鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM-STS中部分參數(shù)的設(shè)置Settingsof Some Im portant Parameters in SteelStructure Design Software PKPM-STS

鄭遠林（重慶匯凱鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，重慶401120）

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM-STS中部分參數(shù)的設(shè)置
Settingsof Some Im portant Parameters in SteelStructure Design Software PKPM-STS

鄭遠林
（重慶匯凱鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，重慶401120）

以PKPM的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件STS為例子，首先說明了針對不同的結(jié)構(gòu)類型應(yīng)該采用的設(shè)計規(guī)范或規(guī)程，并以幾個簡單、典型的結(jié)構(gòu)形式來論證采用相適應(yīng)的設(shè)計規(guī)范或規(guī)程對設(shè)計結(jié)果的影響；其次總結(jié)了部分重要參數(shù)的含義和如何設(shè)置該參數(shù)，同時解釋該參數(shù)對設(shè)計結(jié)果的影響；最后提出一些建議值。

鋼結(jié)構(gòu)；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；PKPM；STS

0　引言

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，目前普遍利用PKPM的STS/SATWE或同濟大學(xué)的3D3S等軟件進行。這些軟件都需要合理地設(shè)置各種參數(shù)，方能進行正確的計算，做出安全、經(jīng)濟、合理的設(shè)計。如果先了解了各個參數(shù)的含義，熟悉規(guī)范在相關(guān)方面的規(guī)定，就能作出合理的設(shè)置。本文以應(yīng)用比較普遍的STS為例，總結(jié)該軟件中部分參數(shù)設(shè)置的經(jīng)驗，說明與其相關(guān)的規(guī)范條文，并提出一些建議值，希望可以供設(shè)計人員參考。

1　結(jié)構(gòu)類型和設(shè)計規(guī)范

鋼結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)形式主要有：框架、門式剛架、排架、桁架等。門式剛架是一種應(yīng)用比較廣泛的結(jié)構(gòu)類型。這里有一個誤區(qū)，并非《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS102：2002）》（以下簡稱《門規(guī)》）第1.0.2條中規(guī)定的結(jié)構(gòu)才是門式剛架。不能簡單地認為只要是門式剛架，就可以歸類為“門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)”；也不能認為只要不滿足《門規(guī)》的規(guī)定，就不能采用門式剛架。事實上，大多數(shù)單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，都是門式剛架結(jié)構(gòu)。

圖1為STS中提供的結(jié)構(gòu)類型和設(shè)計規(guī)范。若結(jié)構(gòu)為滿足《門規(guī)》第1.0.2條規(guī)定的輕鋼結(jié)構(gòu)，則可以選擇“2-門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)”，若為不滿足此規(guī)定的結(jié)構(gòu)，應(yīng)按實際工程類型選擇“1-單層鋼結(jié)構(gòu)廠房”、“3-多層鋼結(jié)構(gòu)廠房”或“4-鋼框架結(jié)構(gòu)”。

圖1　結(jié)構(gòu)類型和設(shè)計規(guī)范的選項

設(shè)計規(guī)范應(yīng)根據(jù)各個規(guī)范的適用范圍和實際工程的類型作出選擇。一般來說，滿足《門規(guī)》適用范圍的結(jié)構(gòu)，選擇“1-按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）計算”，其他結(jié)構(gòu)可選擇“0-按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017：2003）計算”。對于采用冷彎薄壁型鋼作為主構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu)房屋，也可選擇“2-按《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50018）計算”。

結(jié)構(gòu)類型選擇“門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)”，體現(xiàn)了輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的特點：通過次構(gòu)件、檁條、金屬屋面板和墻面板與主結(jié)構(gòu)的連接，結(jié)構(gòu)具有較強的蒙皮剛度。這類結(jié)構(gòu)，有一定的特殊性，需要特別對待。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）》（以下簡稱《抗規(guī)》）第9.2.1條的規(guī)定，如果是“門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)”，則程序?qū)⒉粓?zhí)行《抗規(guī)》9.2節(jié)中的相關(guān)規(guī)定。此外，輕型鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件長細比限值，按《門規(guī)》可以取較大的值。

選擇不同的設(shè)計規(guī)范，除了強度和穩(wěn)定性計算結(jié)果不同，柱構(gòu)件的計算長度系數(shù)的確定和板件寬厚比限值也各有區(qū)別。對于柱的計算長度系數(shù)，程序自動按參數(shù)輸入中設(shè)置的驗算規(guī)范進行確定，與單個構(gòu)件的驗算規(guī)范無關(guān)。下面舉幾個例子來說明相關(guān)問題。

例1：帶夾層的門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)。因為《門規(guī)》針對的是單層房屋，所以設(shè)計規(guī)范應(yīng)選擇《鋼規(guī)》，程序按《鋼規(guī)》的線剛度比方法確定計算長度系數(shù)。但結(jié)構(gòu)為輕型鋼結(jié)構(gòu)，可以考慮蒙皮效應(yīng)，筆者認為，結(jié)構(gòu)類型依然可選“門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)”，按《門規(guī)》控制總體指標(biāo)。然后在交互設(shè)計時，可以單獨設(shè)定屋面梁和不與夾層相連的柱的驗算規(guī)范為《門規(guī)》。主要原因是屋面梁有一定的坡度，存在軸力，而且多采用變截面鋼梁。由于《鋼規(guī)》對梁的驗算是按純彎構(gòu)件計算，不考慮軸力，且穩(wěn)定性計算未考慮變截面的因素，采用《門規(guī)》的驗算結(jié)果比較全面［1］。

例2：吊車超過20t的門式剛架單層房屋鋼結(jié)構(gòu)。因為吊車噸位已經(jīng)超出《門規(guī)》的適用范圍，所以應(yīng)該選擇“單層鋼結(jié)構(gòu)廠房”類型，按《鋼規(guī)》控制總體指標(biāo)。驗算規(guī)范也應(yīng)該采用《鋼規(guī)》，柱的計算長度系數(shù)按《鋼規(guī)》的階形柱方式進行確定［1］。屋面梁可單獨設(shè)置驗算規(guī)范，參見例1。也有部分例外情況，參見下面的例3、例4。

例3：對于有吊車作用的柱子，如果是階形柱，建議選擇《鋼規(guī)》為設(shè)計規(guī)范，按《鋼規(guī)》的階形柱方式確定柱的計算長度系數(shù)。程序默認按附錄表D-4、D-6計算?？紤]到鋼梁剛度達不到完全剛性約束的條件，可以勾選下方的“當(dāng)實腹梁與作用有吊車荷載的柱剛接時，該柱按照上端為自由的階形柱確定計算長度系數(shù)”復(fù)選框，則程序?qū)锤戒洷鞤-3、D-5來計算，計算結(jié)果會比較準(zhǔn)確并偏于安全。

例4：如果上下段采用相同的截面（非階形柱）且梁柱連接采用剛接，如果按《鋼規(guī)》設(shè)計，下柱的計算長度系數(shù)常常出現(xiàn)比較小的情況。這種情況，建議選擇設(shè)計規(guī)范為《門規(guī)》，按《門規(guī)》的一階分析法確定構(gòu)件的計算長度系數(shù)［1］。然后在交互設(shè)計中，結(jié)合實際情況給構(gòu)件指定驗算規(guī)范。

當(dāng)結(jié)構(gòu)類型為“單層鋼結(jié)構(gòu)廠房”時，按《抗規(guī)》第9.2.13條，柱構(gòu)件的長細比限值與軸壓比有關(guān)，需要結(jié)構(gòu)計算后方能確定。對于鋼框架結(jié)構(gòu)，按《抗規(guī)》第8.3.1條，框架柱的長細比限值與構(gòu)件的抗震等級有關(guān)。而且使用Q235鋼以外的鋼材，規(guī)定的限值尚需換算，因此建議勾選“程序自動確定容許長細比”復(fù)選框［2］。

當(dāng)剛架梁按《門規(guī)》驗算時，建議勾選“鋼梁還要按壓彎構(gòu)件驗算平面內(nèi)穩(wěn)定性”，以考慮軸力對梁的作用。

圖2與性能化設(shè)計相關(guān)的兩個選項

圖2是與性能化設(shè)計有關(guān)的兩個選項。當(dāng)結(jié)構(gòu)類型為“單層鋼結(jié)構(gòu)廠房”時，可勾選上面一個選項，程序?qū)?zhí)行《抗規(guī)》第9.2.14條的條文說明中與性能化設(shè)計相關(guān)規(guī)定，按2倍或1.5倍地震作用組合下的內(nèi)力進行驗算［2］。若滿足承載力要求，可放寬板件寬厚比的限值，充分利用構(gòu)件的承載力，降低耗鋼量。尤其是對于吊車噸位大于20t的門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，因為不滿足《門規(guī)》的規(guī)定，按《抗規(guī)》控制板件寬厚比又比較嚴(yán)格。實際上大多數(shù)這類結(jié)構(gòu)，吊車作用大于地震作用，即使在2倍地震作用下，結(jié)構(gòu)也能滿足承載力要求。

當(dāng)結(jié)構(gòu)類型為“鋼框架結(jié)構(gòu)”時，可勾選下面一個選項，程序?qū)础犊挂?guī)》第8.1.3條注2的規(guī)定，當(dāng)構(gòu)件承載力滿足2被地震作用組合下的內(nèi)力要求時，7～9度的構(gòu)件抗震等級自動降低一級。同樣可以減少耗鋼量。

2　總信息參數(shù)

2.1自重計算放大系數(shù)

程序計算結(jié)構(gòu)自重時，僅按構(gòu)件截面面積X構(gòu)件長度來計算，并未計入梁柱節(jié)點板以及檁條、支撐、連系梁等次構(gòu)件的重量。通常的做法是次構(gòu)件重量計入恒載中，節(jié)點板重量按放大系數(shù)考慮。根據(jù)經(jīng)驗，可取1.1～1.2，最好不小于1.1。

2.2鋼柱計算長度系數(shù)計算方法

按照《鋼規(guī)》第5.3.3條，有側(cè)移或無側(cè)移框架柱的計算長度系數(shù)相差很大，除非是桁架結(jié)構(gòu)，或者設(shè)計人員能確定結(jié)構(gòu)為強支撐框架，才可以選擇無側(cè)移框架的計算方法，否則應(yīng)按有側(cè)移框架計算。

2.3凈截面和毛截面比值

此參數(shù)對強度驗算結(jié)果產(chǎn)生影響，對穩(wěn)定性驗算不產(chǎn)生影響此參數(shù)的設(shè)置，主要考慮構(gòu)件開孔后對構(gòu)件截面承載力削弱的影響。對以受彎為主的構(gòu)件，應(yīng)按凈截面慣性矩和毛截面慣性矩的比值計算。按一般門式剛架的端板連接方式，構(gòu)件上不需開孔，截面不削弱，可取1.0；腹板開孔的栓焊連接，腹板削弱對整個截面的影響較小，可取0.95；腹板和翼緣均開孔的螺栓連接，翼緣開孔后截面削弱較多，可取0.80。對以軸心受力為主的構(gòu)件，應(yīng)按凈截面面積和毛截面面積的比值計算。若削弱處并非構(gòu)件受力最大截面，亦可取更大的值。

2.4考慮恒載下柱軸向變形

鋼結(jié)構(gòu)尤其是桁架結(jié)構(gòu)，對變形比較敏感，應(yīng)當(dāng)考慮軸向變形。

2.5混凝土構(gòu)件參數(shù)

此處唯一例外的是“梁慣性矩增大系數(shù)”，也就是內(nèi)力計算時的梁剛度放大系數(shù)，這個參數(shù)對鋼梁也起作用的［2］。鋼結(jié)構(gòu)計算過程中，一般不考慮樓面板和屋面板對鋼梁的加強作用，如果是組合梁，也可以直接按組合梁設(shè)計，因此不需要對鋼梁進行剛度放大。

3　地震計算參數(shù)

3.1地震作用計算

按《抗規(guī)》第8.1.3條的規(guī)定，6度時的丙類建筑高度不超過50m時，可不計算地震作用；一般來說，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房6度時也可不計算地震作用，《抗規(guī)》第9.1.6條討論單層廠房不需計算地震作用的情況時，只涉及了7、8度時的情況；按《抗規(guī)》第5.1.1條第4款的規(guī)定，8、9度時的大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu)及9度時的高層建筑應(yīng)計算豎向地震。

3.2計算振型個數(shù)

一般可以填入結(jié)構(gòu)計算質(zhì)點個數(shù)。單層無吊車的結(jié)構(gòu)為單質(zhì)點體系，可填1；單層有吊車的結(jié)構(gòu)，質(zhì)點數(shù)為吊車作用點數(shù)量+1；多層結(jié)構(gòu)，計算質(zhì)點數(shù)量一般為層數(shù)，若有吊車，則質(zhì)點數(shù)會增多；其他情況可以此類推。設(shè)計時可先采用默認值，計算后查看計算結(jié)果，根據(jù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)點數(shù)和振型參與質(zhì)量系數(shù)來確定振型個數(shù)。

3.3周期折減系數(shù)

這個參數(shù)，主要是考慮墻體對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻。若墻面采用柔性圍護墻體或砌體墻在柱外皮砌筑，此項應(yīng)填1.0；若砌體墻在柱之間嵌筑，可填0.7～1.0之間的數(shù)值，低烈度區(qū)不低于0.7，高烈度區(qū)應(yīng)取較大的值。對于輕型鋼結(jié)構(gòu)，因為墻板對結(jié)構(gòu)剛度有一定的貢獻，一般可取0.8。

4　活荷載不利布置

單跨結(jié)構(gòu)不需要進行不利布置，但有雪荷載且分布不均勻的除外。

無雪荷載的結(jié)構(gòu)，不上人的屋面活荷載可不進行不利布置；上人的屋面活荷載或多高層結(jié)構(gòu)的樓面活荷載應(yīng)進行不利布置。

有雪荷載的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮屋面積雪分布系數(shù)，進行不利布置。

5　結(jié)語

本文說明了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中不同結(jié)構(gòu)類型應(yīng)采用設(shè)計規(guī)范或規(guī)程，總結(jié)了設(shè)計軟件STS中的部分參數(shù)的設(shè)置。但限于篇幅，并未涉及某些在規(guī)范中有明確規(guī)定的參數(shù)，也沒有涉及其他主流結(jié)構(gòu)軟件的參數(shù)設(shè)置，仍需要更多的設(shè)計人員努力研究規(guī)范，總結(jié)經(jīng)驗，提出更合理更準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置。

［1］中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件STS應(yīng)用講解（2010版）［S］.2011.

［2］中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS（2010版）用戶手冊［S］.2013.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Based on the steelstructure design software“PKPM-STS”，it is illustrated thatdesign codesor specification should be applied for different types of structure，and some simple，typical structure forms are used to demonstrate the influence of differentdesign results by different design codes or specifications；Then，themeanings and settingmethods for some important parameters are summarized，w ith impact of the parameters on design results and advice presented.

steel structure；steelstructure design；PKPM；STS

TU318+.2

A

1671-9107（2015）05-0028-03

2015-04-21

鄭遠林（1985-），男，重慶人，本科，助理工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。