吳海楠

(建研科技股份有限公司設(shè)計軟件事業(yè)部, 北京 100013)

SATWE對柱剛域范圍的確定方法及其對結(jié)構(gòu)剛度的影響

吳海楠

(建研科技股份有限公司設(shè)計軟件事業(yè)部, 北京 100013)

框架結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)形式中的框架部分都存在梁柱相交的重疊部分，當此重疊部分相對其跨度較大時，構(gòu)件交點處會形成剛性節(jié)點區(qū)域，剛域尺寸的確定會在一定程度上影響結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果。采用不同方法確定柱剛域范圍對結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果和設(shè)計結(jié)果存在差異，尤其是對框架結(jié)構(gòu)和以框架受力為主的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的框支框架部分有較大的影響。本文結(jié)合現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范闡述SATWE軟件確定柱剛域范圍方法和考慮梁柱剛域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)剛度的影響。

框架結(jié)構(gòu)；梁柱節(jié)點剛域；結(jié)構(gòu)剛度；部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)

1 引言

框架梁柱節(jié)點重疊部分的處理對結(jié)構(gòu)剛度和構(gòu)件設(shè)計有一定影響，對于剛域的確定，規(guī)范給出了近似確定公式，對于某些情況，直接應(yīng)用公式確定柱剛域范圍，會造成計算結(jié)果異常，形成虛假短柱，下面結(jié)合SATWE(V1.3)版本軟件針對簡述上述情況對柱剛域范圍的確定方法根據(jù)規(guī)范進行的適當改進，以保證計算結(jié)果的合理性，并且分析在其他計算參數(shù)相同的情況下，是否考慮梁柱剛域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)整體剛度的影響，使得我們對于satwe對柱剛域范圍的確定方法以及考慮梁柱剛域?qū)Y(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果的影響有所認識。

2 規(guī)范條文

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)5.3.4 條規(guī)定：在結(jié)構(gòu)整體計算中，宜考慮框架或壁式框架梁柱節(jié)點區(qū)的剛域(圖1)影響，梁端截面彎矩可取剛域端截面的彎矩計算值。剛域的長度可按下列公式計算。

Lb1=a1-0.25hb

(1)

Lb2=a2-0.25hb

(2)

Lc1=c1-0.25bc

(3)

Lc2=c2-0.25bc

(4)

圖1 梁、柱節(jié)點區(qū)剛域圖示

3 柱剛域范圍計算模型

一般的結(jié)構(gòu)的力學模型以梁的中心線與板中心線協(xié)調(diào)作為計算的一般方式，因此規(guī)范中柱剛域統(tǒng)計劃分依據(jù)梁中心線，將其分為上下兩部lc1、lc2剛域值，lc1統(tǒng)計到相鄰上部樓層柱剛域部分， lc2統(tǒng)計到本層柱剛域部分，如圖2所示在第二層梁柱重疊部分簡化為剛域時，柱剛域范圍就為本層lc22和相鄰下一層lc11之和，由規(guī)范公式本層梁高與相鄰下層梁高相同(或相近時)即C1=C2，同一柱寬bC，因此此時計算結(jié)果和實際位置剛域范圍相同或相近。

圖2 上下層梁高相同時梁柱剛域示意圖

4 柱剛域范圍確定時存在的兩類問題

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往存在一種情況，例如在建筑某個樓層需要放置大型設(shè)備時，往往下層梁高較高，因此相鄰上下層的梁高相差很大，此時按照規(guī)范規(guī)定的以梁中心線統(tǒng)計柱剛域時，如圖3所示，第二層剛域范圍lc11+lc22，lc11=C11-0.25bc，lc22=C22-0.25bc，C22為本層梁高的1/2，C11為相鄰下一層梁高的1/2，由于下層梁高C1>>C2, lc11> lc22，這樣經(jīng)計算得出的剛域范圍必然會超過本層梁柱重疊部分，在形成單元剛度時本層柱高扣除柱剛域長度后會比實際長度短，就會形成“短柱”，這種虛假短柱造成計算異常，但實際模型中下層梁高對上層柱長度不會有影響。

圖3 上下層梁高不同時梁柱剛域示意圖

(2) 由《高規(guī)》5.3.4公式中可以看出，規(guī)范中影響柱剛域的因素，只有梁高和柱高決定剛域長度，這主要從梁柱交點處能夠形成有效剛性節(jié)點的前提下出發(fā)，在柱寬和梁寬相差不大的情況下，給出的近似公式，不足以說明另外一種情況，當梁寬較小或梁寬與柱寬尺寸相差懸殊時，柱剛域范圍按規(guī)范公式確定就會過大確定剛性節(jié)點范圍，夸大了梁對柱的約束能力，實際上梁不會對柱產(chǎn)生足夠的約束，形成的有效剛性節(jié)點較計算值要小，很可能造成結(jié)果偏于不安全。

針對上述情況，SATWE(V1.3)版本軟件做出了調(diào)整，對于柱剛域范圍的確定，引入了等效梁高的概念，將梁寬這一因素考慮到柱剛域的確定公式上，能夠較完善的考慮柱端形成有效剛性節(jié)點的范圍，避免出現(xiàn)柱端剛域過大對于梁柱節(jié)點本身和結(jié)構(gòu)整體剛度統(tǒng)計出現(xiàn)偏差和問題。

5 SATWE(V1.3)版本軟件處理方法

5.1 對于柱剛域位置的選取

SATWE(V1.3)版本對于梁柱重疊部分簡化為剛域分開考慮，可單獨選擇考慮梁剛域或柱剛域如圖4所示。3.0對于以上(一)情況，SATWE(V1.3)版本軟件給出了合理的統(tǒng)計計算方法，程序在確定剛域范圍時不再依據(jù)梁中心線劃分為上下層兩部分，而是將剛域統(tǒng)計范圍置頂(本層層高處)，如下圖6，本層柱剛域只跟本層梁柱重疊部分有關(guān)，柱剛域范圍按照下式確定: lc=c1-0.5bc,從上式可以看出，此時柱剛域范圍只跟本層梁高和柱高有關(guān)，不會受相鄰下一層梁高影響，能夠正確判斷柱長度，從而避免了因上下層梁高差距而造成的虛假短柱現(xiàn)象。

圖4 梁柱重疊部分簡化為剛域選擇

圖5 本層柱剛域示意圖

5.2 考慮梁寬度時處理方法

5.2.1 等效梁高的確定

計算得到計算方向上梁截面面積bb×hb，計為ab，梁截面面積ab與計算方向上柱寬度hc的比值即為等效梁高hb，

5.2.2 柱剛域范圍確定

確定柱剛域時用等效梁高hb，代替實際梁高hb，確定柱剛域范圍，此時柱剛域公式變?yōu)椋簂c= hb，-1/2bc,，作為確定柱剛域的依據(jù)。

圖6 考慮梁截面寬度時梁柱節(jié)點示意圖

6 梁柱節(jié)點剛域?qū)Y(jié)構(gòu)剛度的影響

以一框架結(jié)構(gòu)和部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)實例說明是否考慮梁柱剛域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)整體剛度的影響。

1)框架結(jié)構(gòu)，6層，設(shè)防烈度7度0.15g，二類場地，抗震等級為三級。由于V1.3版本對于柱剛域范圍統(tǒng)計方法的改變，其與10版之前版本有所不同，下表就V1.3和V1.2兩個版本是否考慮梁柱節(jié)點剛域進行了對比。

圖7 該框架結(jié)構(gòu)三維軸測圖

對于該框架結(jié)構(gòu)，表1給出了在考慮節(jié)點剛域和不考慮節(jié)點剛域的條件下結(jié)構(gòu)周期和結(jié)構(gòu)層間位移角的比較結(jié)果。

表1 框架對于V1.3和V1.2版本是否考慮梁柱節(jié)點剛域?qū)Ρ?/p>

由上述結(jié)果可知，考慮節(jié)點剛域后，在框架結(jié)構(gòu)整體剛度上有一定的體現(xiàn)，這種變化從趨勢上看，在周期上：周期變短，在結(jié)構(gòu)整體位移上：彈性層間位移角變大，符合結(jié)構(gòu)整體剛度的變化趨勢。從數(shù)值變化上分析，結(jié)構(gòu)周期變化幅度在5%-7%之間，結(jié)構(gòu)位移變化幅度在7%-10%之間。由此可見考慮節(jié)點剛域?qū)τ诳蚣芙Y(jié)構(gòu)來講，對于其整體剛度計算影響比較可觀，但是還不能影響結(jié)構(gòu)剛度變化的趨勢，從分析階段角度出發(fā)，整體參數(shù)的控制時，不考慮梁柱節(jié)點剛域可以增加結(jié)果的剛度余量，為后續(xù)的性能目標設(shè)計提供可靠的設(shè)計結(jié)果參考。

2)部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，36層，3層地下室，轉(zhuǎn)換層在第4層，設(shè)防烈度7(0.1g)，二類場地，抗震等級為二級。對于該部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)下表給出了在考慮節(jié)點剛域和不考慮節(jié)點剛域的條件下結(jié)構(gòu)周期和結(jié)構(gòu)層間位移角的比較結(jié)果。

圖8 該部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)三維軸測圖

表2 框架對于V1.3和V1.2版本是否考慮梁柱節(jié)點剛域?qū)Ρ?/p>

是否考慮柱剛域比較項目V1.2版本V1.3版本V1.2/V1.3不考慮節(jié)點剛域結(jié)構(gòu)周期(s)2.96572.8714103.28%結(jié)構(gòu)位移1/15241/1536100.10%考慮節(jié)點剛域結(jié)構(gòu)周期(s)2.90792.8471102.14%結(jié)構(gòu)位移1/15511/154199.35%不考慮節(jié)點剛域/考慮節(jié)點剛域結(jié)構(gòu)周期之比101.99%100.85%—結(jié)構(gòu)位移之比101.07%100.03%—

由上述對比結(jié)果可知，由于框支框架梁柱節(jié)點數(shù)量很少，是否考慮梁柱節(jié)點剛域?qū)τ诓糠挚蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)整體剛度影響很小，在計算精度范圍之內(nèi)。

7 結(jié)語

本文簡述了在應(yīng)用高規(guī)公式確定柱剛域時，出現(xiàn)的兩類問題：由于規(guī)范公式在柱剛域統(tǒng)計劃分時，依據(jù)梁中心線，本層梁柱重疊部分影響到上一層柱剛域的判斷，在某些情況下會引起上層虛假短柱的問題，以及公式未考慮梁寬對柱剛域的影響，satwe程序都對上述情況做了修改，以剛域置頂，和引入等效梁高加以解決，從而滿足結(jié)構(gòu)在分析計算階段考慮柱剛域時結(jié)果的準確和可靠性。經(jīng)過對框架結(jié)構(gòu)和部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)是否考慮梁柱節(jié)點剛域?qū)τ谡w剛度的結(jié)果對比，可知考慮節(jié)點剛域?qū)τ诳蚣芙Y(jié)構(gòu)來講，對于其整體剛度計算影響比較可觀，可以考慮其對于整體剛度的影響，而節(jié)點剛域?qū)τ诓糠挚蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)剛度影響很小，在1%左右，對于一般部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)剛度沒有實質(zhì)的影響。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體工程靈活考慮以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的可靠性。

[1]GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JGJ3-2010. 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]李國勝.多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中疑難問題的處理及算例.第二版,北京.中國建筑工業(yè)出版社[M],2011,157-162.

[5]陳岱林.金新陽.張志宏.鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計原理及算例[M].北京,中國建筑工業(yè)出版社,2005,81-147.

[6]付學怡.實用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].第二版,北京. 中國建筑工業(yè)出版社,2010,38-45.

[7]薛素鐸.趙均.高向宇. 建筑抗震設(shè)計[M].第二版,北京.科學出版社,2007,13-17.

[8]徐培福.付學怡.王翠坤.肖從真.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京.中國建筑工業(yè)出版社,2005,95-108.

[9]劉立新.葉燕華.混凝土結(jié)構(gòu)原理[M].武漢.武漢理工大學出版社,2010,121-137.

[10]林同炎 S.D. 斯多臺斯伯力.結(jié)構(gòu)概念和體系[M].高立人.方鄂華.錢稼茹,北京.中國建筑工業(yè)出版社,1999，218-235.

新版PKPM工程資料軟件培訓(xùn)圓滿結(jié)束

2015年3月25日上午， PKPM信息化事業(yè)部在中國建筑科學研究院科研樓會議廳成功舉辦了《建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標準》GB50300-2013宣貫及PKPM工程資料軟件2015版培訓(xùn)班。

會議現(xiàn)場 惠躍榮主任講解統(tǒng)一標準的改進

此次培訓(xùn)由中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司信息化軟件事業(yè)部惠躍榮副主任主講。講課老師對新舊《建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標準》進行對比，針對新規(guī)范中疑問相對較多的問題(包括對檢驗批容量的理解、單位的選擇及最小抽樣數(shù)量的取值)進行了詳細的講解，并對用戶提出的問題進行了一一解答。然后由PKPM軟件研發(fā)部門的工程師介紹了PKPM基于管理的施工服務(wù)平臺，為工程資料的填寫及管理提供了一種新方式。最后由產(chǎn)品技術(shù)服務(wù)中心的李工詳細講解了2015版北京建筑工程資料管理軟件改進及新增功能的應(yīng)用，并對用戶在軟件使用過程中遇到的常見問題進行了詳細解答。

PKPM北京建筑工程資料管理軟件2015版得到了廣大新老客戶的大力支持。

此次參會人員普遍反映，聽了新規(guī)范的技術(shù)講座，對新版驗收規(guī)范的應(yīng)用有了進一步認識，解決資料填寫過程中遇到的許多問題，同時對建筑工程資料管理軟件的使用方法及便捷性有了更系統(tǒng)、更細致的了解，并希望中國建筑科學研究院多多舉辦此類講座。

達索系統(tǒng)SOLIDWORKS 2015全球用戶大會在美舉行全面探索體驗時代3D設(shè)計最新成果

2015年2月10日，上?！?D設(shè)計、3D數(shù)字樣機和產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)解決方案和3D體驗解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者達索系統(tǒng)(巴黎歐洲證券交易所：#13065,DSY.PA)宣布一年一度面向3D設(shè)計和工程領(lǐng)域用戶的盛會——第17屆SOLIDWORKS World 2015全球用戶大會于2月8日至11日期間在美國亞利桑那州的鳳凰城會議中心隆重舉行。大會匯聚了全球5000多名工程師和設(shè)計人員，共同交流、學習、分享和發(fā)現(xiàn)SOLIDWORKS 3D應(yīng)用和工程技術(shù)領(lǐng)域的最新成果，以幫助數(shù)百萬用戶推進產(chǎn)品設(shè)計、仿真、技術(shù)通信和數(shù)據(jù)管理的革新。

在如今的體驗時代，設(shè)計領(lǐng)域的社會化、概念化和協(xié)作化程度前所未有。達索系統(tǒng)SOLIDWORKS的CEO Gian Paolo Bassi指出：“SOLIDWORKS的核心理念是協(xié)作創(chuàng)新，需要集社區(qū)之創(chuàng)意與熱情共同推動。SOLIDWORKS World 2015全球用戶大會為大家提供了一個良好的契機，幫助大家建立合作，接觸到更多的工具，從而激發(fā)創(chuàng)意并使之實現(xiàn)。我們很高興能在這項獨特的全球性活動上與大家一起發(fā)現(xiàn)設(shè)計新觀點、共享設(shè)計新科技?！?/p>

大會為期四天，邀請到來自科學、設(shè)計、工程領(lǐng)域的意見領(lǐng)袖發(fā)表主題演講，他們在各自領(lǐng)域的杰出貢獻對數(shù)百萬3D設(shè)計愛好者和專業(yè)人士都有著巨大的影響。發(fā)言人包括：

·Michio Kaku博士，物理學家，著有《紐約時報》暢銷書《思想的未來》(The Future of the Mind)。

·Jinsop Lee，工業(yè)設(shè)計師，Linno首席全球化官。

·Bre Pettis，MakerBot Industries聯(lián)合創(chuàng)始人兼前CEO， Bold Machines現(xiàn)任首席創(chuàng)新官。

大會還包含教學培訓(xùn)以及專門面向SOLIDWORKS用戶社區(qū)的活動，介紹3D CAD最佳案例實踐以及機械設(shè)計和工程設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新。亮點如下：

·SOLIDWORKS 2015產(chǎn)品組合在3DEXPERIENCE平臺上的功能增強演示，包括云功能以及能夠提高生產(chǎn)效率、改進工作流程和降低運營成本的更多功能選擇。

·200多個針對SOLIDWORKS用戶舉行的分組會議和實踐培訓(xùn)會議現(xiàn)場舉辦，包括面向入門者的“SOLIDWORKS流程仿真第一步”、“SOLIDWORKS Plastics 2015入門”和面向高級用戶的“有機幾何體建模”、“曲線草圖和連續(xù)性”等活動。

·100多家展商的新技術(shù)和產(chǎn)品在大會合作伙伴展廳多彩展示。

·達索系統(tǒng)CEO Bernard Charlès、SOLIDWORKS CEO Gian Paolo Bassi以及SOLIDWORKS 前任CEO和達索系統(tǒng)現(xiàn)任渠道業(yè)務(wù)管理部副總裁Bertrand Sicot精彩演講。

·用戶意見導(dǎo)向生成的SOLIDWORKS用戶最期待的十大功能增強揭開面紗。

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·SOLIDWORKS 2016最新技術(shù)提前預(yù)告。

Method used by SATWE to Determine Dimensions of Column Rigid Joint Panel and Influences on Structure Stiffness

Wu Hainan

(TheDesignSoftwareDepartment,CABRTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100013,China)

The overlap parts of beam-column in frame structures and other types of structures form beam-column rigid joint panels, if the overlap parts are large enough. The dimensions of rigid panel zone can influence the effects of integral structure analysis. It would lead to different results in structural analysis and design, especially in frame structures and partial frame-supported shear wall structures by using different methods to determine column rigid zones. Based on current structure design codes, this article illustrates the method that is used by SATWE to determine rigid panel zones and the effect on the stiffness of structures by beam-column rigid joint panels.

Frame Structure; Beam-column Rigid Joint Panels; Structural Stiffness; Partial Frame-supported Shear Wall Structures

吳海楠(1989-)，男，學士，助理工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算。

TU973.1+6

A

1674-7461(2015)01-0085-04