PKPM软件的几点认识及其在结构设计中的应用

摘要：PKPM已经成为结构设计人员最常使用的结构整体计算工具，正确使用该软件对结构设计的影响不言而喻。笔者通过多年实际使用，对其中几点有了比较深入的认识：次梁梁端的假定，虚梁的合理运用，一级框架强柱弱梁的处理，短肢剪力墙的概念设计、柱网的优化布置。 

　　1、对结构整体计算程序的几个观点： 

　　在现代结构设计中，建筑方案越发复杂，对结构设计的要求也越来越高，设计人员必须依靠计算程序的强大的功能去进行海量的运算。PKPM空间分析程序是一个理想的结构计算软件，在其长期的发展中越来越人性化.操作越来越简便。但其并非十全十美，笔者认为在程序应用过程中有几个问题应引起注意。 

　　1.1 次梁梁端约束条件的假定和实现 

　　随着PKPM的不断改进，在PMCAD建模中可在其第一项即建筑模型与荷载输入里建主框架的同时输入次梁布置，这无疑给设计人员带来了很大的方便，尤其对次梁布置复杂的结构更为有效，但也随之带来一些问题。在手工计算中我们通常假定次梁端部为铰接。而程序计算时没有把次梁端部按铰接处理，梁跨中的正弯矩减少，这样难免有失安全。另外还要注意主框架梁和次梁间的协调扭转，协调扭转是由变形协调产生的，它使主框架梁和次梁间有一定的扭转变形，这样框架梁对次梁端部的约束作用就更弱。因此在计算时应将次梁的支座端部定义为铰接，更符合我们对次梁的设计假定，偏于安全。然而这样处理存在一个矛盾：虽然次梁对主框架梁没有了扭转作用，但在设计主梁时还是应考虑这个不利因素，适当的增加主梁抗扭能力。在结构布置时也要注意这个不利因素，为了减少对框架梁的扭距应尽量使次梁连续布置，尽量避免框架梁两侧的次梁有距离比较短的错位，如果不可避免应特别注意该框架梁的抗扭，必要时应补充计算以确保框架梁的安全。 

　　1.2 SATWE对一级框架强柱弱梁的处理 

　　SATWE在计算一级框架没有很好的处理强柱弱梁这个重要的抗震概念。在现行规范中无论是抗震设计规范还是高层混凝土结构规程都对一级框架作出了严格明确的规定，要求∑Mc=1.2∑Mbua，即节点上、下柱截面顺时针或逆时针方向组合弯距设计值之和不小于1.2倍的节点梁端逆时针或顺时针方向的正截面受弯承载力所对应的弯距之和。SATWE计算一级框架不是按梁的实配的正截面受弯承载力所对应的弯距来确定柱设计弯距的，而是通过一级框架结构梁柱钢筋超配系数1.15来控制柱配筋，通过增加柱内钢筋用量的方法达到强柱弱梁的目的。这不是规范给出的式计算方法，所以SATWE计算结果不能完全解决强柱弱梁的问题。因为程序不知道设计人员调整后梁的实配钢筋，所以目前程序无法精确实现强柱弱梁计算，需要设计人员补充设计。笔者设计的某大厦是一级框架结构，在设计过程中发现程序所计算的柱配筋不能完全满足强柱弱梁的要求。按梁的实配钢筋用规范提供的近似公式Mbua=fykAas（h0-α’s）/γRE 先计算出梁端正截面受弯承载力所对应的弯距，再按∑Mc=1.2∑Mbua计算节点上、下柱截面的设计弯距之和，然后按刚度分配给上、下柱截面，得到柱弯矩查到SATWE计算文件中的柱轴向力后按计算公式得出柱配筋。建筑底部的柱比建筑上部的相应位置柱的轴向力大得多，而建筑底部的梁配筋比建筑上部的相应位置的梁配筋却增大的不多。因此建筑底部柱子的强柱弱梁相对容易满足要求，而建筑上部柱子的强柱弱梁却很难满足要求。人工计算大致如下：在计算梁支座实配钢筋时取柱边处梁的弯距，从而减少了梁的支座配筋量，进而降低了柱的设计弯距值，控制了柱内钢筋用量以满足强柱弱梁的要求。由此可见，PKPM对一级框架强柱弱梁的处理不尽理想，需要设计人员判断和修正。 

　　1.3 虚梁的合理运用 

　　PKPM为用户提供了截面为100mm×100mm的虚梁，虚梁主要作用是用来划分板块，它只传递荷载，没有刚度和质量，不参与抗震。多数用于无梁体系SLABCAD计算在框架柱间的连接、封闭建筑房间等等。然而设计人员在建摸时为了真实反映建筑物的荷载，在隔墙下没有设次梁的部位布置虚梁来实现对墙体线荷载的输入，这样避免了遗漏荷载但对有些框架梁有失真实。原因在于程序中虚梁改变板跨，从而改变板传力方向，例如一个3.6m×3.6m的板格，板四边的梁均匀受力，每根梁上承受1/4板上荷载，如果在这个板格中间平行均匀的布置两道虚梁后，虚梁使该板变为三个1.2m×3.6m的板，这样板四边的梁受力不均匀，平行于虚梁的每根梁上承受1/6板上荷载，垂直于虚梁的每根梁上承受1/3板上荷载。这样就使梁的受力模型与实际的受力情况不符，会造成有的梁配筋不足而有的梁配筋偏大。在此笔者建议不要在无梁隔墙下布置虚，可将隔墙何在折算成面荷载布置，从而比较地反映板的传力，保证梁的设计安全。 

　　2、结构概念设计的几个观点 

　　概念设计的宗旨就是在特定的条件下，以设计人自身确定的理想承载力、刚度和延性为主导目标，用整体构思来设计各部分有机相连的结构总体系，并能有意识地利用和发挥结构最佳受力特征与协调关系。概念设计在结构设计当中占有重要的地位。下面是一些在工程实践中对结构概念设计的几点体会。 

　　2.1 短肢剪力墙的概念设计 

　　短肢剪力墙是指截面高度较小（hw/bw=5～8）的独立剪力墙，或两个方向hw/bw都小于8的剪力墙。短肢剪力墙结构在水平荷载作用下呈现弯曲变形。这种结构形式的两个弱点：一方面是当剪力墙井筒削弱后，很弱的短肢剪力墙没有足够的延性和承载力，可能随之破坏；另一方面如果短肢剪力墙失效，虽然可以依靠其他的剪力墙承受地震力，但是承受竖向荷载的楼板将受到严重的威胁，可能发生“连续倒塌”。所以短肢剪力墙结构应布置多道防线。同时，规范尚对短肢剪力墙较多的结构最大适用高度作了限制。所谓的“短肢剪力墙较多”规范并没有定量的界线，但是从概念和破坏机理上来说，可以认为短肢剪力墙承受竖向荷载的面积达到楼层面积的40%，或短肢剪力墙集中布置，即可认定为“较多”。为加强结构承载力和延性，防止局部倒塌和连续倒塌，规范给出了一些加强措施：提高短肢剪力墙的抗震等级、严控轴压比、增大纵向钢筋配筋率，以提高其抗压、抗剪能力，实现强剪弱弯的抗震概念；尽量避免一字形短肢剪力墙，并避免其平面外与跨度较大的单侧梁连接。除了以上几点规范给出的加强措施外，还有一些规范中没有提到，但同样重要，在实际工程设计中要注意：满足强墙弱梁要求，与短肢剪力墙相连梁不应太强、短肢剪力墙抵抗的剪力不能小于基底总剪力的20%、验算一字形短肢剪力墙的平面外抗弯和抗剪等等。 

　　2.2 柱网的合理布置 

　　在框架结构中柱网的布置至关重要，它不仅影响建筑功能的使用还影响工程造价。柱网不宜设计成正方形，而应是矩形。这也符合主、次梁的合理布置。在连续多跨的框架结构中，如果边跨和内跨的柱间距都设计成一样，且又无端部悬臂时，则在活荷载工况相同的条件下，该框架梁的截面最大正弯距和最大负弯距都出现在边跨，这就使边跨梁所需的截面高度或钢筋用量比内跨梁要大，这一点在预应力框架梁上体现的尤为突出。为了使连续梁受力均匀，可以依照情况分别采取以下两个方法：第一，在布置柱网时有意识地将边跨的柱间距设计成比内跨的柱间距小15%～20%。通过减小边跨的柱间距从而降低边跨梁的正、负弯距。当然更应尽量避免边跨大而内跨小的柱网布置。第二，如果建筑空间功能要求必须连续等跨的情况下，可以在等跨框架梁的两端增设一定长度的悬臂，同样能达到协调边跨和内跨弯距的目的。理论上当悬臂长度取0.4倍的边跨跨度的时候，边跨的正、负弯距和内跨接近。由于悬臂梁的挠度问题，在实际工程中一般悬臂构件的悬臂长度多取0.25～0.3倍的边跨跨度，这样也能对边跨弯距适当的调节使其与内跨大体相当。另外，对于支承在主梁上的次梁来讲，边跨带悬臂还可以减小作为边支承的主梁扭转，这也是相当有利的。