770 likes | 937 Views
PKPM 新规范计算软件 TAT 、 SATWE 、 PMSAP 应用指南. 目录 1. 扭转耦联 2. 双向地震扭转效应 3. 偶然偏心 4. 竖向地震作用 5. 有效质量系数:参与振型数够不够? 6. 振型的侧振、扭振成分 --- 判断一个振型是扭转振型还是平动振型? 7. 多方向水平地震作用 8. 最小地震剪力调整 9. 竖向不规则结构地震作用效应的调整 10.0.2Q0 调整. 11. 框支柱地震作用下的内力调整 12. 设计内力调整 ( 强柱弱梁 , 强剪弱弯 ) 13. 位移比控制,层间位移比控制 14. 周期比控制 15. 层刚度比控制
E N D
PKPM 新规范计算软件 TAT、SATWE、PMSAP 应用指南
目录 1.扭转耦联 2.双向地震扭转效应 3.偶然偏心 4.竖向地震作用 5.有效质量系数:参与振型数够不够? 6.振型的侧振、扭振成分 ---判断一个振型是扭转振型还是平动振型? 7.多方向水平地震作用 8.最小地震剪力调整 9.竖向不规则结构地震作用效应的调整 10.0.2Q0调整
11.框支柱地震作用下的内力调整 12.设计内力调整(强柱弱梁,强剪弱弯) 13.位移比控制,层间位移比控制 14.周期比控制 15.层刚度比控制 16.框剪结构中框架承担的倾覆力矩计算 17.重力二阶效应 18.传给基础的上部结构刚度 19.弹性时程分析及地震波的选取 20.整体稳定验算 21.高位转换结构的刚度比验算
1. 扭转耦连 新高规3.3.4-1条规定,质量、刚度不对称、不均匀的结构,以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦连振动影响的振型分解反应谱法。 TAT、SATWE和PMSAP三个程序都具有考虑扭转耦连的功能。 A) TAT,SATWE将该功能作为用户选项,考虑与否由用户自定 B) PMSAP计算时总是考虑扭转耦连 C) 非耦联计算仅适用于平面结构以及能够解耦成平面结构的简 单空间结构,对复杂空间结构可能造成错误结果。 D) 耦联计算适用于任何结构,总是正确的。 E) 耦联计算的结果不一定比非耦联计算的结果大(保守),二 者没有必然关系 F) 建议总是选择耦联计算,不会出问题。
2. 双向地震作用 规范条文:新抗震规范5.1.1条规定,质量和刚度分布明显不 对称的结构,应计入双向地震作用下的扭转影响。 具体操作原则:楼层位移比或者层间位移比超过1.2,考虑 双向地震 程序实现:现在我们考虑某个地震反应参数S,该参数在X和Y 地震作用下的反应分别为SX和SY,那么在考虑了双向地震扭转效应 后: 这意味着对于X和Y地震作用都作不同程度的放大。考虑双向地 震时,内力组合不改变。该功能作为用户选项,考虑与否由用户 自定。
对于柱的弯矩和剪力,处理方法稍有不同,举例说明如下:对于柱的弯矩和剪力,处理方法稍有不同,举例说明如下: 我们令S代表某个柱截面在某个方向上的弯矩或剪力: X地震作用下的值SX,Y地震作用下的值SY, 考虑双向地震后 改变成为
考虑双向地震对楼层位移、层间位移输出的影响:考虑双向地震对楼层位移、层间位移输出的影响: TAT输出了考虑双向地震作用的地震位移; SATWE,PMSAP暂时没输出位移的双向地震效应; 考虑双向地震对内力的影响: TAT,SATWE均将原来的单向X、Y地震效应直接用 双向地震作用效应替代,体现在内力文件NL*.OUT(TAT) 和WNL*.OUT(SATWE)当中。 PMSAP在原来单向地震工况EX,EY的基础上增加两个 新的对应于双向地震的工况EXY,EYX,文件输出时,同时 将单向地震(EX,EY)和双向地震的(EXY,EYX)的内力输出。 考虑双向地震对配筋的影响: 一般平均增加5%-8%;单构件最大可能增加1倍左右。
考虑双向地震带来的配筋增大 1. 规则框架例 2. 框剪结构例
3 偶然偏心 规范条文:新高规3.3.3条规定,计算单向地震作用时,应考虑 偶然偏心的影响,附加偏心距可取与地震作用方向垂直的建筑物 边长的5%。 具体操作原则:1) 验算结构位移比时,总是要考虑偶然偏心 2)结构构件设计时,分下列两种情况处理: 2-1) 如果位移比超过1.2,则考虑双向地震,不考虑偶然偏心 2-2) 如果位移比小于1.2,则不考虑双向地震,考虑偶然偏心 程序考虑方式:从理论上,各个楼层的质心都可以在各自不同 的方向出现偶然偏心,从最不利的角度出发,我们在程序中只考 虑下列四种偏心方式: A) X向地震,所有楼层的质心沿Y轴正向偏移5%,记作EXP B) X向地震,所有楼层的质心沿Y轴负向偏移5%,记作EXM C) Y向地震,所有楼层的质心沿X轴正向偏移5%,记作EYP D) Y向地震,所有楼层的质心沿X轴负向偏移5%,记作EYM
对内力组合的影响:考虑了偶然偏心地震后,就在原有的未对内力组合的影响:考虑了偶然偏心地震后,就在原有的未 • 偏心X、Y地震EX、EY的基础上,新增加了四个地震工况EXP、 • EXM、EYP和EYM,在内力组合时,任一个有EX参与的组合, • 将EX分别代以EXP和EXM,将增加成三个组合;任一个有EY • 参与的组合,将EY分别代以EYP和EYM,也将增加成三个组合。 • 简言之,地震组合数将增加到原来的三倍。 • 使用要点: • 1)该功能设有选项开关,考虑偶然偏心时可将开关打开。 • 2)SATWE、TAT的质心偏移值5%是固定的、按规范取用的; • PMSAP偏移值可以X、Y向不同,由用户输入。 • 偶然偏心对位移输出的影响:SATWE,TAT,PMSAP均输出四个 • 偶然偏心地震EXP,EXM,EYP,EYM作用下结构的楼层位移、层 • 间位移以及位移比;位移比验算应采用偶然偏心地震结果; • 层间位移角验算则不必采用偶然偏心地震结果。 • SATWE : WDISP.OUT • TAT: TAT-4.OUT • PMSAP: 简单摘要文件(工程名TB.RPT) • 详细摘要文件(工程名TB.ABS)
4)偶然偏心地震作用下的构件内力输出: 构件增加了±5%X向偏心地震作用效应和±5%Y向偏心地震作用效应的计算,均可通过文本文件或图形文件查看。构件内力文本文件中4组偶然偏心地震工况的标记如下: A) X向地震,所有楼层的质心沿Y轴正向偏移5%,该工况记作: EXP(PMSAP)、+5%(TAT)、X方向左偏心(SATWE); B) X向地震,所有楼层的质心沿Y轴负向偏移5%,该工况记作: EXM(PMSAP)、-5%(TAT)、X方向右偏心(SATWE); C)Y向地震,所有楼层的质心沿X轴正向偏移5%,该工况记作: EYP(PMSAP)、+5%(TAT)、Y方向左偏心(SATWE); D)Y向地震,所有楼层的质心沿X轴负向偏移5%,该工况记作: EYM(PMSAP)、-5%(TAT)、Y方向右偏心(SATWE);
实例: 偶然偏心对构件内力的影响 构件标准内力对比 (FRAM1 第 8 层) 梁支座弯矩比∶ 1.16( 2) 1.01( 24) AVER= 1.06 梁剪力比 ∶ 1.16( 2) 1.01( 24) AVER= 1.06 柱剪力Vx比∶ 1.17( 23) 1.01( 6) AVER= 1.06 柱剪力Vy比∶ 1.17( 24) 1.01( 2) AVER= 1.07 柱轴力N比∶ 1.09( 20) 1.02( 2) AVER= 1.05 柱底弯矩Mx比∶ 1.17( 24) 1.01( 2) AVER= 1.07 柱底弯矩My比∶ 1.16( 23) 1.01( 6) AVER= 1.06 柱顶弯矩Mx比∶ 1.17( 24) 1.01( 2) AVER= 1.07 柱顶弯矩My比∶ 1.17( 24) 1.01( 2) AVER= 1.07
偶然偏心对配筋(平均)的影响柱 梁 • 15层框剪 11.9% 2.3% • 13层框剪(PJ2) 0.4% 1.7% • 33层框支 0.8% • 8层框架 7.7 3.9% • 21层框剪 0.9% 1.2% • 19层框剪 1.3% 1.2% • 18层框剪 0.7% 3.0% • 平均增加 3.82% 2.01%
偶然偏心对最大位移比的影响(最大/平均)不考虑 考虑 增加 • 15层框剪 1.20 1.318.11% • 13层框剪(PJ2) 1.82 1.956.99% • 33层框支 1.05 1.5 30.32% • 8层框架 1.76 2.39 26.22% • 19层框剪 1.571.7510.04% • 18层框剪 1.43 2.03 29.16% • 平均增加 18.47%
4 竖向地震作用 规范条文 新抗震规范5.3.1条规定,对于9度的高层建筑,其竖向地震 作用标准值应按公式(5.3.1-1)和(5.3.1-2)计算,并宜乘 以1.5的放大系数。相当于重力荷载代表值的23.4%; 新抗震规范5.3.3条规定,长悬臂和其它大跨度结构竖向地 震作用标准值,8度、8.5度(0.3g)和9度时分别取重力荷载代表 值的10%、15%和20%; 新高规10.2.6条规定,带转换层的高层建筑结构,8度抗 震设计时转换构件应考虑竖向地震影响。
实现: 应用竖向地震 1.设立竖向地震的计算开关,由用户自行决定是否考虑竖向 地震作用。 2.增设‘竖向地震作用系数’项,程序自动取规范规定值,允许 用户修改此值,从而自己决定总竖向地震作用的大小。 SATWE按规范内定。 3.当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时,用户应设置计算 竖向地震作用。 4. 尚不能单独计算转换构件的竖向地震作用。用户需要,可 整体考虑竖向地震作用。 5. 尚不能单独计算连体结构的连接体的竖向地震作用。用户 需要,可整体考虑竖向地震作用。
5 有效质量系数:振型数够不够? • 概念来源:WILSON E.L. 教授曾经提出振型有效质量系数的 • 概念用于判断参与振型数足够与否,并将其用于ETABS程序, • 他的方法是基于刚性楼板假定的,不适用于一般结构。 • 方法发展: 现在不少结构因其复杂性需要考虑楼板的弹性变形, • 因此需要一种更为一般的方法,不但能够适用于刚性楼板,也应 • 该能够适用于弹性楼板。出于这个目的,我们从结构变形能的角 • 度对此问题进行了研究,提出了一个通用方法来计算各地震方向 • 的有效质量系数,这个新方法已经实现于TAT、SATWE和PMSAP。 • 经验:根据我们的计算经验,当有效质量系数大于0.9时,基底 • 剪力误差一般小于5%。在这个意义上我们称有效质量系数大于0.9 • 的情形为振型数足够;否则称振型数不够。
规范:高规(5.1.13)规定对B级高度高层建筑及复杂高层建筑规范:高规(5.1.13)规定对B级高度高层建筑及复杂高层建筑 有效质量系数不小于0.9;抗规(5.2.2)条文说明建议有效质量系 数可取为0.9 实现: 程序自动计算该参数并输出。 TAT输出在“TAT-4.OUT”文件中; SATWE输出在“WZQ.OUT”文件中; PMSAP则输出在详细摘要 “工程名.ABS”文件中。
重要概念:结构的固有振型总数-----参与振型数的上界重要概念:结构的固有振型总数-----参与振型数的上界 1) 只有搞清楚这个概念,选择振型数才不会犯错误 2) 如何判断一个结构的固有振型总数: 离散结构的振型总数是有限的,振型总个数等于独立质量 的总个数。可以通过判断结构的独立质量数来了解结构的 固有振型总数。具体地说: 每块刚性楼板有三个独立质量Mx,My,Jz; 每个弹性节点有两个独立质量mx,my; 根据这两条,可以算出结构的独立质量总数,也就知道了 结构的固有振型总数 3)若记结构固有振型总数是NM,那么参与振型数最多只能选 NM个,选参与振型数大于NM是错误的,因为结构没那么多。
4)参与振型数与有效质量系数的关系: 4-1)参与振型数越多,有效质量系数越大; 4-2)参与振型数 =0 时,有效质量系数 =0 4-3)参与振型数 =NM 时,有效质量系数 =1.0 5) 参与振型数 NP 如何确定? 5-1)参与振型数 NP 在 1-NM 之间选取。 5-2)NP应该足够大,使得有效质量系数大于0.9。 6)有些结构,需要较多振型才能准确计算地震作用, 这时尤其要注意有效质量系数是否超过了0.9。比 如下面的结构:
八层钢框架,存在大量越层柱和弹性节点,这种八层钢框架,存在大量越层柱和弹性节点,这种 情况往往需要很多振型才能使有效质量系数满足要求。 原因:振型整体性差,局部振动明显
8层结构 算了30个振型有效质量系数仍不够
6 振型的侧振、扭振成分-判断一个振型是扭转 振型还是平动振型 • 概念:一个振型的反应能量可以分拆成平动能量和转动能量, • 它们各自占总能量的比例我们称为侧振成分和扭振成分。这 • 里借鉴了ETABS程序振型方向因子的概念。 • 如果某个振型的侧振成份大于50%,我们就把这个振型叫 • 做侧移振型,反之如果某个振型的扭振成份大于50%,我们就 • 把这个振型叫做扭振振型。 • 作用:1). 通过振型成份的输出,可以使用户方便地了解各个 • 振型的性态 2). 同时,也可以作为判断结构第一扭转周期与 • 第一侧振周期的依据
7 多方向水平地震作用 规范条文:抗震规范5.1.1条规定,有斜交抗侧力构件的结构,当相交角度大于15度时,应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。 程序实现:针对这一条,程序增加了自动计算多方向水平地震作用的功能。用户可以根据需要指定多个(最多允许12个)地震作用方向,程序对每一地震方向进行地震反应谱分析,计算 相应的构件内力。在构件设计阶段,也将考虑每一方向地震 作用下构件内力的组合,这样不至于漏掉最不利情形,保证 了结构设计的安全。
多方向地震的输出标记: EX1,EY1;EX2,EY2;EX3,EY3;EX4,EY4;EX5,EY5; (iCase) Shear-X Shear-Y Axial Mx-Btm My-Btm Mx-Top My-Top --------------------------------------------------------------------------- N-C = 1 Node-i= 488, Node-j= 39, DL= 6.000(m), Angle= 0.000 ( 1) 28.4 13.1 -31.8 -25.5 55.3 -52.8 -115.0 ( 2) -5.7 40.6 44.7 -78.9 -11.1 -165.0 22.9 ( 3) 3.2 -0.2 1.3 0.4 6.3 0.8 -13.0 ( 4) -0.3 4.8 -3.4 -9.3 -0.6 -19.4 1.3 ( 5) -0.6 -1.9 -249.0 3.6 -1.1 7.8 2.3 ( 6) 1.2 -0.4 -97.1 0.6 2.4 1.9 -5.1 EX1 27.4 12.6 -33.0 -24.6 53.4 -50.9 -111.1 EY1 -9.3 40.8 43.9 -79.2 -18.2 -165.6 37.6 EX2 20.3 26.2 39.0 -50.9 39.6 -106.5 -82.4 EY2 -20.6 33.7 38.7 -65.4 -40.2 -136.6 83.4 EX3 12.9 34.9 42.8 -67.7 25.1 -141.6 -52.3 EY3 -25.9 24.6 34.4 -47.9 -50.5 -99.8 105.0 ---------------------------------------------------------------------------
由本组例题可以看到: A)对于正交、规则结构,是否考虑多方向地震对构件配 筋结果影响很小,配筋平均增加不到1%; B) 对于存在明显斜交抗侧力构件的结构,考虑多方向地 震对构件配筋结果影响较明显,配筋平均增加5%左右,最大 增加90%; C) 这也从一个侧面证明了:对于存在明显斜交抗侧力构 件的结构,应该考虑多方向地震作用
类别 7度 7.5度 8度 8.5度 9度 扭转效应明显或基本周期小于3.5s结构 1.6 2.4 3.2 4.8 6.4 基本周期大于5.0s结构 1.2 1.8 2.4 3.2 4.0 基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构,可插入取值。 8 最小地震剪力调整 新抗震规范5.2.5条规定,抗震验算时,结构任一楼层的水平 地震的剪重比不应小于表5.2.5给出的最小地震剪力系数λ。
调整后楼层剪重比 调整前楼层剪重比 哪层的地震剪力不够,就放大哪层的设计地震内力
自动放大与否设开关;如果用户考虑自动放大,SATWE自动放大与否设开关;如果用户考虑自动放大,SATWE 将在WZQ.OUT中输出程序内部采用的放大系数: 文件WZQ.OUT : 各楼层地震剪力系数调整情况 [抗震规范(5.2.5)验算] 层号 X向调整系数 Y向调整系数 1 1.312 1.207 2 1.197 1.122 3 1.070 1.000 4 1.000 1.000 5 1.000 1.000 6 1.000 1.000 7 1.000 1.000 8 1.000 1.000
9 竖向不规则结构地震作用效应调整 规范条文 新抗震规范3.4.3条规定,竖向不规则的建筑结构,其薄弱层 的地震剪力应乘以1.15的增大系数; 新高规5.1.14条规定,楼层侧向刚度小于上层的70%或其上三 层平均值的80%时,该楼层地震剪力应乘1.15增大系数; 新抗震规范3.4.3条规定,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。
程序处理: 1)针对这些条文,程序通过自动计算楼层刚度比, 来决定 是否采用1.15的楼层剪力增大系数; 并且允许用户强制指定薄弱层位置,对用户指定的薄弱 层也采用1.15的楼层剪力增大系数(参数补充输入) 2)通过用户指定转换梁、框支柱来实现转换构件的地震 内力放大。(特殊构件补充定义)
WMASS.OUT:楼层刚度比控制,薄弱层放大 Floor No. 1 Tower No. 1 Xstif= 45.9337(m) Ystif= 6.6222(m) Alf = 0.0000(Degree) Xmass=46.8139(m) Ymass= 7.1724(m) Gmass= 1251.4342(t) Eex = 0.0476 Eey = 0.0316 Ratx = 1.0000 Raty = 1.0000 Ratx1=0.9285 Raty1= 0.8851 薄弱层地震剪力放大系数= 1.15 RJX = 8.4E6(kN/m) RJY = 9.4E6(kN/m) RJZ = 2.8E9(kN/m)
10. 0.2Q0调整 规范条文:新抗震规范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。 程序实现 :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 致过大的不合理的调整系数,所以TAT、SATWE程序都允许 用户对数据文件中的调整系数进行手工修改。 调整系数的约定:程序自动计算出的调整系数最大取2.0;用户 手工修改的调整系数无限制
SATWE程序0.2Q0调整系数的修改 用户在工作目录建立文本文件 SATINPUT.02Q 该文件格式如下: IST Cx Cy IST Cx Cy ……….. IST Cx Cy 比如: 2 1.5 1.8 指定第2层x向调整系数 6 2.0 1.2 7 1.2 1.2
11. 框支柱地震作用下的内力调整 规范条文 新高规10.2.7条规定,框支柱数目不多于10根时:当框支层 为1—2层时各层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,各层每根柱所受的剪力应至 少取基底剪力的3%。;框支柱数目多于10根时,当框支层 为1—2层时每层框支柱所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,每层框支柱所承受剪力之和 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,框支柱的轴力可不调整。
程序实现 • TAT、SATWE在执行本条时,只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,对与 • 框支柱相连的框架梁的弯矩剪力暂不作调整。 • 程序应用 • 1) 一定要定义转换层所在层号 MCHANGE • 在特殊构件补充定义中手工定义框支柱(程序不自动搜索) • 本调整仅针对 1 – MCHANGE 层的框支柱进行