PKPM電算軟件的教學(xué)研究

郭培成

(廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院, 福建漳州363105)

PKPM電算軟件的教學(xué)研究

郭培成

(廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院, 福建漳州363105)

文章對(duì)PKPM電算軟件的教學(xué)方法作了探討。通過(guò)對(duì)PKPM電算軟件的講解,使學(xué)生掌握如何應(yīng)用；結(jié)合課堂上對(duì)不同的結(jié)構(gòu)案例進(jìn)行分析計(jì)算，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本課程的理解。另外，逐步引導(dǎo)學(xué)生積極查閱規(guī)范，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，從而培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力和思維。

PKPM電算軟件； 參數(shù)； 結(jié)構(gòu)； 設(shè)計(jì)

20世紀(jì)90年代中后期，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的綜合提高，城市人口的急劇增加，住房需求越來(lái)越大，因此房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展也加快了腳步,結(jié)構(gòu)工程師和建筑工程師依靠單純的手繪圖紙或平面計(jì)算軟件處理分析建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足發(fā)展的需求。因此計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開(kāi)始應(yīng)用建筑業(yè)中，給工程師們帶來(lái)了巨大的便利，尤其PKPM系列軟件的出現(xiàn)，給結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的改變。2000年后，為了與社會(huì)接軌，大部分高校也陸續(xù)開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程《PKPM電算軟件》。該課程是土木工程專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，具有實(shí)踐性、綜合性的特點(diǎn)，一般在四年級(jí)上學(xué)期開(kāi)設(shè)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的實(shí)踐能力。

1 PKPM軟件介紹

PKPM是一個(gè)系列，除了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備(給排水、采暖、通風(fēng)空調(diào)、電氣)設(shè)計(jì)于一體的集成化CAD系統(tǒng)以外，目前PKPM還有建筑概預(yù)算系列、施工系列軟件等[1]。本文主要針對(duì)結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行應(yīng)用和教學(xué)研究。PKPM在教學(xué)過(guò)程中，主要分為三部分講解。第一，如何將建筑圖紙反映在結(jié)構(gòu)模型中；第二，各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)如何定義和選擇；第三，查看計(jì)算結(jié)果，針對(duì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行處理和修改。圖1所示是兩個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的菜單板塊，里面涉及到較多的專(zhuān)業(yè)概念，這也是學(xué)生們比較難理解和接受的環(huán)節(jié)。

2 教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

圖1 PKPM結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置信息

學(xué)生們?cè)谶M(jìn)行PKPM設(shè)計(jì)之前，要求看懂建筑施工圖，并且能夠想到結(jié)構(gòu)構(gòu)件如何布置，以及構(gòu)件的初步尺寸應(yīng)該怎么選擇。這方面內(nèi)容需要結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程或規(guī)范去理解。如框架梁截面高度可按計(jì)算跨度的1/10～1/18初定，梁凈跨與截面高度之比不宜小于4，梁的截面寬度不宜小于梁截面高度的1/4，也不宜小于200 mm；框架柱矩形截面柱的邊長(zhǎng)，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，四級(jí)不宜小于300 mm，一、二、三級(jí)時(shí)不宜小于400 mm；剪力墻結(jié)構(gòu)一、二級(jí)剪力墻，底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于200 mm，其他部位不應(yīng)小于160 mm；一字形獨(dú)立剪力墻底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于220 mm，其他部位不應(yīng)小于180 mm；三、四級(jí)剪力墻，不應(yīng)小于160 mm，一字形獨(dú)立剪力墻的底部加強(qiáng)部位尚不應(yīng)小于180 mm[2-3]。這方面內(nèi)容在相關(guān)課程中接觸過(guò)，但是學(xué)生在正真應(yīng)用過(guò)程中就無(wú)從下手，不知道如何選擇截面尺寸，往往選擇有時(shí)很大，有時(shí)又很小，缺少專(zhuān)業(yè)概念的理解和合理的判斷，這就造成學(xué)習(xí)過(guò)程中比較吃力。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件重要環(huán)節(jié)不是操作，而是對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的概念要掌握清楚。

3 如何讓學(xué)生理解軟件中的參數(shù)

下面通過(guò)PKPM中的各個(gè)菜單結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行講解，讓學(xué)生在定義該參數(shù)時(shí)，加深對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，同時(shí)在講解過(guò)程中也會(huì)解釋原因及如何查閱相應(yīng)規(guī)范或規(guī)程，以便學(xué)生自己課后復(fù)習(xí)。該部分涉及的參數(shù)較多，為了更好地加強(qiáng)理解，應(yīng)對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程再次復(fù)習(xí)。

3.1 坐標(biāo)與水平力作用方向的夾角信息

因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參考坐標(biāo)系建立以后，該結(jié)構(gòu)的主軸確定，求得的地震力、風(fēng)力是沿著坐標(biāo)軸方向作用的。若作用方向的角度與主軸的夾角小于15°按軟件默認(rèn)0°考慮；若大于15°，需要將該角度輸入到該菜單，重新計(jì)算內(nèi)力。這方面專(zhuān)業(yè)內(nèi)容在建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程里面都有闡述。

3.2 混凝土重度

一般框架結(jié)構(gòu)該參數(shù)為25.5 kN/m3，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為26 kN/m3，剪力墻結(jié)構(gòu)為26.5～27 kN/m3，原因是混凝土重度一般為25 kN/m3左右。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)受力構(gòu)件周邊都有抹灰；另外建筑物設(shè)計(jì)越高，混凝土等級(jí)越高，密實(shí)度越高，重度相應(yīng)越大。通常剪力墻設(shè)計(jì)高度大于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)一般最低。

3.3 恒活荷載計(jì)算信息

本信息欄主要是如何正確選擇一次加載、施工模擬荷載(1、2、3)。一次加載是將豎向恒載一次加上；施工模擬荷載1主要考慮的是分層加荷、逐層找平等因素的影響；而施工模擬荷載2是將豎向構(gòu)件(柱、墻)的剛度放大10倍后再做施工模擬荷載。因此，選擇一次加載計(jì)算會(huì)帶來(lái)軸向變形較大的計(jì)算誤差。選擇施工模擬荷載1、2、3時(shí)計(jì)算出傳給基礎(chǔ)的力較為均勻合理，可以避免墻軸力遠(yuǎn)大于柱軸力的不合理情形。一般框架結(jié)構(gòu)選擇施工模擬荷載1，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)選擇施工模擬荷載2，剪力墻結(jié)構(gòu)選擇施工模擬荷載3。

3.4 對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定

一般在設(shè)計(jì)中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振周期或振型、位移比、位移角計(jì)算需要考慮剛性樓板假定；而進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整體(如軸壓比、梁柱墻配筋、穩(wěn)定性、整齊抗傾覆驗(yàn)算、側(cè)向剛度、樓層受剪承載力等)方面不需要考慮剛性樓板假定。

3.5 結(jié)構(gòu)規(guī)則性判斷

結(jié)構(gòu)不規(guī)則包括平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則。平面不規(guī)則主要有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)；豎向不規(guī)則主要有側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層受剪承載力突變。具體判斷標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)規(guī)范[2-3]。

3.6 設(shè)計(jì)地震分組、場(chǎng)地類(lèi)別、地震設(shè)防烈度、抗震等級(jí)

設(shè)計(jì)地震分組和地震設(shè)防烈度可以查閱規(guī)范[3]，場(chǎng)地類(lèi)別由地質(zhì)勘查資料決定，一般分為四類(lèi)；抗震等級(jí)由設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)體系、建筑物設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等決定，可查閱規(guī)范[2-3]。

3.7 偶然偏心和雙向地震

一般計(jì)算單向地震作用時(shí)應(yīng)考慮偶然偏心的影響，不需要考慮雙向地震；當(dāng)質(zhì)量與剛度分布明顯不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)(如位移比大于1.4，復(fù)雜高層建筑、水平豎向多項(xiàng)指標(biāo)不滿足要求)，應(yīng)計(jì)算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，此時(shí)不需要考慮偶然偏心。兩個(gè)參數(shù)都屬于不利狀態(tài)，不需要同時(shí)考慮，這樣會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的保守設(shè)計(jì)，給工程造價(jià)帶來(lái)不利。

3.8 振型個(gè)數(shù)和周期折減

振型個(gè)數(shù)選擇一般不少于9個(gè)(一般為3的整數(shù)倍)，同時(shí)不宜小于樓層數(shù)，同時(shí)滿足有效質(zhì)量參與系數(shù)大于90 %。如24層結(jié)構(gòu)，振型個(gè)數(shù)選24、27、30及以上等都可以，但考慮到計(jì)算速度，只要滿足有效質(zhì)量參與系數(shù)大于90 %即可。周期折減針對(duì)不同體系采取不同修正(框架折減系數(shù)0.6～0.7，框剪-剪力墻0.7～0.8，剪力墻0.8～1.0)，折減的主要原因是PKPM結(jié)構(gòu)模型僅能表示受力構(gòu)件，填充墻非受力構(gòu)件不能出現(xiàn)在模型中，但填充墻在實(shí)際工程中對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度有貢獻(xiàn)，這樣會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較模型中剛度變大，剛度大則周期小，所以需要對(duì)PKPM的計(jì)算周期進(jìn)行折減，不折減會(huì)導(dǎo)致計(jì)算周期比實(shí)際周期變大，從而導(dǎo)致計(jì)算地震作用變小。

3.9 梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)

這部分內(nèi)容在《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》課教授過(guò)，這里面首先要明白何種梁的梁端(框架梁端還是非框架梁端)，其次為何進(jìn)行負(fù)端調(diào)幅而不是跨中，最后在什么荷載作用下計(jì)算調(diào)幅等，弄清楚這些，再來(lái)處理參數(shù)如何設(shè)計(jì)就輕松多了。

3.10 剪重比

剪重比是反映地震作用大小的重要指標(biāo)，它可以由“有效質(zhì)量系數(shù)”來(lái)控制，當(dāng)“有效質(zhì)量系數(shù)”大于90 %時(shí)，可以認(rèn)為地震作用滿足規(guī)范要求。此時(shí)，再考察結(jié)構(gòu)的剪重比是否合適，否則應(yīng)修改結(jié)構(gòu)布置、增加結(jié)構(gòu)剛度，使計(jì)算的剪重比能自然滿足規(guī)范要求。有效質(zhì)量系數(shù)與振型個(gè)數(shù)有關(guān)，如果有效質(zhì)量系數(shù)不滿足90 %，則可以通過(guò)增加振型數(shù)來(lái)滿足。具體公式詳見(jiàn)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范5.2.5，該指標(biāo)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)，通常建筑物的重力代表值越大，則地震剪力越大，因此該項(xiàng)指標(biāo)不滿足代表剪力過(guò)小，不能真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

3.11 轉(zhuǎn)換層所在位置

建筑物某層的上部與下部因平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型，并通過(guò)該樓層進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，則該樓層稱(chēng)為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式轉(zhuǎn)換層。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層可分為三類(lèi)：(1)上層和下層結(jié)構(gòu)類(lèi)型轉(zhuǎn)換。多用于剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，它將上部剪力墻轉(zhuǎn)換為下部的框架，以創(chuàng)造一個(gè)較大的內(nèi)部自由空間，該形式應(yīng)用比較多。(2)上、下層的柱網(wǎng)、軸線改變。轉(zhuǎn)換層上、下的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變，但是通過(guò)轉(zhuǎn)換層使下層柱的柱距擴(kuò)大，形成大柱網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)很少使用，因?yàn)榭蚣苤箓?cè)剛度太小。(3)同時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)軸線布置，柱網(wǎng)軸線與上部樓層的軸線錯(cuò)開(kāi)，形成上下結(jié)構(gòu)不對(duì)齊的布置。該形式上、下剛度差異太大，不利于抗震，不經(jīng)濟(jì)受力也不合理。

4 分析結(jié)果及處理結(jié)果信息中部分問(wèn)題

通過(guò)幾個(gè)框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑施工圖完成結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，針對(duì)出現(xiàn)的不同問(wèn)題進(jìn)行不同的講解和處理，下面針對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題逐個(gè)介紹。(1)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框架梁縱筋配筋率過(guò)大如何解決，主要清楚配筋率過(guò)大由于荷載過(guò)大或截面過(guò)小所致，這樣學(xué)生大致明白方向從而進(jìn)行改善；(2)框架梁受剪出現(xiàn)問(wèn)題如何解決，它比受彎更復(fù)雜。在上課過(guò)程中有一個(gè)案列，如橫向三跨，依次為6m、3m、6m，中間3m跨出現(xiàn)受剪問(wèn)題，通常學(xué)生會(huì)加大截面高度，但從概念出發(fā)首先應(yīng)加大梁寬，其次改變混凝土等級(jí)或標(biāo)號(hào)，最后改變梁高，這樣學(xué)生就明白了，不會(huì)盲目加大梁高，有時(shí)反而要減小(如剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁受剪超筋，往往因?yàn)檫B梁剛度太大，導(dǎo)致剪力分配較多，此時(shí)應(yīng)減小梁高更有效)；(3)在練習(xí)中還遇到框架梁受壓區(qū)高度過(guò)大不滿足規(guī)范規(guī)定值。此時(shí)講解了概念，學(xué)生明白了原因，應(yīng)該確定加大梁高度更有效，其它的方法效果不明顯；(4)在練習(xí)剪力墻一個(gè)案例時(shí)，某層最大位移比1.32，讓學(xué)生去查閱資料，從中發(fā)現(xiàn)原因是什么以及如何處理。此時(shí)不是盲目加大全層墻、梁截面，而是從短向外圍加大，弱化內(nèi)部，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外強(qiáng)內(nèi)弱，可以改善外部抗扭轉(zhuǎn)剛度，從而將位移比調(diào)整到了1.21，基本滿足工程需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

第一，加強(qiáng)規(guī)范和專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)概念理解，學(xué)會(huì)布置承重構(gòu)件的位置及大致的截面尺寸；第二，不要過(guò)分依賴(lài)計(jì)算程序，應(yīng)以力學(xué)概念為基礎(chǔ)，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行判斷；第三，對(duì)于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的各種超筋、位移比、軸壓比、位移角等問(wèn)題，從概念出發(fā)分析其原因，進(jìn)行歸類(lèi)集中處理；第四，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是科學(xué)，目前還是門(mén)藝術(shù)，需要不斷去分析比較，從中找出解決問(wèn)題的方法。

[1] 張宇鑫，劉海成，張星源. PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用[M]. 2版.上海： 同濟(jì)大學(xué)出版社，2010.

[2] 中華人民社共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2011.

[3] 中華人民社共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). GB 50011-2010(2016年版)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2016.

郭培成(1978～)，男，碩士研究生，講師, 從事土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)。

TU311.41

A

[定稿日期]2017-05-22