学文网摘要：对比分析了采用PKPM系列CAD软件中的SATWE软件考虑地下室作用的内力分析方法，结合工程实例对于计算结果“刚重比”的数值进行了探讨，提出了要辩证看待程序结果“刚重比”数值的建议。
关键词：刚重比；剪重比；回填土约束作用；弹性等效侧向刚度
中***分类号：TU2文献标识码：A文章编号：1672-3198(2009)06-0274-02
最近几年设计的高层、超高层等复杂建筑结构中，通常都带有地下室。很多都是地上为住宅地下为大底盘车库的结构形式。对于这类带地下室的结构形式，采取一种比较行之有效的结构分析方法，在结构计算中考虑回填土和地下室的影响来正确的分析结构的实际受力状态是非常必要的。有地下室的建筑结构是由上部结构和地下室组成的一个完整的受力体系，具有共同的位移场，相互协调变形。目前使用最多的便是PKPM系列CAD软件中的SATWE软件。然而，作为设计人员在使用结构软件的时候对计算软件得出的结果要正确的分析，不能盲目的依赖程序，以免造成经济损失或结构安全事故。
1重力二阶效应和刚重比
高层建筑结构的稳定设计，主要是控制、验算结构在风或地震作用下，重力荷载产生的重力二阶效应对结构性能降低的影响以及由此可能引起的结构失稳。所谓重力二阶效应，一般包括两部分：一是由于构件自身挠曲引起的附加重力效应，即效应；二是结构在水平风荷载或水平地震作用下产生侧移变位后，重力荷载由于该侧移而引起的附加效应，即重力效应。
(1)《抗震规范》第3.6.3条规定：“当结构在地震作用下的重力附加弯距大于初始弯距的10%时，应计入重力二阶效应的影响。”
(2)《高规》第5.4条对重力二阶效应作出如下规定：
①在水平力作用下，当高层建筑结构满足以下规定时，可以不考虑重力二阶效应的不利影响。
剪力墙结构、框架剪力墙结构，筒体结构：
②框架结构
(3)高层建筑如果不满足(1)条的规定时，应考虑重力二阶效应对水平作用下结构内力和位移的不利影响。
结构的弹性等效侧向刚度，可按近似按倒三角形分布载荷作用下结构顶点位移相等的原则，将结构的侧向刚度折算为竖向悬臂受弯构件的等效侧向刚度。即：
q为假定倒三角形分布载荷的最大值，u为该荷载作用下结构顶点质心的弹性水平位移。
2剪重比
3SATWE考虑回填土约束作用的分析方法
PKPM系列CAD软件中的SATWE软件可以反映地下室回填土对结构的约束作用，而这种约束作用是相互耦联的，仅约束水平位移，不约束竖向位移和竖向转动。
SATWE提出了两种近似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。这两种方法都可以通过修改设计参数来近似模拟回填土对结构的约束作用。一种是采取限制某一位置的水平位移来考虑土对结构的约束，另一种考虑回填土对地下室约束作用的刚度比来考虑回填土的作用。
4工程实例
工程A：高层剪力墙住宅结构，地上18层，地下1层，地下室为地下停车库。
本工程采用SATWE软件计算分析，采用两种算法进行比较。第一种算法，计算时地下室不单独考虑，定义地下室层数为零。第二种算法，定义地下室层数为一层，回填土约束刚度比为3，考虑回填土对地下室的约束。内力结果如表1―表4。
从上述四表结果对比可以看出，两种计算模型得出的计算结果差异挺大，由此可见选择合适的计算模型对实际工程受力分析是非常关键的。
分析表1发现，采用第二种算法的刚重比变小了，也就是说结构刚度在这种计算模式下偏柔，结构的稳定性变弱。概念上理解有些疑点，对于同样高度的建筑物，考虑了土的约束作用，结构的稳定性应该更趋于安全，怎么会计算出的结果有些异常。
分析表2发现，考虑了土的约束作用后，结构的位移都是变小的，这是和概念上理解是一致的。
分析表3发现，第二种算法得出的1层地震力、楼层剪力和弯距都比第一种算法要小，有的指标还减小的幅度挺大；这是由于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。2层地震力、楼层剪力和弯距也是都比第一种算法要小。由此可见，考虑的土的约束作用以后，结构自身的总地震反应力变小了。同时还可以看出第二种计算结果中1层结构地震力均小于2层的地震力，很容易错误的把第1层理解为结构薄弱层。
分析表4发现，第二种算法1层的剪重比也是很小的，甚至不满足规范最小水平地震剪力的要求。但是笔者认为，由于大部分地震力被土层吸收导致结构自身承受的地震作用很小，对于地下室部分可以不用满足《抗震规范》第5.2.5条规定。
第二种算法和第一种算法的区别还包括风载计算的不同，第二种算法中地下室没有考虑风荷载，也就是说整个结构的风荷载数值都是比第一种算法要偏小的。地震力和风载荷作用同时变小的作用下，结构的位移变小趋势也是正确的。
结合公式(3)分析可得，如果q值不变的情况下，结构的位移u变小，那么应该变大。而从表1得出的结果是变小了，这也就说明q值变小了，且变小的幅度远大于u变化的幅度。
5值的探讨
不容置疑，考虑了回填土对结构的约束以后，结构的整体性和稳定性都应该加强，而反映出的结果正好相反。经上述分析得出的计算结果是正确的，由此可见必须要研究第二种算法计算出的能否反映出结构的真实刚度。
程序计算的是指带有地下室的建筑物的弹性等效侧向刚度，而受到土的约束的影响。其实整个结构受力体系不应该单单由来反映结构刚度的强弱，因为整个受力体系是由地下室外侧的一定面积的回填土、地下室和上部结构组成的，可以把回填土等效为结构的一部分构件A，也可以理解为整个受力体系是由结构构件A、地下室和上部结构组成的。计算而得的仅仅是地下室和上部结构的弹性等效侧向刚度，而等效构件A即回填土对主体结构刚度的作用值没有计算。通过以上分析就可以解释为什么结构的弹性等效侧向刚度偏小的原因了。所以，可以得出结论，结构的弹性等效侧向刚度值应该包含和两部分，仅仅根据值来判别结构的刚重比是不合适的。
同时风荷载计算的方法导致了等效q值的变小，因为风荷载是从地上一层开始计算的，而等效倒三角形载荷q是从地下一层开始算起的(H总高度包含地下室)。很多设计人员只是简单的参照值的大小而判别结构刚度强弱，未经仔细分析采取加强措施，造成工程上的浪费。
6结论
通过工程实例分析得到，《高规》第5.4条关于根据的数值来判别是否考虑重力二阶效应对水平力作用下结构内力和位移的不利影响是值得探讨的。对于带有地下室的建筑结构，采用SATWE考虑地下室外回填土刚度以后内力计算得出的是不能完全反映结构真实的弹性等效侧向刚度的。对于地下室部分的剪重比也可以不用满足《抗震规范》第5.2.5条的规定。建议实际设计过程中应多加分析，对计算结果要辩证的看待。
参考文献
[1]陈岱林，李云贵，魏文郎.多层及高层结构CAD软件高级应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
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