PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

張 麗

山西省醫(yī)藥規(guī)劃設(shè)計(jì)院（有限公司），山西 太原 030001

0 引言

設(shè)計(jì)者運(yùn)用PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越普及，不僅僅是PKPM具有方便的快捷建模方式，更重要的是它具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，能進(jìn)行復(fù)雜的有限元分析，使得設(shè)計(jì)者在較短周期內(nèi)完成較大工程量成為了可能。但不論其處理功能如何完善，PKPM只能作為輔助設(shè)計(jì)工具，至于參數(shù)的設(shè)置以及軟件的操作還是由設(shè)計(jì)人員來控制，因此它不能完全代替設(shè)計(jì)人員的作用。在《建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范》（GB50011-2001）第3.6.6條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，千萬不可盲目依賴于計(jì)算軟件[1]。鑒于此，筆者就多年來使用中國建筑科學(xué)研究院pkpmcad工程部開發(fā)的PKPM計(jì)算程序的經(jīng)驗(yàn)，探討工作中發(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。

1 地震信息

在PKPM中水平地震的輸入，主要就是在參數(shù)框中通過輸入各參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。參數(shù)輸入的正確與否至關(guān)重要，直接影響所建的模型是否承受正確的水平荷載。其中有些參數(shù)的輸入較難確定，特別對(duì)于沒有理解各參數(shù)的意思的設(shè)計(jì)者來說。筆者根據(jù)多年從事PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所得經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為這些較難確定而又特別重要的參數(shù)可通過以下這些建議來輸入：

1）若結(jié)構(gòu)本身存在質(zhì)量和剛度分布明顯不對(duì)稱，則應(yīng)計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。計(jì)算表明規(guī)則框架考慮雙向水平地震作用時(shí)，角柱配筋增大10%左右，其它柱變化不大；對(duì)于不規(guī)則框架，角、中、邊柱配筋考慮雙向地震后均有明顯的增大；通過雙向地震力、柱按單偏壓計(jì)算和雙向地震力、柱按雙偏壓計(jì)算比較可知，后者計(jì)算柱的配筋較前者有明顯的增大，故建議：若同時(shí)勾選雙向地震力、柱雙向配筋時(shí)，要十分謹(jǐn)慎，這對(duì)用鋼量影響很大。

2）對(duì)于耦聯(lián)選項(xiàng)，無論是質(zhì)量和剛度分布對(duì)稱的結(jié)構(gòu)還是質(zhì)量和剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，筆者建議總是采用耦聯(lián)選項(xiàng)。因?yàn)獒槍?duì)目前設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)一般都是不對(duì)稱占絕大多數(shù)，而且實(shí)際上無論是質(zhì)量和剛度分布均勻還是不均勻，結(jié)構(gòu)自身都會(huì)存在一種相互聯(lián)系的關(guān)系，即耦聯(lián)作用。

3）計(jì)算單向地震力，應(yīng)考慮偶然偏心的影響。因?yàn)橛?jì)算單向地震力只是考慮了一個(gè)方向地震的作用，但另一方向并沒有考慮，這時(shí)就由5%的偶然偏心來控制。計(jì)算表明，計(jì)算時(shí)考慮偶然偏心，使構(gòu)件的內(nèi)力增大5%～10%，構(gòu)件的位移有顯著的增大，平均為18.47%。但應(yīng)注意，計(jì)算單向地震力只是針對(duì)對(duì)稱規(guī)則結(jié)構(gòu)而已。對(duì)于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用雙向地震作用，但這時(shí)不要與“偶然偏心”同時(shí)作用?！芭既黄摹焙汀半p向地震力”應(yīng)是兩者取其一，不要都選，兩者都選顯然是沒必要，違背了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性原則。對(duì)于這參數(shù)如何勾選，《高規(guī)》第4.6.3條有明確規(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。

4）計(jì)算振型個(gè)數(shù)。在計(jì)算地震作用時(shí)，振型個(gè)數(shù)的選取應(yīng)遵循有關(guān)規(guī)范規(guī)定?！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[2]：對(duì)于不考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(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。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)耦聯(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)，可只取前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。當(dāng)?shù)卣鹱饔貌捎每倓傆?jì)算時(shí)，振型數(shù)的選擇可以不受上限，一般取大于12。振型數(shù)的大小與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)層剛度突變較大時(shí)，振型數(shù)也應(yīng)取多些，如頂部有小塔樓、轉(zhuǎn)換層等結(jié)構(gòu)形式。但過多的振型數(shù)，導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)，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。但振型數(shù)不易過少，振型數(shù)過少會(huì)導(dǎo)致后續(xù)振型產(chǎn)生的地震作用效應(yīng)未能計(jì)入，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不安全，所以，振型數(shù)要盡量取得多。但無論怎樣，只要振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%，就意味著計(jì)算振型數(shù)夠了。檢查計(jì)算結(jié)果時(shí)，有效質(zhì)量系數(shù)是否超過0.9，是必須檢查項(xiàng)目之一。初始輸入振型數(shù)時(shí)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)自由度總數(shù)來考慮。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)只有3個(gè)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，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)[3]。

5）周期折減系數(shù)，這個(gè)參數(shù)對(duì)于配筋影響較大。它是根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的3.3.16條(強(qiáng)條)要求，按3.3.17條進(jìn)行折減，當(dāng)非承重墻體為填充磚墻時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期折減系數(shù)，可按下列規(guī)定取值：框架結(jié)構(gòu)0.6～0.7；框架一剪力墻結(jié)構(gòu)0.7～0.8；剪力墻結(jié)構(gòu)0.9～1.0；短肢剪力墻結(jié)構(gòu)0.8～0.9。當(dāng)采用其它非承重墻體時(shí)，可根據(jù)工程情況確定周期折減系數(shù)。

2 調(diào)整信息

在調(diào)整信息中，有幾個(gè)數(shù)據(jù)的取值是需要注意的。

1）梁端彎矩調(diào)幅系數(shù)。由于在豎向荷載作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有塑性內(nèi)力重分布性質(zhì)，故可考慮適當(dāng)降低梁端彎矩，同時(shí)程序會(huì)自動(dòng)對(duì)梁跨中彎矩按平衡條件相應(yīng)增加，但支座負(fù)彎矩調(diào)幅不宜過大，一般應(yīng)控制在彈性理論計(jì)算彎矩的20%以內(nèi)， 一般現(xiàn)澆框架梁取0.8～0.9，裝配整體式框架梁取0.7～0.8。當(dāng)調(diào)幅系數(shù)取值較低時(shí)，設(shè)計(jì)者一定要查看配筋梁的支座處裂縫寬度能否滿足規(guī)范要求。如不滿足，則要重新選取梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)或點(diǎn)取“根據(jù)允許裂縫自動(dòng)選筋”選項(xiàng)，重新調(diào)整梁配筋直至滿足裂縫寬度要求。這一點(diǎn)，較多的設(shè)計(jì)者并沒有注意到。

2）“中梁剛度增大系數(shù)”。 中梁”指的是兩側(cè)均有樓板與之相連的梁，若僅有一側(cè)樓板與之相連的梁，則稱為“邊梁”。因?yàn)樵谡w式肋型樓蓋中，樓板和梁澆筑在一起形成T型截面梁，在承載力計(jì)算時(shí)整體剛度會(huì)有所增大[4]。這時(shí)就可采用中梁剛度放大系數(shù)來考慮樓板對(duì)梁剛度的貢獻(xiàn)，這樣內(nèi)力與位移分析結(jié)果才較符合實(shí)際受力情況。中梁剛度放大系數(shù)可在1.0～2.0范圍內(nèi)選取。程序僅給出默認(rèn)的假定值，并非最合理值，最合理值必須由設(shè)計(jì)人根據(jù)工程的具體情況加以調(diào)整。通常調(diào)整情況是：對(duì)現(xiàn)澆樓板，取中梁剛度放大系數(shù)為2；對(duì)現(xiàn)澆梁柱、預(yù)制樓板，取為1；對(duì)現(xiàn)澆梁柱，樓板為預(yù)制樓板加疊合板，取為1.5。在實(shí)際工作中，往往由于經(jīng)驗(yàn)不足，沒有核實(shí)并調(diào)整這一參數(shù)，造成設(shè)計(jì)配筋不足，留下安全隱患；或造成設(shè)計(jì)配筋過大，增加工程造價(jià)。

3 結(jié)論

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同建筑設(shè)計(jì)一樣沒有唯一解，只有通過不斷地探索去尋求相對(duì)的最優(yōu)解，因此作為設(shè)計(jì)者，不要過分依賴計(jì)算程序，應(yīng)以力學(xué)概念和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，合理的選取各參數(shù)，從結(jié)構(gòu)整體和局部對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行判斷，否則造成少則必要的安全儲(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。

[1]GB50011-2001.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ3-2002.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]陸湘昆,王東.應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)重視的問題[J].四川建筑科學(xué)研究,2005,31(5):39-41.

[4]范小平.PKPM軟件在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題[J].重慶建筑,2008(2):28-30.