簡述PKPM 框架結(jié)構(gòu)設計

張迎春

(中鐵二十局集團第六工程公司，陜西西安 710016)

1 框架結(jié)構(gòu)特點

一般用于多層結(jié)構(gòu)及小高層結(jié)構(gòu)，適用高度范圍一般為60.0 m以下(6 度設防)，高寬比6 ～2，見《高規(guī)》4.2.2 條、4.2.3 條。

2 工程概況

本工程為鋼筋混凝土框架辦公樓，地上12層＞10層、檐口標高29.700 m＞28 m為高層建筑，包括兩層裝飾層，無地下室，抗震設防烈度7度(0.1g)，A級高度鋼筋混凝土高層建筑。檐口標高29.700 m ＜55 m，高寬比 =29.7/11.9=2.5 ＜4，符合設計要求，設計年限50年，建筑物重要性類別為二類，安全等級二級，框架抗震等級三級，剪力墻抗震等級為四級，基礎類別為柱下獨立基礎，樓梯為雙跑鋼筋混凝土樓梯，采用鋼筋混凝土剪力墻電梯井井下獨立筏板。修正后的基本風壓0.45 kN/m2，地面粗糙度類別B類。

3 建立全樓結(jié)構(gòu)模型并校核

根據(jù)以上信息采用PKPM進行計算。用PMCAD建立全樓結(jié)構(gòu)模型，完成各層樓板樓面的詳細布置，生成荷載信息。步驟:1)軸線輸入。2)網(wǎng)格生成。3)構(gòu)件定義。4)樓層定義。坡屋面設屋脊為上節(jié)點標高。5)本層信息。6)荷載定義，恒載是考慮板自重的恒荷載的標準值，不做結(jié)構(gòu)計算用的填充墻，應折算成梁間均布線載輸入直接加到所作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。樓梯間開大洞，人工把荷載導算后加到周圍的梁、墻上去或者樓梯間板厚設為0，再設定倒荷方式與平均面荷載。7)樓層組裝。8)設計參數(shù)。9)保存文件。10)平面荷載顯示校核。11)生成板圖。

4 計算及參數(shù)說明

1)接PMCAD補充輸入、生成SATWE數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)檢查及計算。2)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，配筋計算。3)選擇總剛分析方法。4)鋼筋混凝土構(gòu)件表面抹灰時，容重取28 kN/m3。5)修正后的基本風壓選50年一遇的風壓采用，但應不小于0.3 kN/m2。6)地震信息中高層建筑應選考慮偶然偏心和考慮雙向地震作用。7)周期折減系數(shù)取0.7。8)調(diào)整信息中梁端負彎矩調(diào)幅系數(shù)取0.85，見《高規(guī)》5.2.3 條。9)剪力墻加強區(qū)的高度見《高規(guī)》7.1.9 條、10.2.4 條。10)0.2Q0見《高規(guī)》10.2.7條。11)梁柱重疊部分不簡化為剛域，這樣就不降低梁的內(nèi)力。

5 程序計算結(jié)果

1)軸壓比限值為0.6＜0.80。2)由于框架柱作為唯一的抗水平力構(gòu)件，此結(jié)構(gòu)在水平荷載(風荷載及地震荷載)的作用下，水平位移及層間位移為最大，層間位移角為1/1 329＜Δμ/h=1/550。

6 框架結(jié)構(gòu)布置的原則

框架結(jié)構(gòu)應設計成雙向梁柱抗側(cè)力體系，主體結(jié)構(gòu)除個別部位外，不應采用鉸接?？蚣芙Y(jié)構(gòu)平面布置的平面形狀簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻?？蚣芰褐行囊字睾?，柱網(wǎng)的開間與進深，應根據(jù)建筑使用功能要求，結(jié)合受力的合理性、方便施工、經(jīng)濟等因素確定?？蚣茇Q向布置規(guī)則、均勻，柱子布置應均勻、對稱、連續(xù)，同層各柱截面尺寸宜相同，避免短柱，應使各柱抗側(cè)力剛度大致相同。上下柱截面中心對齊。

7 框架梁截面尺寸

1)應根據(jù)承受的豎向荷載大小、跨度、抗震設防烈度、混凝土強度等級等因素綜合考慮確定。2)在一般荷載情況下，框架梁截面高度h可按計算跨度的1/18～1/10，且不小于400 mm，也不大于1/4的凈跨。3)梁寬b不宜小于1/4h，且不小于200 mm。4)當梁高度較小時，除驗算承載力外，尚應注意滿足剛度及剪壓比的要求。5)在計算梁的撓度時，可扣除施工的合理起拱值。6)對現(xiàn)澆梁板宜考慮梁受壓翼緣的有利影響。

8 框架柱截面尺寸

1)可根據(jù)柱間支撐的樓層面積計算由豎向荷載產(chǎn)生的軸力設計值Nv(荷載分項系數(shù)可取1.25)。

2)可按以下公式估算柱截面面積Ac，然后再確定柱邊長。a.非抗震設計時:N=(1.25 ～1.2)Nv，Ac≥(N/fc)。b.抗震設計時:N= ζNv，Ac≥(N/μNfc)，增大系數(shù) ζ，框架結(jié)構(gòu)外柱取 1.3，不等跨內(nèi)柱取1.25，等跨內(nèi)柱取1.2，軸壓比限值 μN見《高規(guī)》6.4.2 條。c.柱截面尺寸非抗震時不宜小于250 mm，抗震設計時不宜小于300 mm，圓形柱子直徑不宜小于350 mm。d.柱子高寬比不宜大于3。e.柱子剪跨比不宜小于2，并且受剪截面滿足見《高規(guī)》6.2.6條。f.當框架柱所受彎矩較大時，還應根據(jù)彎矩確定柱截面尺寸。g.現(xiàn)澆框架柱混凝土的等級，見《高規(guī)》6.1.8 條，6.1.9 條。

9 框架的水平荷載

1)風壓標準值計算公式為:WK= βzμsμZW0，見《高規(guī)》3.2.1 條，框架結(jié)構(gòu) T=(0.08～1.00)N，其中，N為結(jié)構(gòu)層數(shù)，見《高規(guī)》3.2.6 條。

2)地震作用:a.各抗震設防類別的高層建筑地震作用的計算，甲類、乙類、丙類建筑抗震設防烈度計算見《高規(guī)》3.3.1條、4.8.1條，《抗規(guī)》3.1.3 條。b.計算方法采用振型分解反應譜法、底部剪力法、彈性時程分析法，見《高規(guī)》3.3.4條。c.豎向地震作用:按公式《高規(guī)》(3.3.14-1～4)計算，并宜乘以 1.5的放大系數(shù)。對于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層，尚應乘以1.15的增大系數(shù)。d.0.2Q0調(diào)整:《抗規(guī)》6.2.13 條，《高規(guī)》8.1.4 條。e.邊榀地震作用效應調(diào)整:《抗規(guī)》5.2.3 條。f.《高規(guī)》5.1.14 條規(guī)定薄弱層的措施。g.豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu):《抗規(guī)》3.4.3條。h.轉(zhuǎn)換梁地震作用下的內(nèi)力調(diào)整見《高規(guī)》10.2.6條規(guī)定。

10 作用效應組合

基本公式非抗震設計時由可變荷載控制的組合:S=γGSGK+γQ1SQ1K+∑γQiΨQiSQiK，非抗震設計時由永久荷載控制的組合S= γGSGK+ ∑γQiΨQiSQiK，抗震設計時的組合 S = γGSGE+γEhSEhK+ γEVSEVK+ ΨWγWSWK，系數(shù):見《荷載規(guī)范》3.2.5條，《高規(guī)》5.6.2，5.6.4 條，《抗規(guī)》5.1.3 條。

11 設計內(nèi)力調(diào)整

梁設計剪力調(diào)整:《抗規(guī)》第 6.2.4 條和《高規(guī)》第 6.2.5，7.2.22條規(guī)定，抗震設計時，特一，一，二，三級的框架梁和抗震墻中跨高比大于2.5的連梁，其梁端截面組合的設計剪力值應調(diào)整。柱設計內(nèi)力調(diào)整:為了體現(xiàn)抗震設計中強柱弱梁概念設計的要求，《抗規(guī)》第6.2.2，6.2.3，6.2.6，6.2.10 條和《高規(guī)》第4.9.2，6.2.1，6.2.4，6.2.6 條規(guī)定抗震設計時，特一，一，二，三級的框架柱、框架結(jié)構(gòu)的底層柱下端截面、角柱、框支柱的組合設計內(nèi)力值應調(diào)整。

12 結(jié)構(gòu)整體性能控制合理性指標

1)柱軸壓比計算。

柱軸壓比指柱考慮地震作用組合的軸壓力設計值與柱的全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積之比。非抗震計算的結(jié)構(gòu)，取無地震作用組合的軸壓力設計值，主要控制豎向構(gòu)件的延性。見《抗規(guī)》6.3.7條、《高規(guī)》6.4.2條和《混凝土規(guī)范》11.4.16 條，《高規(guī)》8.1.3 條。

2)剪重比控制。

剪重比指結(jié)構(gòu)任意樓層的水平地震剪力與該層及其上各層總重力荷載代表值的比，一般是指底層水平剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的比，是最小地震剪力調(diào)整。它反映結(jié)構(gòu)的剛?cè)岢潭?，見《高?guī)》3.3.13 條。

3)位移控制。

位移比是反映結(jié)構(gòu)平面規(guī)則與否的重要依據(jù)，同時也反映了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置的合理性和有效性。它側(cè)重控制結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關系。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，層間位移限值見《高規(guī)》4.6.3條。

4)周期比。

它反映結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度與側(cè)向剛度之間的一種相對關系，同時也反映了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置的合理性和有效性。主要控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應。《高規(guī)》第4.3.5條規(guī)定周期比不應大于 0.9。

5)剛度比。

剛度比主要控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移和傾覆，也是重力二階效應的主要參數(shù)。為了保證結(jié)構(gòu)豎向剛度變化的均勻性，防止出現(xiàn)剛度突變的情況。它是衡量結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則與否的重要標志，見《高規(guī)》第5.4.1，5.4.4 條。

13 梁、柱、墻配筋計算

框架梁抗震設計時梁端縱向受拉鋼筋的配筋見《高規(guī)》6.3.2，6.3.3，6.3.4，6.3.5 條。

中柱、邊柱縱向鋼筋最小配筋率二級為0.8%，見《高規(guī)》6.4.3 條，柱箍筋加密區(qū)見《高規(guī)》6.4.6 條，柱箍筋加密區(qū)箍筋的體積配箍率 ρv=0.17fc/fyv≥0.6%，見《高規(guī)》6.4.7 條。鋼筋錨固見《高規(guī)》6.5.3 條。

14 地基基礎設計

1)地基基礎設計包括基礎設計和地基設計兩部分?；A設計:基礎的形式選擇、基礎埋深、基礎底面大小的確定、基礎內(nèi)力和斷面計算等。地基設計:地基土承載力的確定、地基變形計算、地基穩(wěn)定性計算等。如果承載力不足和壓縮性很大而不能滿足設計要求時要進行地基處理。

2)基礎分類包括天然地基上的淺基礎、人工處理后的淺基礎、樁基礎、深基礎。

3)淺基礎設計:a.選擇基礎的材料、類型和平面布置。b.確定地基持力層和基礎埋深。c.確定地基承載力。d.確定基礎尺寸。e.必要時進行地基變形和穩(wěn)定性驗算。f.繪制基礎施工圖和施工說明。

4)本工程基礎落在粉質(zhì)粘土層上fk=160 kPa。混凝土墊層C15，基礎及連梁C25;環(huán)境類別為Ⅱb?；A施工圖見圖1。

圖1 基礎平面圖

15 結(jié)語

框架結(jié)構(gòu)布置靈活，具有較大的空間，使用較為方便。本篇設計的A級高度框架結(jié)構(gòu)。PMCAD建立全樓結(jié)構(gòu)模型、生成SATWE數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)檢查及計算、繪制施工圖。強調(diào)了“強柱弱梁”“強剪弱彎”“強節(jié)點”“強錨固”?；炷林笤O計成大偏壓。主要介紹框架的風壓、地震作用等水平荷載和結(jié)構(gòu)整體性能控制合理性指標。

［1］建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程設計實例［Z］.

［2］框架結(jié)構(gòu)施工圖設計實例［Z］.