空间有限元分析与设计软件SATWE的优化

1.SATWE简介

中国建筑科学研究院的PKPM系列CAD软件，自1987年以来，历经多年的开发和推广应用，现已形成了一个包括建筑设计、结构设计、设备设计，在结构设计中又包括多层和高层、工业厂房和民用建筑，上部结构和各类基础在内的综合CAD系统，并正在向集成化和初级智能化方向发展。到目前为止，已为国内9 000多家设计单位所采用，成为国内用户最多、应用最广的一个CAD系统，并逐渐推广到东南亚国家。SATWE为Space Analysis of Tall-Buildings with Wall-Element的词头缩写，是专门为多、高层建筑结构分析与设计而研制的空间结构有限元分析软件，适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土框架、框剪、剪力墙、筒体结构等，以及钢-混凝土混合结构和高层钢结构。SATWE的基本功能如下：

（1）可自动读取经PMCAD的建模数据、荷载数据，并自动转换成SATWE所需的几何数据和荷载数据格式。

（2）程序中的空间杆单元除了可以模拟常规的柱、梁外，通过特殊构件定义，还可有效地模拟铰接梁、支撑等。特殊构件记录在PMCAD建立的模型中，这样可以随着PMCAD建模变化而变化，实现SATWE与PMCAD的互动。

（3）随着工程应用的不断拓展，SATWE可以计算的梁、柱及支撑的截面类型和形状类型越来越多。梁、柱及支撑的截面类型在PM建模中定义。混凝土结构的矩形截面和圆形截面是最常用的截面类型。对于钢结构来说，工形截面、箱形截面和型钢截面是最常用的截面类型。除此之外，PKPM的截面类型还有如下重要的几类：常用异型混凝土截面，如L、T、十、Z形混凝土截面；型钢混凝土组合截面；柱的组合截面；柱的格构柱截面；自定义任意多边形异型截面；自定义任意多边形、钢结构、型钢的组合截面。

对于自定义任意多边形异型截面和自定义任意多边形、钢结构、型钢的组合截面，需要用户用人机交互的操作方式定义，其他类型的定义都是用参数输入，程序提供针对不同类型截面的参数输入对话框，输入非常简便。

（4）剪力墙的洞口仅考虑矩形洞，无须为结构模型简化而加计算洞；墙的材料可以是混凝土、砌体或轻骨料混凝土。

（5）考虑了多塔、错层、转换层及楼板局部开大洞口等结构的特点，可以高效、准确地分析这些特殊结构。

（6）SATWE也适用于多层结构、工业厂房以及体育场馆等各种复杂结构，并实现了在三维结构分析中考虑活荷不利布置功能、底框结构计算和吊车荷载计算。

（7）自动考虑了梁、柱的偏心、刚域影响。

（8）可任意指定水平力作用方向，程序自动按转角进行坐标变换及风荷载导算，还可根据用户需要进行特殊风荷载计算。

（9）在单向地震力作用时，可考虑偶然偏心的影响；可进行双向水平地震作用下的扭转地震作用效应计算；可计算多方向输入的地震作用效应；可按振型分解反应谱方法计算竖向地震作用；对于复杂体型的高层结构，可采用振型分解反应谱法进行耦联抗震分析和动力弹性时程分析。

2.SATWE前处理及参数说明

SATWE分析设计界面采用了目前流行的Ribbon 界面风格，其界面的上侧为典型的Ribbon菜单，菜单的扁平化和图形化方便了用户进行菜单查找和对菜单功能的理解。界面的左侧为停靠对话框，更加方便地实现人图交互功能。界面的中间区域为图形窗口，用来显示图形以及进行人图交互。界面的左下角为当前的命令行，允许用户通过输入命令的方式实现特定的功能。界面的右下角为常用图标区域，该区域主要提供一些常用的、通用的功能。图6.24为SATWE前处理菜单。

图6.24　SATWE前处理菜单

其中，“分析和设计参数补充定义”中的参数信息是SATWE计算分析所必需的信息。新建工程必须执行此项菜单，确认参数正确后方可进行下一步的操作，此后如参数不再改动，则可略过此项菜单。对应菜单为“设计模型前处理”-＞“参数定义”。分析和设计参数补充定义总信息界面如图6.25所示。

图6.25　分析和设计参数补充定义总信息界面

“生成SATWE数据文件及数据检查”是SATWE前处理的核心功能，程序将PM模型数据和前处理补充定义的信息转换成适合有限元分析的数据格式。新建工程必须执行此项菜单，正确生成SATWE数据并且数据检查无错误提示后，方可进行下一步的计算分析。此外，只要在PMCAD中修改了模型数据或在SATWE前处理中修改了参数、特殊构件等相关信息，都必须重新执行“生成SATWE数据文件及数据检查”，才能使修改生效。对应菜单为“分析模型及计算”-＞“生成数据”，也可跳过此项，直接执行“生成数据+全部计算”。除上述两项之外，其余各项菜单不是每项工程必需的，可根据工程实际情况，有针对性地选择执行。

1）总信息

（1）水平力与整体坐标夹角

地震作用和风荷载的方向缺省是沿着结构建模的整体坐标系x轴和y轴方向成对作用的。当用户认为该方向不能控制结构的最大受力状态时，则可改变水平力的作用方向。改变“水平力与整体坐标夹角”，实质上就是填入新的水平力方向xn与整体坐标系x轴之间的夹角Arf，逆时针方向为正，单位为度。程序缺省为0度。改变Arf后，程序并不直接改变水平力的作用方向，而是将结构反向旋转相同的角度，以间接改变水平力的作用方向，即：填入30度时，SATWE中将结构平面顺时针旋转30度，此时水平力的作用方向将仍然沿整体坐标系的x轴和y轴方向，即0度和90度方向。改变结构平面布置转角后，必须重新执行“生成数据”菜单，以自动生成新的模型几何数据和风荷载信息。此参数将同时影响地震作用和风荷载的方向。因此建议需改变风荷载作用方向时才采用该参数。此时如果结构新的主轴方向与整体坐标系方向不一致，可将主轴方向角度作为“斜交抗侧力附加地震方向”填入，以考虑沿结构主轴方向的地震作用。如不改变风荷载方向，只需考虑其他角度的地震作用时，则无须改变“水平力与整体坐标夹角”，只增加附加地震作用方向即可。

（2）混凝土、钢材容重（单位kN/m3）

混凝土容重和钢材容重用于求梁、柱、墙自重，一般情况下混凝土容重为25kN/m3，钢材容重为78.0kN/m3，即程序的缺省值。如要考虑梁、柱、墙上的抹灰、装修层等荷载时，可以采用加大容重的方法近似考虑，以避免烦琐的荷载导算。若采用轻质混凝土等，也可在此修改容重值。该参数在PMCAD和SATWE中同时存在，其数值是联动的。

（3）裙房层数

《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第6.1.10条文说明指出：有裙房时，加强部位的高度也可以延伸至裙房以上一层。SATWE在确定剪力墙底部加强部位高度时，总是将裙房以上一层作为加强区高度判定的一个条件。程序不能自动识别裙房层数，需要人工指定。裙房层数应从结构最底层起算（包括地下室）。例如：地下室3层，地上裙房4层时，裙房层数应填入7。裙房层数仅用作底部加强区高度的判断，规范针对裙房的其他相关规定，程序并未考虑。

（4）地下室层数

地下室层数是指与上部结构同时进行内力分析的地下室部分的层数。地下室层数影响风荷载和地震作用计算、内力调整、底部加强区的判断等众多内容，是一项重要参数。

（5）嵌固端所在层号

此处嵌固端不同于结构的力学嵌固端，不影响结构的力学分析模型，而是与计算调整相关的一项参数。对于无地下室的结构，嵌固端一定位于首层底部，此时嵌固端所在层号为1，即结构首层；对于带地下室的结构，当地下室顶板具有足够的刚度和承载力，并满足规范的相应要求时，可以作为上部结构的嵌固端，此时嵌固端所在楼层为地上一层，即（地下室层数+1），这也是程序缺省的“嵌固端所在层号”。如果修改了地下室层数，应注意确认嵌固端所在层号是否需相应修改。嵌固端位置的确定应参照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第6.1.14条和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第12.2.1条的相关规定，其中应特别注意楼层侧向刚度比的要求。如地下室顶板不能满足作为嵌固端的要求，则嵌固端位置要相应下移至满足规范要求的楼层。程序缺省的“嵌固端所在层号”总是为地上一层，并未判断是否满足规范要求，用户应特别注意自行判断并确定实际的嵌固端位置。

（6）墙元、弹性板细分最大控制长度（单位m）

这是墙元细分时需要的一个重要参数。对于尺寸较大的剪力墙，在作墙元细分形成一系列小壳元时，为确保分析精度，要求小壳元的边长不得大于给定限值Dmax。工程规模较小时，建议在0.5到1.0之间填写；剪力墙数量较多，不能正常计算时，可适当增大细分尺寸，在1.0到2.0之间取值，但前提是一定要保证网格质量。用户可在SATWE的“分析模型及计算”→“模型简图”→“空间简图”中查看网格划分的结果。

（7）全楼强制采用刚性楼板假定

“强制刚性楼板假定”和“刚性楼板假定”是两个相关但不等同的概念，应注意区分。“刚性楼板假定”是指楼板平面内无限刚，平面外刚度为零的假定。每块刚性楼板有3个公共的自由度，从属于同一刚性板的每个节点只有3个独立的自由度。这样能大大减少结构的自由度，提高分析效率。

SATWE自动搜索全楼楼板，对于符合条件的楼板，自动判断为刚性楼板，并采用刚性楼板假定，无须用户干预。某些工程中采用刚性楼板假定可能误差较大，为提高分析精度，可在“设计模型前处理”→“弹性板”菜单将这部分楼板定义为适合的弹性板。这样同一楼层内可能既有多个刚性板块，又有弹性板，还可能存在独立的弹性节点。对于刚性楼板，程序将自动执行刚性楼板假定，弹性板或独立节点则采用相应的计算原则。而“强制刚性楼板假定”则不区分刚性板、弹性板，或独立的弹性节点，只要位于该层楼面标高处的所有节点，在计算时都将强制从属同一刚性板。

“强制刚性楼板假定”可能改变结构的真实模型，因此其适用范围是有限的，一般仅在计算位移比、周期比、刚度比等指标时建议选择。在进行结构内力分析和配筋计算时，仍要遵循结构的真实模型，才能获得正确的分析和设计结果。

（8）整体指标计算采用强刚，其他指标采用非强刚

设计过程中，对于楼层位移比、周期比、刚度比等整体指标通常需要采用强制刚性楼板假定进行计算，而内力、配筋等结果则必须采用非强制刚性楼板假定的模型结果。勾选此项，程序自动对强制刚性楼板假定和非强制刚性楼板假定两种模型分别进行计算，并对计算结果进行整合。

（9）地震作用计算信息

程序提供了以下4个选项供用户选择：

①不计算地震作用：对于不进行抗震设防的地区或者抗震设防烈度为6度时的部分结构，规范规定可以不进行地震作用计算，参见《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第3.1.2条，此时可选择“不计算地震作用”。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第5.1.6条规定：6度时的部分建筑，应允许不进行截面抗震验算，但应符合有关的抗震措施要求。因此这类结构在选择“不计算地震作用”的同时，仍然要在“地震信息”页中指定抗震等级，以满足抗震构造措施的要求。此时，“地震信息”页除抗震等级相关参数外其余项会变灰。

②计算水平地震作用：计算X、Y两个方向的地震作用。

③计算水平和规范简化方法竖向地震：按《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第5.3.1条规定的简化方法计算竖向地震。

④计算水平和反应谱方法竖向地震：按竖向振型分解反应谱方法计算竖向地震；《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第4.3.14规定：跨度大于24m的楼盖结构、跨度大于12m的转换结构和连体结构，悬挑长度大于5m的悬挑结构，结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析方法或振型分解反应谱方法进行计算。采用振型分解反应谱法计算竖向地震作用时，程序输出每个振型的竖向地震力，以及楼层的地震反应力和竖向作用力，并输出竖向地震作用系数和有效质量系数，与水平地震作用均类似。

（10）楼梯计算

在结构建模中创建的楼梯，用户可在SATWE中选择是否在整体计算时考虑楼梯的作用。若在整体计算中考虑楼梯，程序会自动将梯梁、梯柱、梯板加入模型当中。SATWE中提供了两种楼梯计算的模型：壳单元和梁单元。默认采用壳单元。两者的区别在于对梯段的处理，壳单元模型用膜单元计算梯段的刚度，而梁单元模型用梁单元计算梯段的刚度，两者对于平台板都用膜单元来模拟。程序可自动对楼梯单元进行网格细分。此外，针对楼梯计算，SATWE设置了自动进行多模型包络设计。如果用户选择同时计算不带楼梯模型和带楼梯模型，则程序自动生成两个模型，并进行包络设计。

（11）楼板按有限元方式进行面外设计

梁板共同工作的计算模型，可使梁上荷载由板和梁共同承担，从而减少梁的受力和配筋，特别是针对楼板较厚的板，应将其设置为弹性板3或者弹性板6计算。既节约了材料，又实现强柱弱梁改善了结构抗震性能。傅学怡大师指出，不考虑实际现浇钢筋混凝土结构中梁、板互相作用的计算模式，单独计算板，由于忽略支座梁刚度的影响，无法正确反映板块内力的走向，容易留下安全隐患。

2）计算控制信息

（1）地震作用分析方法

“地震作用分析方法”有“侧刚分析方法”和“总刚分析方法”两个选项。其中“侧刚分析方法”是指按侧刚模型进行结构振动分析；“总刚分析方法”则是指按总刚模型进行结构振动分析。当结构中各楼层均采用刚性楼板假定时可采用“侧刚分析方法”；其他情况，如定义了弹性楼板或有较多的错层构件时，建议采用“总刚分析方法”，即按总刚模型进行结构的振动分析。

（2）传基础刚度

若想进行上部结构与基础共同分析，应勾选“生成传给基础的刚度”选项。这样在基础分析时，选择上部刚度，即可实现上部结构与基础共同分析。

（3）自定义风荷载信息

该参数主要用来控制是否保留“分析模型及计算”→“风荷载”定义的水平风荷载信息。用户在执行“生成数据”后可在“分析模型及计算”→“风荷载”菜单中对程序自动计算的水平风荷载进行修改。勾选此参数时，再次执行“生成数据”时程序将保留上次的风荷载数据（全楼所有风荷载数据均保留，不区分是否用户自定义）；如不勾选，则程序会重新生成风荷载，自定义数据不被保留。当模型发生变化时，应注意确认上次数据是否应被保留。

3）风荷载信息

SATWE依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）的公式（8.1.1-1）计算风荷载。计算相关的参数在此页填写，包括水平风荷载和特殊风荷载相关的参数。若在第一页参数中选择了不计算风荷载，可不必考虑本页参数的取值。

（1）地面粗糙度类别

分A、B、C、D四类，用于计算风压高度变化系数等。

（2）修正后的基本风压

一般按照荷载规范给出的50年一遇的风压采用，对于部分风荷载敏感建筑，应考虑地点和环境的影响进行修正：如沿海地区和强风地带等。又如《门刚规程》中规定，基本风压按现行国家标准《荷载规范》的规定值乘以1.05采用。用户应自行依据相关规范、规程对基本风压进行修正，程序以用户填入的修正后的风压值进行风荷载计算，不再另行修正。

（3）X、Y向结构基本周期

“结构基本周期”用于脉动风荷载的共振分量因子R的计算，对于比较规则的结构，可以采用近似方法计算基本周期：框架结构T＝(0.08～0.10)n；框剪结构、框筒结构T＝(0.06～0.08)n；剪力墙结构、筒中筒结构T＝(0.05～0.06)n。其中 n 为结构层数。程序按简化方式对基本周期赋初值，用户也可以在SATWE计算完成后，得到准确的结构自振周期，再回到此处将新的周期值填入，然后重新计算，以得到更为准确的风荷载。

（4）风荷载作用下结构的阻尼比

与“结构基本周期”相同，该参数也用于脉动风荷载的共振分量因子R的计算。新建工程第一次进SATWE时，会根据“结构材料信息”自动对“风荷载作用下的阻尼比”赋初值：混凝土结构及砌体结构0.05，有填充墙钢结构0.02，无填充墙钢结构0.01。

（5）承载力设计时风荷载效应放大系数

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第4.2.2条规定：对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。对于正常使用极限状态设计，一般仍可采用基本风压值或由设计人员根据实际情况确定。也就是说，部分高层建筑在风荷载承载力设计和正常使用极限状态设计时，可能需要采用两个不同的风压值。为此，SATWE新增了“承载力设计时风荷载效应放大系数”，用户只需按照正常使用极限状态确定风压值，程序在进行风荷载承载力设计时，将自动对风荷载效应进行放大，相当于对承载力设计时的风压值进行了提高，这样一次计算就可同时得到全部结果。填写该系数后，程序将直接对风荷载作用下的构件内力进行放大，不改变结构位移。结构对风荷载是否敏感，以及是否需要提高基本风压，规范尚无明确规定，应由设计人员根据实际情况确定。程序缺省值为1.0。

（6）顺风向风振

《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）第8.4.1条规定：对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1大于0.25s 的各种高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。当计算中需考虑顺风向风振时，应勾选该菜单，程序自动按照规范要求进行计算。

（7）横风向风振与扭转风振

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）第8.5.1条规定：“对于横风向风振作用效应明显的高层建筑以及细长圆形截面构筑物，宜考虑横风向风振的影响。”第8.5.4条规定：“对于扭转风振作用效应明显的高层建筑及高耸接结构，宜考虑扭转风振的影响。”考虑风振的方式可以通过风洞试验或者按照规范附录H.1，H.2和H.3确定。当采用风洞试验数据时，软件提供文件接口windhole.pm，用户可根据格式进行填写。当采用软件所提供的规范附录方法时，除了需要正确填写周期等相关参数外，必须根据规范条文确保其适用范围，否则计算结果可能无效。为便于验算，软件提供图示“校核”结果供用户参考，应仔细阅读相关内容。

4）地震信息

当抗震设防烈度为6度时，某些房屋虽然可不进行地震作用计算，但仍应采取抗震构造措施。因此，若在第一页参数中选择了不计算地震作用，本页中各项抗震等级仍应按实际情况填写，其他参数全部变灰。

（1）结构规则性信息

该参数在程序内部不起作用。

（2）设防地震分组

设防地震分组应由用户自行填写，用户修改本参数时，界面上的“特征周期Tg”会根据抗规联动改变。因此，用户在修改设防地震分组时，应特别注意确认特征周期Tg值的正确性。特别是根据区划图确定了Tg值并正确填写后，一旦再次修改设防地震分组，程序会根据抗规联动修改Tg值，此时应重新填入根据区划图确定的Tg值。

（3）设防烈度

设防烈度应由用户自行填写，用户修改设防烈度时，界面上的“水平地震影响系数最大值”会根据抗规联动改变。因此，用户在修改设防烈度时，应特别注意确认水平地震影响系数最大值αmax的正确性。特别是根据区划图确定了αmax值并正确填写后，一旦再次修改设防烈度，程序会根据抗规联动修改αmax值，此时应重新填入根据区划图确定的αmax值。

（4）场地类别

依据抗震规范，提供I0、I1、II、III、IV共五类场地类别。用户修改场地类别时，界面上的特征周期Tg值会根据抗规联动改变，因此，用户在修改场地类别时，应特别注意确认特征周期Tg值的正确性。

（5）混凝土框架、剪力墙、钢框架抗震等级

程序提供0、1、2、3、4、5六种值。其中0、1、2、3、4分别代表抗震等级为特一级、一、二、三或四级，5代表不考虑抗震构造要求。此处指定的抗震等级是全楼适用的。通过此处指定的抗震等级，SATWE自动对全楼所有构件的抗震等级赋初值。依据抗规、高规等相关条文，某些部位或构件的抗震等级可能还需要在此基础上进行单独调整，SATWE将自动对这部分构件的抗震等级进行调整。对于少数未能涵盖的特殊情况，用户可通过前处理第二项菜单“特殊构件补充定义”进行单构件的补充指定，以满足工程需求。

（6）抗震构造措施的抗震等级

在某些情况下，结构的抗震构造措施等级可能与抗震等级不同。用户应根据工程的设防类别查找相应的规范，以确定抗震构造措施等级。当抗震构造措施的抗震等级与抗震措施的抗震等级不一致时，在配筋文件中会输出此项信息。

（7）计算振型个数

在计算地震作用时，振型个数的选取应遵循《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第5.2.2条条文说明的规定：“振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。”当仅计算水平地震作用或者用规范方法计算竖向地震作用时，振型数应至少取3。为了使每阶振型都尽可能地得到两个平动振型和一个扭转振型，振型数最好为3的倍数。振型数的多少与结构层数及结构形式有关，当结构层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数也应相应增加，如顶部有小塔楼、转换层等结构形式。选择振型分解反应谱法计算竖向地震作用时，为了满足竖向振动的有效质量系数，一般应适当增加振型数。

（8）周期折减系数

周期折减的目的是充分考虑框架结构和框架-剪力墙结构的填充墙刚度对计算周期的影响。对于框架结构，若填充墙较多，周期折减系数可取0.6～0.7，填充墙较少时可取0.7～0.8；对于框架-剪力墙结构，可取0.7～0.8，纯剪力墙结构的周期可不折减。

（9）偶然偏心

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）4.3.3条规定：计算地震作用时，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%。

（10）双向地震作用

《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第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。

（11）各楼层剪重比的控制

《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）第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。对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数。程序给出一个控制开关，由设计人员决定是否由程序自动进行调整。若选择由程序自动进行调整，则程序对结构的每一层分别判断，若某一层的剪重比小于规范要求，则相应放大该层的地震作用效应（内力）。

（12）地震位移控制和位移比

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.4.5条规定：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移角，A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍；且A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。

针对此条，程序在位移输出文件中增加了有关信息，包括每一楼层竖向构件最大水平位移、楼层平均位移、二者的比值、楼层竖向构件最大层间位移、楼层平均层间位移、二者的比值以及最大层间位移角。其中平均值是按最大值和最小值之和的一半计算的。此外，在位移、层间位移计算中，考虑了偶然偏心影响，但未考虑双向地震作用影响。

对于楼层位移比和层间位移比控制，通常情况下采用强制刚性楼板假定时可以较好地反映楼层的整体扭转效应，过滤个别不规则构件的影响。但按照第3.4.5条条文说明“当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，楼板可能产生显著的面内变形，这时宜采用考虑楼板变形影响的计算方法”。

（13）周期比控制

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.4.5条：结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。此条主要为控制结构在地震作用下的扭转效应。要计算周期比，首先要知道哪个周期是第一扭转周期，哪个周期是第一侧振周期。对于侧向刚度沿竖向分布基本均匀的较规则结构，其规律性较强，扭转为主的第一扭转周期Tt和平移为主的第一侧振周期T1都比较好确定。但对于平面或竖向布置不规则的结构，则难以直观地确定Tt和T1。为便于设计人员执行这条规定，在软件中提供了各振型的振动形态判断和主振型判断功能。目前软件的这项功能仅适用于单塔结构，对于多塔结构，软件输出的振型方向因子暂时没有参考意义。在改进软件之前，应把多塔结构切分开，按单塔结构控制扭转周期。(www.xing528.com)

3.SATWE结果查看-图形文件

1）各层配筋构件编号简图

在各层配筋构件编号简图中标注了各层梁、柱、支撑和墙-柱、墙-梁的编号，如图6.26所示。计算机屏幕上图中的白色数字为节点号、青色数字为梁序号、黄色数字为柱序号、紫色数字为支撑序号、绿色数字为墙-柱序号、蓝色数字为墙-梁序号。每一根墙-梁下部都标出了其截面的宽度和高度。在第一结构层的配筋构件编号简图中，显示结构本层的刚度中心坐标（双同心圆）和质心坐标（带十字线的圆环）。

图6.26　各层配筋构件编号简图

2）混凝土构件配筋及钢构件验算简图

其功能是以图形方式显示配筋计算结果，图中配筋面积单位为cm2，如果有超筋或柱的轴压比不满足要求，则以红色显示。配筋简图文件名为WPJ*.T（其中*代表层号），如图6.27所示。

图6.27　混凝土构件配筋及钢构件验算简图

3）混凝土柱和梁的配筋标注（图6.28、图6.29）

Asul、Asu2、Asu3：梁上部左端、跨中、右端截面配筋面积（cm2）。

Asdl，Asd2、Asd3：梁下部左端、跨中、右端截面配筋面积（cm2）。

GAsv：梁加密区箍筋间距范围内的抗剪箍筋面积和剪扭箍筋面积的较大值。

GAsv0：梁非加密区箍筋间距范围内的抗剪箍筋面积和剪扭箍筋面积的较大值。

VTAst、Ast1：梁受扭纵筋面积和抗扭箍筋沿周边布置的单肢箍面积；如果其值都为0，则不用输入。

G、VT：箍筋和剪扭箍筋的标志。

图6.28　混凝土柱的配筋标注示意

图6.29　混凝土梁的配筋标注示意

4.计算控制参数的分析与调整

采用SATWE进行结构分析，计算控制参数主要有轴压比、刚度比、剪重比、刚重比、位移比、周期比、有效质量系数、超配筋等方面满足规范要求，来确保结构的安全，若初步验算有某些指标不满足规范要求，则需反复试算，直至结果满足要求，同时要兼顾经济性要求。

1）柱轴压比

柱轴压比指柱（墙）的轴压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比，反应柱（墙）的受压情况，主要为控制结构的延性，轴压比不满足要求，结构的延性要求无法保证。轴压比过小，说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少相应柱（墙）的截面面积。

轴压比不满足时的调整方法：增大柱（墙）的截面面积或者提高柱（墙）混凝土强度。

2）刚度比分析

刚度比的计算主要是用来确定结构中的薄弱层，控制结构竖向布置的规则性，或用于判断地下室的刚度是否满足嵌固要求。

（1）规范相关条文规定

抗震规范和高层规范及相应的条文说明，对于形成的薄弱层则按照高层规范相关条文予以加强。

①《抗震规范》附录E.2.1规定，筒体结构转换层上下的结构质量中心宜接近重合，转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。

②《高规》3.5.3条规定，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间承载力不应小于其相邻上一层的75%。

③《高规》5.3.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2。

④《高规》10.2.3条规定，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度变化应符合本规程附录E的规定。

⑤《高规》E.0.1规定，当转换层设置在1、2层时，可近似采用转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比γe1表示转换层上下层结构刚度的变化，γe1宜接近1，非抗震设计时不应小于0.4，抗震设计时不应小于0.5。

⑥《高规》E.0.2规定，当转换层设置在第2层以上时，按本规程式（3.5.2-1）计算的转换层与其相邻上层的侧向刚度比不应小于0.6。

（2）规范相关条文规定

规范要求结构各层之间的刚度比，并根据刚度比对地震力进行放大，所以刚度比的合理计算很重要，规范对结构的层刚度有明确的要求，在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求时，都要求有层刚度作为依据，所以层刚度计算时的准确性比较重要，程序提供了3种计算方法：

①楼层剪切刚度。只要计算地震作用，一般选择此计算方法。

②单层加单位力的楼层剪弯刚度，不计算地震作用，对于多层结构可以选择剪切层刚度算法，高层结构可以选择剪弯层刚度。

③楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度：不计算地震作用，对于有斜支撑的钢结构可以选择剪弯层刚度算法。

算法的选择是程序依据相关规范条文指定完成，设计人员可根据需要调整。

（3）不满足时的调整方法

①程序调整：程序自动在SATWE中将不满足要求楼层定义为薄弱层，并按照《高规》3.5.8将该楼层地震剪力放大1.25倍。

②人工调整：可适当加强本层墙柱、梁的刚度，适当削弱上部相关楼层墙柱、梁的刚度，在WAMASS.OUT文件中输出层刚度比计算结果。

（4）层刚度比验算原则

层刚度比的概念用来体现结构整体的上下匀称度，但是，对于一些复杂结构，如坡屋顶层、体育馆、看台、工业建筑等，此类结构或者柱、墙不在同一标高，或者本层根本没有楼板，所以在设计时可以不考虑此类结构所计算的层刚度特性。

对于错层结构或者带有夹层的结构，层刚度比有时得不到合理的计算，这是因为层的概念被广义化了，此时，需要采用模型简化才能计算出层刚度比。

按整体模型计算大底盘多塔结构时，大底盘顶层与上面一层塔楼的刚度比、楼层抗剪承载力比通常都会比较大，对结构设计没有实际指导意义，但程序仍会输出计算结果，设计人员可根据工程实际情况区别对待。

3）剪重比分析

剪重比为地震作用与重力荷载代表值，主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保长周期结构的安全。剪重比不满足规范要求，说明结构刚度相对于水平地震剪力过小，但剪重比过大，则说明结构的经济技术指标较差。

（1）规范相关条文规定

《抗震规范》5.2.5条规定，抗震验算时，任意一楼层的水平地震剪力应符合下式要求：

式中：VEKi为第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；λ为剪力系数，不应小于规范表3-6规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数；Gj为第j层的重力荷载代表值。

规范规定剪重比计算，主要是因为在长周期作用下，地震影响系数下降较快，对于基本周期大于3.5s 的结构，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应有可能太小，而对于长周期结构，地震动态作用下的地面运动速度可能对结构有更大的破坏作用而振型分解反应谱法尚无法对此做出较准确的计算。出于安全考虑，该值如不满足要求，说明结构可能出现比较明显的薄弱部位。

（2）不满足时调整方法

①在SATWE的“调整信息”中勾选“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内力”，SATWE按抗震规范5.2.5自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪力，以满足剪重比要求。

②在SATWE的“调整信息”中勾选“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数，增大地震作用，以满足剪重比要求。

③在SATWE的“调整信息”中勾选“周期折减系数”中适当减小系数，增大地震作用，以满足剪重比要求。

④当剪重比偏小且与规范限值相差较大时，宜调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

4）刚重比分析

刚重比是指结构的侧向刚度和重力荷载设计值之比，是影响重力二阶效应的主要参数。

（1）规范相关条文规定

规范上限主要要求用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应是否可以忽略不计，见《高规》5.4.1和5.4.2及相应的条文说明。刚重比不满足规范上限要求，说明重力二阶效应的影响较大，应该予以考虑。规范下限主要是控制重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应不至于过大，避免结构的失稳倒塌，见《高规》5.4.4及相应的条文说明。刚重比不满足规范下限要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小。但刚重比过大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

（2）调整方法

①刚重比不满足规范上限要求，在SATWE的“设计信息”中勾选“考虑p-Δ效应”，程序自动计入重力二阶效应的影响。

②刚重比不满足规范下限要求，只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

③规范给定的刚重比的上限值是2.7，当小于这个值时需要考虑重力二阶效应，大于此值无须考虑。

5）位移角与位移比分析

（1）规范相关条文规定

《高规》3.4.5条规定，“结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍”。

《高规》3.4.5条规定，“应在计入偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，考虑结构楼层位移比的情况”。

（2）控制位移比的计算模型

按照规范要求的定义，位移比表示为“最大位移/平均位移”，而平均位移表示为 “（最大位移+最小位移）/2”。其中关键是最小位移，当楼层中产生0位移节点，则最小位移一定为0。从而造成平均位移为最大位移的一半，位移比为2，则失去位移比这个结构特征参数的意义，所以计算位移比时，如楼层中产生弹性节点，应选择“强制刚性楼板假定”。

（3）调　整

SATWE程序本身无法自动实现，只能通过调整改变结构平面布置，减小结构刚心与质心的偏心距。

6）周期比分析

周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，目的是使抗侧力构件的平面布置更有效更合理，使结构不至于出现过大相对于侧移的扭转效应。周期比旨在要求结构承载布局的合理性。

（1）规范相关条文规定

《高规》3.4.5条规定，“结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85”。对于规则单塔楼结构，如下验算周期比：①根据各振型的平动系数大于0.5，还是扭转系数大于0.5，区分出各振型是扭转振型还是平动振型；②通常周期最长的扭转振型对应的就是第一扭转周期，周期最长的平动振型对应的就是第一平动周期；③对照结构整体空间振动简图，考察第一扭转平动周期是否引起整体振动，如果仅是局部振动，则不是第一扭转平动周期，再考察下一个次长周期；④考察第一平动周期的基底剪力比是否为最大；⑤根据输出结果计算，看是否超过0.9（0.85）。

（2）调　整

一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，总的调整原则是加强结构外圈刚度。

7）有效质量系数分析

如果计算算时只取几个振型，那这几个振型的有效质量之和与总质量之比即为有效质量系数，用于判断振型是否足够。某些结构，需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90%，例如平面复杂、楼面刚度不是无穷大、振型整体较差、局部振动明显的结构，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。

当此系数大于90%，表示振型数、地震作用满足规范要求。当有效质量系数小于90%时，应增加振型数以满足大于90%的要求，振型组合数应不大于结构自由度数（结构层数的3倍）。

8）超配筋信息

如果出现超配筋现象，首先结合“图形文件输出”中的“混凝土构件及钢构件计算简图”的图形信息，找出超筋部位，分析超筋原因，然后按以下3种方式调整结构：

（1）加大截面，增大截面刚度。一般在建筑要求严格处，如过廊等，加大梁宽；建筑要求不严格处，如卫生间处，加大梁高或提高混凝土强度等级。

（2）点铰，以梁端开裂为代价，不宜多用。点铰对输入的弯矩进行调幅到跨中，并释放扭矩，强行点铰不符合实际情况，不安全；或者改变截面大小，让节点有接近铰的趋势，并且相邻周边的竖向构件加强配筋。

（3）力流与刚度。通过调整构件刚度来改变输入力流的方向，使力流避开超筋处的构件，加大部分力流引到其他构件，但在高烈度区，会导致其他地方的梁超筋。

5.结构设计电算计算书的内容

一般来说，电算计算书包括文本信息和图形信息两部分。

1）文本信息

（1）总信息：选择“结构设计信息”选项，单击【应用】，弹出信息文本（WMASS.OUT），查看本结构设计的信息。

（2）周期：选择“周期振型地震力”选项，单击【应用】，弹出信息文本（WZQ.OUT），查看本结构设计的周期、振型、地震力等参数设置。

（3）位移角和位移比：选择“结构位移”选项，单击【应用】，弹出信息文本（WDISP.OUT）。

（4）框剪结构倾覆力矩比：选择“框架柱倾覆弯矩”选项，单击【应用】，弹出信息文本（WV02Q.OUT），查看本结构梁柱等构件是否超筋。

《抗震规范》6.1.3-1条规定：“设置少设抗震墙的框架结构，在规定的水平力作用下，底部框架所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩50%时，其框架的抗震等级仍应按框架结构确定，抗震墙的抗震等级可与框架的抗震等级相同。”《高规》8.1.3条规定：“抗震设计的框架剪力墙结构，应根据在规定的水平力作用下的结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值，确定相应的设计方法。”

总之，框架-剪力墙结构中框架与剪力墙配合得越紧密，二者之间的传力越显著，两种方式统计的框架倾覆力矩差异越大。对于独立工作的框架和剪力墙，两种方法是一致的。一般建议《抗震规范》得到的结构首层或嵌固层的倾覆力矩，《高规》的力学方式可以反映框架的数量，还可以反映框架的空间布置，是更为合理的衡量“框架在整个抗侧力体系中作用”的指标，可以作为一种参考。

2）图形信息

计算书中的图形文件有以下几个部分内容：①荷载：面荷载和线荷载；②板厚；③板内力、配筋、裂缝、挠度；④梁柱断面简图、梁柱配筋简图：梁柱断面简图、梁柱配筋简图参见“各层配筋构件简图”和“混凝土构件配筋及钢构件验算简图”；⑤梁裂缝、挠度。