應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)重視的問(wèn)題

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)重視的問(wèn)題
1　前　言
結(jié)構(gòu)分析軟件不論其處理功能如何完善,隻能作為輔助設(shè)計(jì)工具,不能完全代替設(shè)計(jì)人員的作用。《建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范》ＧＢ50011-2001(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)第3.6.6條對(duì)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析,更是作了具體明確的要求,設(shè)計(jì)人員在運(yùn)用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),對(duì)軟件的功能要有切實(shí)的了解,才能正確運(yùn)用,并且對(duì)計(jì)算結(jié)果要進(jìn)行判別,確認(rèn)其合理有效后,方能在設(shè)計(jì)中使用,千萬(wàn)不可盲目依賴于計(jì)算軟件。隨著軟件功能的日益完善,相當(dāng)一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用軟件時(shí)不夠重視其技術(shù)條件與相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相符性。PKPM系列軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣泛,筆者就工作中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用PKPM系列軟件時(shí)易被設(shè)計(jì)人員忽略的幾個(gè)重要方面進(jìn)行簡(jiǎn)述。
2　結(jié)構(gòu)計(jì)算振型數(shù)的確定
采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)水平地震作用計(jì)算時(shí),《抗規(guī)》第5.2.2條規(guī)定:不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)計(jì)算的結(jié)構(gòu),確定水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng),可隻取前2～3個(gè)振型,當(dāng)基本自振周期大于1 5ｓ或房屋高寬比大于5時(shí),振型個(gè)數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)第3.3.10條規(guī)定:對(duì)于不考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)振動(dòng)影響的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)計(jì)算振型數(shù)規(guī)則結(jié)構(gòu)可取3;當(dāng)建筑較高、結(jié)構(gòu)沿豎向剛度不均勻時(shí),可取5～6。上述規(guī)范的條文說(shuō)明均要求振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%所需的振型數(shù)?！陡咭?guī)》第5.1.13條規(guī)定:Ｂ級(jí)高度的高層建筑結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算時(shí),考慮平扭藕聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),振型數(shù)不應(yīng)小于15;對(duì)多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍,且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。ＴＡＴ在ＴＡＴ-4.ｏｕｔ文件、ＳＡＴＷＥ在ＷＺＱ.ｏｕｔ文件、ＰＭＳＡＰ在工程名-ＴＢ.ＲＰＴ文件中查看Ｘ,Ｙ向的有效質(zhì)量系數(shù)。我們都知道,結(jié)構(gòu)計(jì)算振型數(shù)增加,水平地震作用效應(yīng)增大,即內(nèi)力和變形增大;振型數(shù)如取少了,后續(xù)振型產(chǎn)生的地震作用效應(yīng)未能計(jì)入,導(dǎo)緻計(jì)算結(jié)果不安全,所以,振型數(shù)要盡量取得多。但對(duì)大型結(jié)構(gòu),過(guò)多的振型數(shù),導(dǎo)緻運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng),并對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存也要求大,而最后的那些高振型對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用貢獻(xiàn)也不大,因此,也不必所有的振型都計(jì)算,當(dāng)有效質(zhì)量系數(shù)超過(guò)0.9,就意味著計(jì)算振型數(shù)夠了;如果小于0.9,說(shuō)明后續(xù)振型產(chǎn)生的地震作用效應(yīng)不能忽略,應(yīng)增加振型數(shù)重算。需要注意的是,振型數(shù)也不能超過(guò)結(jié)構(gòu)固有振型總數(shù),否則,會(huì)引起計(jì)算的混亂,以緻造成嚴(yán)重的分析錯(cuò)誤。結(jié)構(gòu)固有振型總個(gè)數(shù)等于結(jié)構(gòu)自由度總數(shù)。每塊剛性樓板上所有的節(jié)點(diǎn)隻有3個(gè)自由度(2個(gè)獨(dú)立的水平平動(dòng)自由度和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度),每個(gè)彈性節(jié)點(diǎn)各有2個(gè)獨(dú)立的水平平動(dòng)自由度。也就是說(shuō),對(duì)于有ｎ塊剛性樓板的結(jié)構(gòu),獨(dú)立于剛性樓板的彈性節(jié)點(diǎn)數(shù)為ｍ,則結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)為(3ｎ+2ｍ)個(gè)。所以,當(dāng)結(jié)構(gòu)存在大量彈性樓板、越層柱、大開(kāi)洞錯(cuò)層時(shí),如空曠的錯(cuò)層工業(yè)廠房、體育館等,按常規(guī)的以樓層數(shù)為基數(shù)來(lái)確定振型數(shù),有時(shí)很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。所以,檢查計(jì)算結(jié)果時(shí),有效質(zhì)量系數(shù)是否超過(guò)0.9,是必須檢查項(xiàng)目之一。
3　周期比控制及調(diào)整方法
《高規(guī)》第4.3.5條對(duì)結(jié)構(gòu)位移比、周期比作出了具體控制要求。在實(shí)際工作中,位移比可以從輸出文件中直接檢查,而周期比需要先根據(jù)振型的平動(dòng)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)區(qū)分各振型是平動(dòng)振型還是扭轉(zhuǎn)振型,然后從中分別找出周期最長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)振型和側(cè)振振型,得到對(duì)應(yīng)的第一扭轉(zhuǎn)周期Ｔｔ,第一側(cè)振周期Ｔ1,計(jì)算出Ｔｔ/Ｔ1,看其是否符合規(guī)程要求。需要注意的是,周期比針對(duì)的是高層建筑整體振動(dòng)效應(yīng),要在“剛性樓板假定”前提下來(lái)分析,多層建筑不必控制周期比。多塔結(jié)構(gòu)驗(yàn)算周期比時(shí),不是在同一結(jié)構(gòu)中定義多塔,而是按塔分成多個(gè)結(jié)構(gòu)分別驗(yàn)算。
周期比主要控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的相對(duì)關(guān)系,即抗側(cè)力構(gòu)件平面布置的合理性,避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。當(dāng)周期比不滿足要求時(shí),說(shuō)明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)于側(cè)移剛度偏小,這時(shí)單純?cè)黾咏Y(jié)構(gòu)尺寸,往往收效甚微,通常應(yīng)通過(guò)整體調(diào)整結(jié)構(gòu)布置,來(lái)獲取良好的改善效果。如加強(qiáng)外圈結(jié)構(gòu)剛度、增設(shè)抗震墻、增加外圍連梁的高度、削弱內(nèi)筒的剛度等措施。
4　進(jìn)行位移比、位移角驗(yàn)算時(shí)關(guān)聯(lián)選項(xiàng)的確定
判斷結(jié)構(gòu)是否屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時(shí),《抗規(guī)》第3.4.2條的條文說(shuō)明已明確應(yīng)按剛性樓蓋計(jì)算,即對(duì)結(jié)構(gòu)位移比、位移角的控制要求均為在“剛性樓板假定”條件下的計(jì)算值?！犊挂?guī)》表3.4.2-1規(guī)定:樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移),大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值1 2倍為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平地震作用計(jì)算時(shí),應(yīng)計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響?！陡咭?guī)》第3.3.3條規(guī)定:“計(jì)算單向地震作用時(shí)應(yīng)考慮偶然偏心的影響……”《抗規(guī)》第5.2.3條第1款規(guī)定:“規(guī)則結(jié)構(gòu)不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)計(jì)算時(shí),平行于地震作用方向的2個(gè)邊榀其地震作用效應(yīng)應(yīng)乘以增大系數(shù)……”因此,在應(yīng)用軟件驗(yàn)算位移比時(shí),總是要考慮偶然偏心。一般偶然偏心對(duì)位移比的影響還比較明顯。
《高規(guī)》第4.6.3條規(guī)定:層間位移角的計(jì)算不考慮偶然偏心的影響,因此,程序操作時(shí)應(yīng)分2次進(jìn)行。首先,選擇剛性樓板假定、偶然偏心選項(xiàng)情況下驗(yàn)算位移比,當(dāng)位移比超過(guò)1.2時(shí),進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),要考慮雙向地震作用,不考慮偶然偏心;當(dāng)位移比小于1.2時(shí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不考慮雙向地震作用,要考慮偶然偏心。同時(shí)應(yīng)注意,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),樓板一定應(yīng)視實(shí)際情況采用真實(shí)條件,不能一概而為剛性樓板假定,如有彈性節(jié)點(diǎn)存在,一定要真實(shí)輸入。同理,驗(yàn)算位移角時(shí)在剛性樓板假定情況下操作,然后再在真實(shí)條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。
5　有地下室結(jié)構(gòu)的程序操作注意要點(diǎn)
上部結(jié)構(gòu)與地下室組成一個(gè)整體承力體系,在荷載作用下相互協(xié)調(diào)變形,而地下室外的回填土對(duì)結(jié)構(gòu)存在一定的約束作用?！犊挂?guī)》第6.1.14條、《高規(guī)》第5.3.7條均要求地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí),地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍。如果不滿足2倍的要求時(shí),就應(yīng)將主體結(jié)構(gòu)的嵌固部位下移,直至符合要求的地下層。注意計(jì)算樓層側(cè)向剛度比時(shí),不考慮地下室填土的側(cè)限作用。也就是說(shuō),操作時(shí)要算2遍,先在不考慮地下室外填土側(cè)限作用的情況下,即將地下室信息中‘回填土對(duì)地下室的約束相對(duì)剛度比’填為0,算出樓層側(cè)向剛度比(即地下室嵌固層號(hào)參數(shù)填0),找出主體結(jié)構(gòu)的嵌固層,然后再根據(jù)實(shí)際嵌固部位填寫(xiě)參數(shù)。地下室層號(hào)從下住上數(shù),該參數(shù)如為-2,表示嵌固在地下室倒數(shù)第二層的頂板上;如為-1,表示嵌固在最底一層地下室的頂板上?！陡咭?guī)》第4.8.5條規(guī)定:“……當(dāng)?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí),地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)采用,地下室一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)……”運(yùn)用程序時(shí),可使用‘獨(dú)立定義構(gòu)件抗震等級(jí)’功能,更改地下室部分構(gòu)件的抗震等級(jí)。當(dāng)?shù)叵率覀?cè)向剛度不足以使地下室頂板可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí),考慮回填土對(duì)地下室的側(cè)限作用參數(shù)一般情況下可填3。經(jīng)比較,此參數(shù)在2～5之間時(shí),計(jì)算結(jié)果差別不大,但超過(guò)5,就接近于上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板的情況。
裙房與主樓連為整體時(shí),《抗規(guī)》第6.1.3條、《高規(guī)》第4.8.6條規(guī)定:“主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂部上、下各一層應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。”《高規(guī)》第10.6.4條規(guī)定:“塔樓中與裙房連接體相連的外圍柱、剪力墻,從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內(nèi),柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當(dāng)提高,柱箍筋宜在裙樓屋面上、下層的范圍內(nèi)全高加密,剪力墻宜按《高規(guī)》第7.2.16條的規(guī)定設(shè)置約束邊緣構(gòu)件”,PKPM軟件對(duì)此未能作考慮,設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行處理,不應(yīng)直接采用電算出圖結(jié)果。
6　邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)
《高規(guī)》第7.2.15規(guī)定:一、二級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)的剪力墻底部加強(qiáng)部位及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,其它部位以及三、四級(jí)抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)的剪力墻墻肢端部均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。而《抗規(guī)》第6.4.6條規(guī)定:上述部位設(shè)置約束邊緣構(gòu)件還要取決于墻肢底截面在重力荷載代表值作用下的軸壓比大小。PKPM軟件是按《高規(guī)》的要求操作。當(dāng)房屋層數(shù)少、剪力墻的軸壓比很小時(shí),就應(yīng)按《抗規(guī)》的相關(guān)要求,可以將軟件計(jì)算輸出結(jié)果中設(shè)置的約束邊緣構(gòu)件改為構(gòu)造邊緣構(gòu)件。約束邊緣構(gòu)件就是用箍筋約束的暗柱、端柱和翼墻。箍筋形式:《抗規(guī)》圖6.4.7陰影部分必須采用箍筋,陰影范圍以外可采用箍筋或拉筋,但約束邊緣構(gòu)件的邊界處應(yīng)為箍筋。構(gòu)造邊緣構(gòu)件的邊界處應(yīng)為箍筋,底部加強(qiáng)部位及抗震墻轉(zhuǎn)角處宜用箍筋,箍筋范圍內(nèi)的其他部位可用拉筋。軟件計(jì)算輸出的構(gòu)件簡(jiǎn)圖中箍筋有2種標(biāo)注:約束邊緣構(gòu)件用ＰＳＶ標(biāo)出箍筋率,構(gòu)造邊緣構(gòu)件用ＡＳＶ標(biāo)出最小直徑和間距。
軟件對(duì)于剪力墻配筋的輸出結(jié)果分別提供直線剪力墻段和邊緣構(gòu)件的配筋結(jié)果。需要注意的是,直線剪力墻段的暗柱主筋僅給出了計(jì)算值,如果計(jì)算值小于零,則取零,并未考慮構(gòu)造要求;而邊緣構(gòu)件的配筋輸出結(jié)果則同時(shí)考慮了鋼筋計(jì)算值和構(gòu)造要求值,取二者中的大值。所以,剪力墻的配筋應(yīng)以邊緣構(gòu)件輸出結(jié)果為準(zhǔn),直線剪力墻段的配筋圖僅供校核。
7　其　它
構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí),材料強(qiáng)度按各個(gè)計(jì)算模塊中的輸入值取定。ＰＭＣＡＤ本層信息中有一項(xiàng)梁、柱、墻的鋼筋強(qiáng)度選擇,而各計(jì)算模塊中也有梁、柱、墻鋼筋強(qiáng)度的對(duì)話框。實(shí)際計(jì)算中的材料強(qiáng)度取值是取各計(jì)算模塊中的強(qiáng)度選擇值,ＰＭＣＡＤ里輸入的強(qiáng)度,用于控制鋼筋符號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意2個(gè)模塊都要檢查材料強(qiáng)度輸入值,特別是設(shè)計(jì)過(guò)程中修改過(guò)材料強(qiáng)度時(shí),更要注意檢查。
樓板鋼筋采用高強(qiáng)度鋼筋時(shí),要注意裂縫控制比Ⅰ級(jí)鋼難,裂縫超標(biāo)情況大大增加。設(shè)計(jì)人員以往習(xí)慣于樓板鋼筋采用Ⅰ級(jí)鋼,也習(xí)慣了一般情況下板在裂縫驗(yàn)算時(shí)基本都能滿足裂縫控制要求的驗(yàn)算結(jié)論,而忽略了鋼筋的改變帶來(lái)的不同,仍然跳過(guò)了裂縫驗(yàn)算步驟,造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。
設(shè)計(jì)信息中,混凝土柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算執(zhí)行混凝土規(guī)范7 3 11條第3款的選項(xiàng)不應(yīng)隨意選取,隻有當(dāng)水平荷載的彎矩值占總彎矩設(shè)計(jì)值的75%以上時(shí),才適宜選此項(xiàng)。常規(guī)的框架結(jié)構(gòu)用7 3 11-3條計(jì)算的柱計(jì)算長(zhǎng)度比用3 3 11-2條計(jì)算的大,使結(jié)構(gòu)的側(cè)移值偏大,導(dǎo)緻構(gòu)件尺寸偏大。
8　結(jié)　語(yǔ)
結(jié)構(gòu)計(jì)算程序是在一定的條件下,按照設(shè)計(jì)人員的需求有選擇的使用和應(yīng)用的。同一應(yīng)用程序、同樣的計(jì)算對(duì)象、同樣的結(jié)構(gòu)布置,不同的設(shè)計(jì)人員會(huì)產(chǎn)生不同的計(jì)算結(jié)果,甚至出現(xiàn)較大的差異。雖然可能也都可以滿足正常使用要求,但設(shè)計(jì)出來(lái)的質(zhì)量和品質(zhì)完全不一樣。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),少則必要的安全儲(chǔ)備不足可靠度得不到保證,多則造成浪費(fèi)。因此,一方面我們要努力提高設(shè)計(jì)人員的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);另一方面,我們對(duì)于軟件的依靠,也應(yīng)采取分析性接受的方式。
參考：四川建筑科學(xué)研究院