.1-3)刚度Y3.36e500计算，该比值为1.6;T1.96e52.67e51.363.顺墙轴方向墙柱剪

12、弯刚度比约为剪弯X1.00e61.15e61.151.15；刚度Y1.04e51.09e51.054.垂直长轴方向墙剪切刚度为0；T1.96e52.67e51.365.垂直长轴方向墙柱剪弯刚度比约为250X20001.05；剪切X1.68e51.40e68.336.按剪切刚度计算的抗扭刚度与按剪刚度Y1.68e500弯刚度计算的抗扭刚度相同；T2.68e43.56e41.337.墙柱抗扭刚度比平均约为1.30。剪弯X5.00e55.78e51.16刚度Y1.35e41.41e41.04T2.68e43.56e41.33250X1500剪切X1.26e51.05e68.33刚度Y1.26e500

13、T1.95e42.48e41.27剪弯X2.59e52.98e51.15刚度Y1.01e41.05e41.04T1.95e42.48e41.27250X1000剪切X8.40e47.00e58.33刚度Y8.40e400T1.23e41.54e51.25剪弯刚度X9.21e41.05e51.15Y6.75e37.01e31.04T1.23e41.54e41.25250X750剪切刚度X6.30e45.25e58.33Y6.30e400T8.64e31.12e41.30剪弯刚度X4.17e44.73e41.13Y5.06e35.25e31.04T8.64e31.12e41.30结果表明，顺长轴方

14、向墙柱剪切刚度比约为8.33，按高规附录E公式（E.0.1-3）计算，该比值为1.6。两者差别很大，说明其中之一有误。实际上SATWE现行版本，在计算剪切刚度时仍按老高规A=A+0.12A计算，未按新高规附录E计,因而有wcA/0.12A=8.33的结果。wc上述结果可在结构的刚度控制与调整中参考：（1）转换层刚度比控制，因转换层以上剪力墙较多，因此按剪弯刚度计算较容易满足。（2）要加强某方向平动刚度时，不论按剪切还是剪弯计算，沿该方向加墙比加柱更有效。（3）要加强结构的抗扭刚度时，增加墙比增加柱更有效。这不仅因为单个构件的抗扭刚度，按墙计算比按柱计算约大30%，而且由于沿长轴方向的抗剪刚度，

15、墙比柱大很多，因此在平面平行布置的剪力墙，与水平构件组合作用，墙剪力产生的抗扭力矩远比柱剪力产生的抗扭力矩大。墙加长比墙加厚对增大结构剪弯刚度更有效。特殊构件指定及开关选择问题框支剪力墙结构中梁的抗震等级框支剪力墙结构常出现框架抗震等级为一级情况此时若只在总信息中把框架抗震等级定义,则程序把框支层以上的框架梁均当一级抗震处理，造成不必要的超筋超限.实际上，框支层以上常为剪力墙结构，抗震等级常为二级，与其相连的梁（连梁或框架梁）也应是二级;因此，在输入时，宜对框支层以上的梁,用指定特殊梁菜单重新定义其抗震等级.短肢剪力墙抗震等级规范规定短肢剪力墙抗震等级应较一般剪力墙提高一级。当结构体系定义为“

16、短肢剪力墙结构”时，程序可自动处理，不必再人工指定提高；当结构体系定义不是“短肢剪力墙结构”时，程序不能自动处理，必须人工指定提高。转换梁与框支柱指定转换层位的输入只给程序提供加强层及计算转换层上下结构刚度比的信息，程序不能保证自动识别转换梁和框支柱，要人为指定。且宜先指定框支柱，后指定角柱。弹性楼板指定如下情况宜采用弹性楼板假定：（1）楼板大开洞；（2）回形、凹形、弧形、长条形平面；（3）转换层、裙房屋面层、嵌固层和立面收进或外挑变化的边界层及上下相邻层；（4）两结构单元间只有簿弱的水平构件联结时；（5）复杂结构有关层面:连体结构的连结体及连结体两端上下各两层;错层结构咬合部位两侧的楼板。指

17、定时，宜用弹性板6,因弹性板6既有面外刚度也有面内刚度，能全面反映楼板的刚度。应注意，当有弹性楼板定义时，应按总刚计算；否则可能导致计算中断。不调幅梁指定转换层及嵌固层框架梁不能调幅,应按非调幅梁输入。地下室层数，回填土对地下室约束刚度比与嵌固端位置关系“地下室层数”定义风荷作用起始位置；“嵌固层”定义地震作用和位移计算的起始位置；“回填土对地下室约束刚度比”定义嵌固位置或土对地下室的约束程度。这三个参数是相关的，不能随意选取，否则可能出错，甚至导至地震作用计算中的质量参予系数反常。下表以地下室层数2为例，给出选择及相应物理意义，供参考。（表中层号为计算层层号）地下室层数嵌固层位置回填土对地下

18、室约束刚度比相应地震作用起始位置相应风荷作用起始位置22层顶-22层顶2层顶1层顶-11层顶2层顶1层底三0（弹性约束程度）1层底2层顶11层顶-11层顶1层顶1层底三0（弹性约束程度）1层底1层顶7.新版程序（2003.12）将“活荷不利布置”开关与“梁设计弯矩放大系数”分离独立即不管采用“活荷不利布置”与否,梁设计弯矩均按“梁设计弯矩放大系数”放大。因此，当采用“活荷不利布置”时，“梁弯矩放大系数”不能采用默认值1.2，应改为1.0。五层刚度计算模型选择程序提供三种层刚度计算模型供选择，分别是剪切刚度、剪弯刚度和地震剪力位移比刚度。规范规定，计算嵌固层及框支层上下层刚度比时用剪切刚度计算；

19、计算框支层上下结构刚度比时用剪弯刚度计算。其它情况规范无明确规定，用户可自行选择。现行版本SATWE的剪切刚度是按等效剪切面积A=A+0.12A计算的，与新高规附录wcE的公式（E.0.1-3）不符;（详见本文第四节）剪弯刚度较真实反映层刚度的物理概念，建议除计算嵌固层及框支层上下层刚度比或纯框架结构采用剪切刚度计算外,其它结构均可采用；地震剪力位移比刚度，从”层刚度等于层产生单位位移所需的力”这个概念上是对的,但实际计算却令人困惑。（1）程序给出的本层的位移不单是作用在本层地震力产生的；（2）层刚度和构件刚度一样，只与构成层的构件材料及几何尺寸位置有关，与层位及荷载无关。因此，其计算结果作为

20、层刚度是意义不明确的；作为相邻层层刚度比计算是可行的，因为相邻层由上述存在的困惑产生的影响可认为较小而忽略。一般情况下，这种计算模型较容易满足规范对层刚度比要求。当转换层在地面二层或以上时，现行版本SATWE计算的转换层上下结构刚度比是包括地下室计算的；当嵌固端不在地下室底面时，计算模型与规范要求不同，不能直接采用，应另作验算。5.转换层在地面二层或以上时，不计地下室的转换层上下结构刚度比,可利用SATWE给出的各层侧移刚度RJX和RJY按下式进行计算。设K1=1仏1，1$则L1xK2=1/A2,1RJxi，且要求H2H1（i为转换层层号，从嵌固层起算,下同）1RJyi1K2xi+1工RJxj

21、1（j为塔楼号,下同）i+1工RJyj1（YY、K、H、意义见高规附录E；RJx、RJy见SATWE输出文件WMASS.OUT)多塔楼问题1.上下层刚度比问题SATWE已给出上下层刚度比Ratx和Raty可以直接采用；但对多塔楼与底盘间的上下层刚度比，考虑各塔楼可能同步振动的情况，还应作下述验算:设多塔楼开始层号为i,j为塔楼数，则上下层刚度比工(RJX)ji-4RJXi-1工Ratx；j1工(RJY)ji-4RJYi-1工Ratyj1应满足规范要求。2.剪重比问题SATWE给出的剪重比是按单塔的层地震剪力与多塔的总质量之比计算的，这与定义不符,不能直接采用，宜人工重新验算。（1）整体剪重比R

22、avx和Ravy计算设塔数为j,Ravx.和Ravy.为SATWE给出的各塔剪重比，则Ravx=工Ravx；jiRav=工Ravyji应满足规范要求。（2）各塔剪重比Ravx.和Ravy.计算TOC o 1-5 h zijijSATWE已给出j塔i层的质量M.j（见文件WMASS.OUT单位为吨）和i层的地震剪力VXj和Vyij（见文件WZQ.OUT,单位为KN），设j塔最大层号为n,则Ravx=V/工10M;ijxijijiRavy=V/工10Mijyijiji也应满足规范要求。抗倾复力矩计算问题规范对框架剪力墙结构框架抗倾复力矩和短肢剪力墙结构短肢墙的抗倾复力矩有相应的要求。目前规范只给出框架剪力墙结构框架抗倾复力矩的计算方法，即建筑抗震设计规范说明6.1.3条公式M=工习Vh。该公式只适用于竖向构件无转换，无斜撑情况；eijii=1j=1SATWE目前给出的结果是按该公式算的，当竖向构件有转换或有斜撑时，给出结果不宜采用。下面给出适用于一般情况的计算公式，供设计参考。设i层j柱的地震作用效应的柱底轴力、弯