浅谈结构设计分析的基本步骤\方法及相关概念
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论文摘要：本文从结构设计分析的全过程进行了归纳阐述，包括分析基本数据的准备、基本概念的理解、结构选型、截面估算、SATWE计算结果的整体分析和构件分析。希望通过本文，新毕业的设计人员能够快速掌握结构设计分析。
关键词：结构设计分析、规范、SATWE
一、常用规范
规范是结构设计最重要的标准文件，设计前必须熟读规范，钢筋混凝土结构设计常用的规范主要有：建筑结构荷载规范，混凝土设计规范，建筑抗震设计规范，建筑地基设计规范，高层建筑混凝土结构技术规程，岩土工程勘察规范等。
二、基本资料及信息
结构设计前需要收集和了解必须的基本资料和信息。
1．建筑需求：建筑外观、平面布局及使用功能要求，建筑重要性。需要相应阶段的建筑图纸、审批文件。
2．使用荷载：一般民用建筑可查看可在规范，普通住宅、办公室为2.0kN/m2,阳台2.5kN/m2；电梯机房等效8kN/m2；消防车等效20kN/m2。
工业厂房需要业主提供文件，指定使用荷载。
3．风信息：（荷载规范、高规）
a.基本风压： 一般用50年一遇，深圳为0.75kN/,对应风速约120公里/小时；高度大于60米的结构，承载力计算用100年一遇的风压，深圳为0.90 kN/）
b.地面粗糙度：一般城市市区可选C
c.体型系数：一般建筑取1.3
d.基本周期：简单估算（0.1×楼层数），用于计算风振
Wk=βzμsμzW0用于主要承重结构
Wk=βgzμsμzW0用于围护结构
风压高度变化系数，
风振系数（基本自振周期大于0.25s，高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋，考虑顺风向风振系数；横向风软件没有考虑）
阵风系数：计算围护结构风荷载
群体效应：群集的高层建筑，相互间距较近时，风力相互干扰，体型系数应增大。
4．地震信息：（抗震规范、高规）
a.设防烈度： 按设计基本地震加速度值划分，分为6度（0.05g）、7度（0.10g）、7度（0.15g）、8度（0.20g）、8度（0.30g）、9度（0.40g），具体取值由政府规定(可查抗规附表)，。
深圳为7度（0.1g）
b.设计地震分组：按震中的近、远划分，分为第1组、第2组、第3组。
深圳为第1组
c.场地土类别：按土层等效剪切波速和土层厚度划分，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，大部分为Ⅱ类。由地质勘探部门提供。可以理解为Ⅰ类场地土最结实，Ⅳ最差。
d.其他抗震相关概念：
抗震设防三水准：小震不坏、中震可修、大震不倒。
抗震设计二阶段：
第一阶段设计为承载力设计：用小震动参数、结构按弹性计算，用分项系数组合进行构件截面承载力验算，通过概念设计及抗震构造满足大震不倒。
第二阶段为弹塑性变形验算。大部分建筑可只进行第一阶段设计。
抗震设防分类：按建筑重要性划分，分为甲、乙、丙、丁四类，具体规定见《建筑抗震设防分类标准》。甲类最重要，丁类为次要建筑，大部分为丙类。
设计基本地震加速度：50年设计基准期超越概率10％的地震加速度设计取值。
地震作用计算方法：底部剪力法、振型分解反应谱、弹性动力时程分析、弹塑性动力时程分析。
结构阻尼比：混凝土结构0.05,钢结构0.02
重力荷载代表值：永久荷载标准值＋可变荷载标准值×组合系数，组合系数软件默认取0.5，对于库房应取0.8、可变荷载按实际情况计算时组合系数应取1.0。
抗震等级：根据烈度、结构类型、房屋高度（室外地面到主要屋面板）确认，确认烈度时还要考虑抗震设防分类及场地土类别。
构件设计原则：强柱弱梁、强剪弱弯。
5．地质勘察报告：
由结构设计人员根据工程具体情况提出勘察要求，甲方委托勘察单位进行勘察，勘察单位提交勘察报告。
一般包括一下内容:
勘察目的、任务要求和依据的技术标准；拟建工程概况；勘察方法和勘察工作布置；场地地形、地貌、地层、地质构造、岩土性质及其均匀性；各项岩土性质指标，岩土的强度参数、变形参数、地基承载力的建议值；地下水的埋藏情况、类型、水位及其变化；土和水对建筑材料的腐蚀性；场地稳定性、不良地质评价；基础形式推荐；图表：勘察点平面布置图、土层剖面图、探孔柱状图、岩层等高线等。
深圳地区岩土分布情况：填土、花岗岩残积土、强风化岩、中风化岩、微风化岩。
一般花岗岩残积土可作为天然地基的持力层，承载力200kPa多。
三、结构选型
根据建筑高度、建筑需求、经济等确定。
1. 单层厂房以前均采用钢筋混凝土排架结构，现在大都采用轻型门式钢架
2. 多层采用钢筋混凝土框架架构、砖混结构，广东地区基本不用砖混结构，住宅多采用异型柱框架结构
3．大跨度结构考虑预应力、网壳
4. 普通高层采用钢筋混凝土框剪结构、短肢剪力墙结构、剪力墙结构。
5. 超高层（100米以上）采用型钢混凝土、钢－混凝土的框剪结构，或框筒、剪力墙结构、筒中筒结构。
四、结构布置
1.平面布置：确定柱、剪力墙的位置
a.平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性
不规则类型定义
扭转不规则:楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍
凹凸不规则:结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%
楼板局部不连续:楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层
b．平面长度太长或楼层高度相差太大，要进行分缝或设置后浇带。
2. 竖向布置：建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变
不规则类型定义
侧向刚度不规则:该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%
竖向抗侧力构件不连续:竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递
楼层承载力突变:抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的)80%
五、构件截面估算
1．柱截面估算
a．柱竖向轴力估算
N=nAq
n---柱承受楼层数
A---柱子从属面积
q---竖向面荷载，可按下面估算
框架结构： 12-16（轻质砖）、14-18（粘土砖）
框剪结构： 15-18（轻质砖）、17-20（粘土砖）
筒体、剪力墙结构：18-22
一般集体宿舍、普通住宅取大值，办公取小值。厂房另行考虑
b．柱轴力调整（考虑水平荷载）
Nc = αβN
α---中柱α＝1、边柱α＝1.1、角柱α＝1.2
β---地震水平力作用对柱轴力的放大系数
七度抗震：β=1.05、八度抗震：β=1.10
c．柱截面面积估算
Ac≥Nc/(a*fc)
a----轴压比
一级0.7、二级0.8、三级0.9，短柱减0.05
fc---砼轴心抗压强度设计值
Nc---估算柱轴力设计值
d．柱截面宽高b×h
根据受弯确定，中柱可按各向轴跨比估算，通常h/b
2．梁截面估算
a. 主梁（b×h）：梁高h 取1/8至1/12的梁跨；
b. 悬挑梁（b×h）： 1/6的梁跨；
c. 次梁（b×h）： 1/12至1/18的梁跨；
h/b=2~3.
3．板截面估算
a. 单向板：板厚 取1/30的板跨；
a. 双向板：板厚 取1/30至1/40的板跨；
c. 悬挑板： 1/10板跨；
六、竖向恒载计算
1．楼面荷载（kN/m2）
a.混凝土板厚（米）× 25
b.板面（砂浆、瓷砖/木板/等）、板下吊顶。通常楼面可按1kN/m2考虑，屋面可按2～3kN/m2考虑。
c.板上隔墙：按实际荷载折算，一般轻质隔板可按1kN/m2考虑，轻质砌体2～3kN/m2考虑
2．梁（剪力墙）上隔墙荷载（kN/m）
a.墙厚（米）× 容重 × 高度：
粘土砖18kN/m3，水泥空心砖10kN/m3，粉煤灰轻渣空心砌块7～8kN/m3，加气混凝土砌块5.5kN/m3。
b.墙面装饰厚度（双面）× 容重 × 高度
墙面装饰层厚单面通常为0.02m，混合砂浆容重17kN/m3。
c.门窗洞口
扣去洞口部分墙体荷载，加上门窗自重。
梁墙上荷载可取等效均布荷载。
3．墙柱梁表面装饰荷载
通常将混凝土容重取大一点（28 kN/m3）来考虑，不再另外计算。
七、结构计算（上部结构）
根据使用的软件不同，具体方法步骤不同，先掌握PKPM的PMCAD、SATWE及JCCAD．
（一）建模
详见《PKPM建模常见问题及处理建议》、PMCAD使用手册
（二）计算参数
详见SATWE使用手册
（三）软件运算
（四）计算书
1.结构平面布置简图（SATWE“接PM生成数据”图形检查）
2．荷载平面布置简图（PMCAD平面荷载显示校核）
3．基本参数等wmass.out
4．位移wdisp.out
5．地震wzq.out
6．各层配筋简图
7．各层梁裂缝、挠度平面简图（梁平法施工图）
8．各层板配筋面积简图（PMCAD画结构平面图）
七、结果分析（SATWE计算结果）
（一）原始输入数据检查（wmass.out）
1.检查各参数是否正确。
2．检查质量（荷载）
a.检查各楼层单位面积质量（1×恒＋折减系数×活），与“PMCAD荷载校核”对比，避免荷载丢失。
b.检查 “PMCAD荷载校核”各楼层单位面积荷载（1.2×恒＋1.4×活），与经验值对比，判断荷载是否合理。
（二）结构整体分析
1.水平位移控制（wdisp.out）
a.层间位移角（不考虑偶然偏心）限制：
框架结构 1/550
框架－剪力墙、框架－核心筒、板柱－剪力墙 1/800
筒中筒、剪力墙 1/1000
框支层 1/1000
多、高层钢结构 1/300
b.位移比（考虑偶然偏心）限制：
最大位移（层间位移）与平均位移（平均层间位移）之比：
A级高度建筑（普通多高层属于此类）：不宜大于1.5 (抗震规范)
不宜大于1.2，不应大于1.5(高规)
B级高度建筑、复杂高层结构、混合结构：不宜大于1.2，不应大于1.4(高规)
2.抗震控制（wzq.out）
a.质量参与系数：不少于90％（高规5.1.13.2）。如果少于90％，增加计算振型数。
b.周期：规范没有周期大小的控制，根据经验估算，判断是否合理，如果周期太大，则说明结构刚度太柔。
c.周期比：扭转为主第一周期与平动为主第一周期之比
A级高度建筑不应大于0.9，
B级高度建筑、复杂高层结构、混合结构：不应大于0.85
平动扭转判定：根据平动、扭转系数大小判定，如果平动系数越大，则平动所占的能量越多，一般来说，当该系数大于0.5时可认为以该振动为主。
第一周期的判定：不要想当然认为排在第一的就是第一周期，应注意剔除局部振动产生的周期。具体可看该振型对底部剪力的贡献，第一振型的贡献应是最大的。
d.剪重比：该层地震作用总剪力/该层及其上部重力荷载代表值之和
规范规定了最小值（详见抗规表5.2.5，高规表3.3.13）
7度基本周期小于3.5s的结构 为0.016。
软件对小于最小值的会自动调整放大。
3.结构竖向规则（wmass.out）
（1）. 楼层侧向刚度比
a.普通楼层（刚度用“地震剪力/层间位移”计算）
抗规3.4.2-3.4.3、高规5.1.14规定：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，该层地震剪力应乘以1.15的放大系数。
软件会根据计算结果，自动乘以放大系数。
b.首层转换结构（刚度用“剪切刚度”计算）
高规附录E.0.1规定：上下层刚度比宜接近1，抗震设计不应大于2，非抗震设计不大于3。
c.转换层数大于1层结构（刚度用“剪弯刚度”计算）
高规附录E.0.2规定：上下部等效刚度比宜接近1，抗震设计不应大于1.3，非抗震设计不大于2。
（2）楼层层间受剪承载力
抗规3.4.3.2-2规定：不应小于相邻上一层的65％。
4.结构抗倾覆验算（wmass.out）
抗倾覆弯矩/倾覆弯矩 > 1
5.结构重力二阶效应（wmass.out）
高规5.4.1.1、5.4.1.2规定：刚重比
剪力墙、框剪、筒体EJd/(H2∑Gi) ≥ 2.7 (i=1,n)
框架结构Di*hi/∑Gj≥20，(j=i,n)
不满足要求时，要考虑重力二阶效应。
6.结构整体稳定（wmass.out）
高规5.4.4规定：刚重比应满足一下规定
剪力墙、框剪、筒体EJd/(H2∑Gi) ≥ 1.4 (i=1,n)
框架结构Di*hi/∑Gj≥10，(j=i,n)
（三）构件分析
结构整体性能、分析指标满足规范后，我们再来细部分析构件，SATWE可以将各层构件的内力、配筋详细打印出来，可以据此进行分析。首先检查构件配筋是否超筋、是否异常。如果感觉异常，要顺着组合内力、单工况内力、荷载及边界条件进行分析，容易出现异常的主要有剪力墙连梁、转换梁、转换梁上一层剪力墙的配筋，这里涉及软件的基本假定及相关原理，不再具体论述。
还要检查构件的裂缝、扰度等是否满足规范要求。
至此，结构的各项分析工作完成，接下来就是绘图的工作了。当然还有基础的分析与涉及。
参考资料：1. 相关规范
2. PKPM相关说明书
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。