PKPM结构设计方法探讨

 摘 要：本文根据PKPM结构设计软件及相关规范，结合应用经验，对利用PKPM系列软件进行建筑结构设计的方法和使用中应注意的一些问题进行探讨，包括参数的选取、计算结果的分析以及对电算结果进行人工调整的方法和注意问题等，供设计人员参考借鉴。

关键词：PKPM；结构设计；参数选取；结果分析；人工调整 　　 　　　　 　　 　　

0 引言 　　

PKPM结构设计软件具有方便的快捷建模方式和强大的计算能力，能进行复杂的有限元分析，使得设计人员在较短周期内完成较大工程量成为了可能，在工程设计中的应用已经越来越普及。笔者结合自身应用经验，对利用PKPM系列软件进行建筑结构设计的方法和使用中应注意的一些问题进行探讨，包括参数的选取、计算结果的分析以及对电算结果进行人工调整的方法和注意问题等，供设计人员参考借鉴。 　　

1 参数的选取 　　

1.1 地震力计算信息 　　
1.1.1 地震分析方法 　　
在结构的地震反应分析中，程序提供了振型分解反应谱法和时程分析法。振型分解法分为“侧刚计算法”和“总刚计算法”。侧刚法适用于楼板平面内刚度无限大假定的建筑。基于这个假定，每块刚性楼板只有两个平动自由度和一个转动自由度。当定义有弹性楼板或有不与楼板相连的构件时，采用侧刚法误差较大。总刚法是直接采用结构的总刚和与之相对应的质量阵进行地震反应分析，此方法精度高但计算繁琐。当工程结构楼板尺寸和平面刚度无急剧变化、楼板连续、无弹性楼板时，可采用侧刚法进行计算。 　　
1.1.2 双向水平地震力 　　
考虑双向水平地震力比单向水平地震力的结构配筋增大。对于规则结构（质量和刚度分布对称的结构），可只考虑单向地震力；对于不规则结构（质量和刚度分布明显不对称的结构），应考虑双向地震力的作用。 　　
1.1.3 扭转耦联 　
地震力计算中，考虑扭转耦联要比分别考虑两垂直方向的平移振动更精确。考虑平移和扭转的耦联振动，不但考虑了各方向位移之间的相互影响，而且它是一种完整振动状态，其振动不是单一方向的，而是沿最弱方向，次最弱方向一直类推。结构只要不是双轴对称就会有平扭耦联，这种耦联振动产生的地震效应一般要比不考虑平扭耦联时大。对于平面很不对称的结构，在地震分析时宜考虑扭转耦联。 　　
1.1.4 5%偶然偏心 　　
规范规定，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%。偶然偏心是由偶然因素引起的结构质量分布的变化，会导致结构固有振动特性的变化，因而结构在相同地震作用下的反应也将发生变化。考虑偶然偏心也就是考虑由偶然偏心引起的可能的最不利的地震作用。 　　
1.1.5 计算振型个数 　　
振型个数的大小与结构层数及结构形式有关，振型个数的选取应遵循有关规范规定，《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.3.10条和《建筑抗震设计规范》第5.2.2条均规定了振型个数的取值方法。振型个数选择要合理，过多的振型数会导致运算时间过长，过少的振型个数会导致计算结果不安全。只要振型参与质量达到总质量90%，就意味着计算振型个数够了。PKPM计算结果中的有效质量系数是必须检查项目之一，当有效质量系数大于0.9时，认为选取的振型数已足够，否则称振型数不够。 　　
1.1.6 周期折减系数 　　
对于有填充墙的结构，在早期的弹性阶段填充墙有很大的刚度，因此会吸收很大的地震力。而软件计算中，未考虑填充墙，只计算了梁和柱的刚度，并由此刚度求得结构自振周期。因此结构实际刚度远大于计算刚度， 实际周期小于计算周期，实际地震力大于计算地震力。若周期不折减，则地震力会偏小，使结构分析不安全，因此对地震力进行放大是有必要的。周期折减系数的取值遵循《高层建筑混凝土结构技术规程》3.3.17条，当非承重墙体为填充砖墙时，高层建筑结构计算自振周期折减系数取值为：框架0.6～0.7，框架-剪力墙0.7～0.8，短肢剪力墙0.8～0.9，剪力墙0.9～1.0。当采用其它非承重墙体时，可根据工程情况确定周期折减系数。 　　
1.2 竖向力计算信息 　　
宜选择“模拟施工加载1”。当选择“一次性加载”时，程序按一次性加载的模式作用于结构，不考虑施工找平的过程。“模拟施工加载1”考虑到在实际施工中，竖向恒载是一层一层作用的，并在施工中逐层找平，理论中的下层变形对上一层不产生影响。“模拟施工加载2”是在模拟施工加载1的基础上，考虑竖向构件的刚度放大10倍后再做模拟施工加载1，适用于较软弱的地基。 　　
1.3 P-Δ效应选择信息 　　
当结构发生水平位移时，竖向荷载就会出现垂直于变形后的结构竖向轴线的分量，这个分量将会加大水平分量，同时也会加大相应的内力。规范规定当结构的刚重比满足Di≥20∑Gj/hi时，可不考虑P-Δ效应。 　　
1.4 调整信息 　　
1.4.1 中梁和边梁的刚度放大系数 　　
现浇楼板与梁浇筑在一起，板作为梁的翼缘参加工作，因此梁的刚度会增大。中梁和边梁的刚度放大系数不相同。因为中梁两边都有板的约束，边梁只有一边受板的约束，故中梁的刚度放大系数要大于边梁的刚度放大系数，一般中梁取2.0，边梁取1.5。 　　
1.4.2 梁端负弯矩调幅系数 　　
在竖向荷载作用下，超静定钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布的性质，梁柱节点并非完全刚性，允许有梁铰出现。将梁端弯矩调幅后，可以减少梁端配筋数量，从而减小梁受压区高度和配筋率，对形成延性梁有利。还可以提高柱的安全储备，以满足 “强柱弱梁”的设计原则。但梁端弯矩调幅不宜过大，一般应控制在弹性理论计算弯矩的20%以内，一般现浇框架梁取0.8～0.9。 　　
1.4.3 梁跨中弯矩放大系数 　　
当没考虑活荷载不利布置时，按满跨布置活载，使得跨中荷载比按活载不利布置时小，因此要对梁跨中的弯矩进行放大，一般取1.2的放大系数。当考虑活荷载不利布置时，梁跨中弯矩不进行调整。 　　

2 计算结果的分析 　　

2.1 结构体型规则性判断指标 　　
规范规定了结构体型不规则的判定方法，不规则分为平面不规则和竖向不规则。平面不规则包括：凹凸不规则、扭转不规则、楼板局部不连续；竖向不规则包括：薄弱层、转换层、软弱层。应根据计算结果及规范中的判断方法判断所计算结构的规则性。 　　
2.2 刚度适宜判断指标 　　
2.2.1 第一扭转周期与第一平动周期之比 　　
结构计算动力模型为空间振动模型，每个主振型既有平动部分也有扭转振动部分。规范规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt1与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，其它不应大于0.85。周期比控制的目的是为了控制结构在地震作用下的扭转效应，使抗侧力构件的布置更合理。若Tt1与T1之比超出限值，说明结构的抗侧力构件布置不合理或数量不足，导致整体抗扭刚度偏小，此时应对方案进行调整，根据周边加强的原则，加强抗扭刚度，减小结构竖向布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，必要时设置防震缝。 　　
2.2.2 刚度偏心率 　　
结构地震时扭转反应的强弱，与楼层的偏心率密切相关。如果某一楼层的偏心率较大，地震作用下该楼层的扭转振动就强烈。偏心率是楼层地震内力验算方向的偏心距与该方向弹力半径的比值，弹力半径与抗扭刚度有关。偏心率宜小于0.15。 　　
2.2.3 剪重比 　　
当结构自振周期比较长时，结构的安全往往由位移及速度反应谱控制，长周期的结构，地震作用可能过小。而我国规范一律采用加速度反应谱进行地震作用的计算，因此对于长周期的结构，计算的地震力可能偏小，不安全。为了解决此问题，抗震规范规定了最小剪重比，以保证地震力不至于过小。楼层最小剪重比一般出现在首层，所以通常用首层剪重比进行最小剪重比的验算。 　　
2.2.4 弹性层间位移角 　　
地震时层间侧移角越大，说明结构刚度越小，结构破坏越严重。规范规定了弹性层间位移角限值。根据已建工程的统计，我国大多数多高层混凝土结构的计算侧移角一般小于1/1000。 　　
2.3 梁柱超限指标 　　
对于梁和柱，需要检查最大配筋率、剪压比等是否超限。 　　

3 电算结果的人工调整 　　

尽管使用软件可免去大量人工计算，通过多项多高层工程的设计后发现，电算结果仍需进行人工调整，有些梁、柱的最后配筋要凭设计人员的经验而定。这种不确定性造成有的设计调整放大过于保守，有的不调整时又严重不足。为此，以框架为例，就电算结果的人工调整问题进行探讨，并且提出建议。 　　
3.1 板配筋的调整 　　
板计算配筋面积在两个方向均需放大，考虑到现浇板主要为短跨方向受力，板短跨方向计算配筋面积放大得比长跨方向稍多一些。考虑到温度应力的影响，屋面板上部支座应配有通长钢筋。 　　
3.2 柱配筋的调整 　　
考虑到角柱受地震作用影响较大并且一般处于双偏压状态，需对角柱进行双偏压验算，并且角柱箍筋采用沿高度通长加密，间距100mm，以保证柱子具有良好的延性。配筋时，将角柱放大1.4倍，边柱放大1.3，中柱放大1.2倍。 　　
3.3 梁配筋的调整 　　
为保证在地震作用下框架梁的梁端斜截面受剪承载力高于正截面受弯承载力，即“强剪弱弯”，梁端负弯矩钢筋计算面积放大1.1倍，梁跨中受拉钢筋放大1.2倍，梁端箍筋的直径增加2mm。 　　

4 结语 　　
PKPM参数的合理选取和对计算结果的合理性分析判断对结构计算结果的准确性起到至关重要的作用，对结构电算结果进行人工调整也是必要的。设计人员用软件进行结构计算时需考虑多因素影响，设计中严格遵守结构设计三准则——足够的强度、适宜的刚度和良好的延性，要正确分析和判断，确保工程的安全。 　　

参考文献 　　
[ 1 ] JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[ S ]. 　　
[ 2 ] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[ S ]. 　　
[ 3 ] GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[ S ]. 　　
[ 4 ] 张丽.PKPM进行结构设计时应注意的问题[ J ].科技传播，2010，（4下）：73，68.