结构设计时,与计算软件相关的,几个容易忽视的问题汇总

科技   2024-10-27 21:36   山东  

在结构设计时,有些同行常无条件信赖软件计算结果,但软件基于简化和假定进行计算。不了解其背后的计算假定,可能导致结果与实际不符。因此,不应盲目信赖,而应深入判断其合理性和准确性。

01 错层处降板

主楼0.000标高处的楼板与车库顶板存在高差,车库范围的节点采用降标高来实现主楼楼板与车库顶板的高差。主楼与车库交接处做双层梁或一根大梁来承担主楼楼板及与车库顶板的荷载。

以下图为例,主楼楼板与车库顶板高差1800mm。


在楼板生成过程中发现,当车库顶板周围为框架梁时,楼板能自动在车库顶部生成;但若周围存在剪力墙,楼板则会错误地悬空生成在主楼楼面标高处。针对这种情况,需要手动调整楼板,确保其正确地在车库顶部生成。


错误的调整方法:采用“楼板错层”选项,楼板降1800mm。


生成楼板后,从模型来看,楼板也降到了车库顶。


但查看荷载,发现车库顶板并没有导荷到-1.800标高处的梁上,而是导荷到了0.000层的梁上,车库顶板荷载没有正确的导荷。因此,不能采用楼板错层。



正确的调整方法:双击生成有误的楼板,在楼板位置选项填2,楼板周边的墙、梁不等高时,楼板在底标高处生成楼板。


此时,楼板自动生成在车库顶。



查看荷载,车库顶板荷载导荷到了-1.800标高处的梁上。


总结:问题看似是一个小问题,但是若采用“楼板错层的降板方式,车库顶板荷载没有传递到车库顶的框架梁上,会造成框架梁配筋不足。


02 楼板导荷误差

普通软件在计算时通常不考虑楼板直接参与计算,而只是把楼板的荷载导到周边梁、墙上。常用的导荷方法为梯形三角形方式:按角度为45°三角形、梯形导到周边梁、墙上,然后由梁、墙传给柱。


问题:理论上,楼板导荷时会倾向于向支座刚度较大的一侧传递更多荷载,而非简单地按45°角两侧平均分配。即便框架梁与次梁的截面尺寸相同,由于框架梁端部受到框架柱的强约束,其刚度会远大于次梁,因此框架梁承担的楼板荷载也会相应大于次梁。示意如下。



总结:目前常规软件PKPM及YJK的楼板导荷方式,框架梁承担的楼板传导的荷载小于实际荷载,次梁承担的楼板传导的荷载大于实际荷载,这样造成框架梁配筋偏小,次梁配筋偏大。


03 非矩形板导荷

问题:对比两块楼板,一块矩形,一块非矩形,在尺寸相近、恒活荷载及板厚相同的情况下,使用盈建科软件进行计算并查看周边梁的弯矩。从弯矩图可见,长跨方向梁的弯矩,矩形板要大于非矩形板,具体表现为底部弯矩大32%,顶部弯矩23%。令人不解的是,尽管两块楼板尺寸相近,为何其周边梁的弯矩会存在如此显著的差异?


分析:盈建科软件默认的楼板荷载导荷方式为梯形三角形传导,但需注意,并非所有楼板均遵循此方式。例如,在下图所示的情况下,尽管选择了梯形三角形传导作为导荷方式,非矩形楼板却并非按照梯形三角形进行导荷,而是采用了周边布置导荷的方法。


周边布置导荷是按照每边的边长占整个房间周长的比值,将荷载按均布线荷载分配到每边的梁、墙上。看荷载校核,矩形板是按梯形三角形传导至梁上,而非矩形板是按周边布置传导至梁上,且传导至周边梁上的恒活荷载相同。

周边布置导荷的方法是根据每边边长占整个房间周长的比例,将荷载均匀分布为线荷载并分配至每边的梁和墙上。在荷载校核过程中,可以看到矩形板是按照梯形三角形的方式将荷载传导至梁上,而非矩形板则是通过周边布置的方式传导至梁上。值得注意的是,周边布置导荷方式,周边梁上的恒活荷载是相同的。

从荷载图中可以明显看出,传导至长跨方向梁的荷载,矩形板要大于非矩形板。因此,矩形板上的梁弯矩也相应地大于非矩形板。尽管两块板的长度相同,宽度接近,理论上周边梁的弯矩应该相差不大,但计算结果却显示出显著的差异。这表明非矩形板的楼板导荷方式存在问题。

解决方法:由于非矩形板在软件中默认按周边布置导荷,这导致非矩形板传导至梁的荷载相较于矩形板偏小。为了解决这个问题,可以在必要参数设置中勾选“异形房间按梯形/三角形导荷”选项。


查看荷载校核,此时非矩形板也按梯形三角形导荷。


查看梁弯矩,两块板周边梁的弯矩相差不大,计算结果更合理。


总结:非矩形板在车库顶采用主梁大板时尤为常见,设计时应留意,否则梁配筋结果会小很多,存在安全隐患。

04 活荷载不利布置

对于楼面活荷载小于4kN/m2时,笔者认为应该也考虑楼面活荷载不利布置,具体原因详见活荷载设计误区揭秘:为何小于4kN/m²仍需考虑不利布置

如果建筑中有书库、档案库、储藏室、密集柜书库等功能房间,楼面活荷载的组合值系数及重力荷载代表值系数并非是常规的0.7及0.5,需要根据《工程结构通用规范》GB55001-2021和《建筑与市政工程抗震通用规范》GB55002-2021规定取值,此类房间的活荷载需要采用自定义工况。


问题:在使用自定义工况时,YJK软件无法考虑针对自定义活荷载范围的梁活荷载不利布置情况。然而,在恒活荷载作用下,梁的内力往往由活荷载的不利布置所控制。因此,若未考虑此因素,梁的计算结果会偏小。


解决方法:根据网上资料,采用PKPM软件自定义工况定义活荷载时,可以自动考虑活载不利布置。以下是公众号结构先声在文章《技术周刊 | 自定义工况能否考虑活载不利布置?》中提到的内容:


05 楼板按手册算法还是有限元算法

在计算楼板配筋时,许多同行倾向于使用手册算法,而非有限元算法。但值得注意的是,对于非矩形的不规则板块、布置有板间集中力或线荷载的板块、楼板加腋的板块以及具有自由边支座的板块,即便在计算时选择了手册算法,软件也会自动采用有限元方法进行计算以下图为例,隔墙按板间线荷载输入。


查看计算结果,大部分楼板因为板上有隔墙,自动采用了有限元算法,剩余很少楼板按手册算法计算。


楼板采用有限元计算方法的优点:

1)有限元算法考虑各板块内力在中间支座满足弯矩平衡的条件,同时也可以考虑相邻板块的影响;手册算法是各板块分别计算其内力,不考虑相邻板块的影响,因此对于中间支座两侧,其弯矩存在不平衡的问题,支座处弯矩需要平衡,因此支座左右的弯矩差值应由梁来承担,但实际梁在计算时均未考虑此不平衡扭矩。

以下为例,分别采用有限元算法及手册算法,对计算结果进行对比。有限元算法在支座弯矩平衡,更接近计算假定。而手册算法弯矩不平衡,弯矩差值为18.4-13.6=4.8KN.m。


2) 有限元算法,考虑梁的弹性变形,更接近实际情况。


总结:大部分工程,在计算楼板配筋时,因为板上隔墙荷载的原因,虽然选择手册算法,但实际采用的是有限元算法。同一层楼板,一部分采用有限元算法,一部分采用手册算法,计算原则不统一,因此,不如直接都采用有限元算法。

有限元算法更符合实际受力状态,是一种可以考虑梁板真实变形、考虑梁板共同作用的精确算法

有限元算法并不是楼板参与结构整体计算,类似弹性板6或弹性膜,其仅仅是对楼板配筋的有限元计算。


06 墙、柱活荷载折减

在软件中,墙、柱的活荷载折减系数通常设置为默认值,但在某些特定情况下,这些默认值并不适用,需要手动计算活荷载折减系数以确保准确性。


情况一:建筑大部分楼层属于表4.2.2中的第1(1)项,但局部楼层属于表4.2.2中的第1(2)~7项。


地下2层,地上11层,地下2层为车库,地上2层为商店,3~11层为住宅。若对折减系数不修改,软件默认生成折减系数如下。


存在问题:根据《工程结构通用规范》GB55001-2021第4.2.5.3条,商店柱墙活荷载折减系数为0.9(柱墙从属面积大于50m2);第4.2.5.4条,车库墙柱活荷载折减系数为0.8(双向板楼盖)。

因此地下车库两层及地上一层的墙柱活荷载折减系数不能按表4.2.5折减,需要进行折算(未考虑屋面):

一层墙柱的折减系数计算过程如下:

总荷载:2x9+4=22KN/m2

折减后荷载:0.6x2x9+0.9x4=14.4KN/m2

折减系数=14.4/22=0.65

地下车库负一层折减系数计算过程如下:

总荷载:2x9+4+5=27KN/m2

折减后荷载0.60x2x9+0.9x4+0.9x5=18.9KN/m2

折减系数=18.9/27=0.70

地下车库负二折减系数计算过程如下:

总荷载:2x9+4+5+4=31KN/m2

折减后荷载0.60x2x9+0.9x4+0.9x5+0.8x4.0=22.1KN/m2

折减系数=22.1/31=0.71

裙房部分地下车库折减系数取0.9。

折算后折减系数示意如下:


情况二:建筑属于表4.2.2中第1(2)~7项。

地下3层,地上11层,地下3层为车库,地上1层为商店,2~11层为办公。根据规范4.2.5.2条:第1(2)~7项应采用与其楼面梁相同的折减系数;楼面梁超过50m2时,不应小于0.9。

框架柱的从属面积,根据《工程结构通用规范》GB55001-2021第4.2.4、4.2.5条文说明。


框架柱的从属面积示意如下。柱截面以上只有一层时从属面积为36m2,两层时超过50m2,柱活荷载需要折减,折减系数取0.9。



根据《工程结构通用规范》GB55001-2021第4.2.5.4条,车库的墙柱活荷载折减系数为0.8(双向板楼盖),因此地下车库负二及负三层墙柱活荷载折减系数不能按0.9折减,需要进行折算(楼层荷载统计未考虑屋面):

地下车库负二折减系数计算过程如下:

总荷载:2.5x10+5+4=34.0KN/m2

折减后荷载0.9x2.5x10+0.9x5+0.8x4=30.2KN/m2

折减系数=30.2/34.0=0.89

地下车库负三折减系数计算过程如下:

总荷载:2.5x10+5+4+8=42.0KN/m2

折减后荷载0.90x2.5x10+0.9x5+0.8x4+0.8x8=36.6KN/m2

折减系数=36.6/42.0=0.87

结构墙、柱及基础的活荷载折减系数如下:



情况三:屋顶有塔冠时的折减系数,折减系数示意如下。


情况四:楼层有错层时的折减系数,折减系数示意如下。

总结:柱、墙的活荷载折减系数,应根据建筑的功能、结构布置具体分析。


07 塔冠风荷载体型系数

高层建筑为追求立面造型,常在塔楼周边设置高出屋面的外围护结构,形成塔冠,其高度可达几米至十几米。在这种情况下,需特别注意塔冠的风荷载体型系数与下部楼层存在差异。若仍沿用下部楼层的风荷载体型系数进行计算,可能会低估塔冠所受的风荷载作用效应,从而对结构的安全性构成不利影响。

此外,还需关注出屋面机房或楼梯间的风荷载体型系数。由于这些区域位于塔楼外围护结构之内,软件在自动计算时仅考虑塔楼周边外围护的风荷载,而忽略机房或楼梯间的风荷载。因此,若不进行人工干预,软件自动生成的结果会遗漏这部分风荷载的计算,需特别注意。

规范没有塔冠的风荷载体型系数取值,参考以下风荷载体型系数。

1广东省标准《建筑结构荷载规范》DBJ/T15-101-2022。

增加第45项屋顶女儿墙的整体体型系数,仅用于塔楼主体结构和女儿墙后部支承结构设计,当进行女儿墙后部支承结构设计时,应分别考虑各片女儿墙迎风时的情况。


2、徐培福主编的《复杂高层建筑结构设计》。


3、《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第47页第20项。


4、《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第40页第23项。


情况一:屋顶只有女儿墙没有突出屋面机房等,参考第1条,风荷载体型系数如下。

注意事项:进行结构整体计算时,女儿墙未建入模型,而仅考虑其自重,容易忽视女儿墙风荷载(或地震作用)对整体结构的影响。为确保计算结果的准确性,应在模型中补充输入女儿墙的风荷载。在盈建科软件的前处理菜单中,可以按点荷载的方式输入这部分荷载。



情况二:屋面有女儿墙且有突出屋面机房等,参考第2条,风荷载体型系数如下。


注意事项:与情况一相同,应在模型中补充输入女儿墙的风荷载,风荷载体型系数应分段输入。



情况三:屋顶以上为外围护,外围护顶标高与机房顶标高相差不多,为保证外围护的稳定,设置了水平支撑,参考1、2、3、4项风荷载体型系数如下。

注意事项:当外围护结构建入模型进行计算时,风荷载体型系数需要分段输入以反映不同部分的受力。然而,软件无法区分外围护结构与机房的风荷载体型系数,这就需要人工进行干预和调整。具体的调整步骤如下:

1) 将模型中的外围护结构删除,仅保留机房部分,然后检查机房在+X以+X为例说明方向上的风荷载情况。



2) 模型中删除机房部分,仅保留外围护结构,随后检查外围护结构所承受的风荷载情况。



3) 在模型中同时保留外围护结构与机房,并将软件原本自动生成的统一风荷载修改为分别针对外围护结构和机房进行计算的风荷载。

为何如此修改?因为软件自动生成的风荷载未考虑机房的风荷载。

下图为保留外围护结构与机房,软件自动生成的风荷载,风荷载总值:19.59x16=313.44KN,只保留外围护结构的风荷载总值:26.12x12=313.44KN,两者相同。软件无法同时考虑外围护结构与机房的风荷载。


情况四:屋顶以上为外围护,外围护顶标高高于机房顶,为保证外围护的稳定,设置了多层水平支撑,参考1、2、3、4项风荷载体型系数如下。

注意事项:同情况三。

总结:塔冠的风荷载体型系数取值没有具体规范规定,以上仅为个人观点。特别需要注意的是应分段输入塔冠的风荷载体型系数,并且出屋面机房的风荷载不能遗漏。

08 混凝土板墙加固后的刚度计算

对于底框-抗震墙结构,一层底框抗震墙采用了混凝土板墙进行加固,而二层及以上的砌体结构则使用了钢筋网水泥砂浆进行加固。加固后的刚度比是一个至关重要的参数,但在查看结果时,我们发现底框层抗震墙在加固后,其刚度并未发生变化,这导致计算结果出现了明显的异常。


经过向YJK软件技术人员咨询,我们了解到软件在计算加固后的刚度时,仅对采用钢筋网砂浆面层的加固方式进行了考虑,并据此计算了增大后的刚度。然而,对于采用混凝土板墙加固的情况,软件并未计算其加固后的刚度增大。


09 底框结构,框架柱承担的地震剪力

底框-抗震墙砌体结构的加固,底部框架柱承担的地震剪力是很重要的参数。


目前,软件仅支持查看框架柱所承担的地震剪力,但对于如何执行规范中的7.2.5条款并未明确展示。之所以对此产生疑问,是因为在某项目的计算结果中,底框层的框架柱配筋仅为构造配筋。然而,根据规范要求,在抗震墙刚度折减0.3或0.2后,框架柱所承担的地震剪力应能导致更大的配筋需求,而非仅仅是构造配筋。

关于软件是否按照规范执行这一条的问题,目前尚未找到确切的答案。欢迎对此有深入研究的同行们留言指导,共同探讨这个问题。


10 独立基础出现零应力区时的弯矩计算

在之前的文章中,我们已提及当基底出现零应力区时,不应再按照规范中的式8.2.11-1及式8.2.11-2来计算基底弯矩。至于YJK软件在计算过程中是否采用了与规范不同的公式,目前我们还无法确认,因为软件提供的信息并未包含详细的计算步骤,使得我们无法进行有效的验证。

独立基础是否可以存在零应力区?出现零应力区后,基底弯矩是否还能按规范公式进行计算?

地震或风荷载作用下,基础零应力区面积的限值要求,最新解读出炉


11 筏板基本组合高水归并

在盈建科的基础设计模块中,存在一个“增加底板抗浮验算”的选项。当选择“基本组合高水归并”时,系统会自动将(6)~(10)的组合进行归并处理,而仅保留(11)~(14)的组合。通过勾选“基本组合高水归并”与不勾选来对计算结果进行对比分析

首先勾选基本组合高水归并。


查看弯矩包络图,柱底X向最大弯矩由组合(13)1.3恒-1.35浮控制。



不勾选基本组合高水归并。



查看弯矩包络图,柱底X向最大弯矩同样由组合(13)控制,但此时组合(13)为1.3恒+1.5活-1.35浮。


总结:在(1.3恒+1.5活-1.35浮)这一组合作用下,柱底产生的弯矩大于(1.3恒-1.35浮)组合作用下的弯矩。然而,当勾选“基本组合高水归并”选项后,软件会将弯矩较大的组合进行归并处理。因此,为了确保设计的安全性,建议不勾选“基本组合高水归并”选项。



END



结构随手笔记
好记性不如烂笔头,记录结构设计过程中遇到的问题。
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