PKPM在水利工程框架結構設計中的應用

糜凱華 於文歡 畢樹根

(中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

隨著社會經(jīng)濟的繁榮，水利工程對建筑結構的設計思想也在不斷更新。在注重實用性的同時，還開始強調其精神功能，這種設計思想的轉變，直接導致了泵站、水閘等上部建筑結構的多樣化和體型、布置的復雜化。這樣一來，如何準確地對這些特殊建筑結構進行分析，就成了合理設計的基本前提。

現(xiàn)階段針對水利行業(yè)中框架結構的設計，許多研究者開發(fā)出了結構力學求解器、水利水電工程設計計算程序集、ZDM新浪潮工具箱、理正結構工具箱，遺憾的是這些結構設計軟件均局限在二維層面，較難準確地描述構件的實際受力情況；而在工民建行業(yè)，則有PKPM[1]、YJK、SAP84、SAP2000[2]、ETABS[3]、Midas Gen等三維結構設計軟件，特別是PKPM的應用最為廣泛。工民建行業(yè)PKPM軟件結構設計依據(jù)為國家標準，而水利行業(yè)結構設計依據(jù)為水利行業(yè)標準，盡管兩類標準關于結構設計表達式及分項系數(shù)的選擇上有所不同，但配筋計算的核心原理基本一致，并不影響PKPM在水利工程中的推廣應用。

為提高水利工程設計效率，許多設計人員針對PKPM在水利工程框架結構的分析提出多種改進措施。文獻[4-10]直接套用PKPM軟件進行水利工程設計，忽略不同規(guī)范之間的差異性；文獻[11]分析了周期折減系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)、中梁剛度放大系數(shù)對配筋量的影響；文獻[12-13]提出在PKPM數(shù)據(jù)交互時，在每項荷載上事先乘以修正系數(shù)，再在計算出的配筋量上乘以一個修正系數(shù)；文獻[14]通過調整軟件參數(shù)，經(jīng)多次試算使配筋結果與常規(guī)計算基本一致，最終選定合理的一組參數(shù)；文獻[15]通過PKPM分析將配筋量乘以放大系數(shù)或折減系數(shù)。

以上改進措施無論是對荷載、參數(shù)或是配筋結果進行調整，其成果均不具備普遍性，不能完全適用于水利工程框架結構設計。本文將基于PKPM軟件，結合多年使用經(jīng)驗介紹在其水利工程框架結構分析中的使用技巧，并以兩個算例驗證其正確性。

1 PKPM在水利工程中的使用技巧

我國各行業(yè)的混凝土結構設計規(guī)范基本上都采用以概率為基礎的極限狀態(tài)設計法。水利行業(yè)標準與國家標準中混凝土結構實用設計表達式不同之處在于：國家標準實用設計表達式中采用3個分項系數(shù)(荷載分項系數(shù)、材料分項系數(shù)和結構重要性系數(shù))，而水利行業(yè)標準采用極限狀態(tài)設計法進行設計，在多系數(shù)分析基礎上，將幾個系數(shù)合并為一個安全系數(shù)，采用安全系數(shù)K表達的方式進行設計。框架結構在兩種標準下的荷載組合及實用設計表達式見表1。

表1 框架結構在不同標準下荷載組合及實用設計表達式對比

為使PKPM軟件正確應用于水利行業(yè)標準，本文提出在PKPM中自定義組合及工況，將安全系數(shù)K整合到各工況荷載分項系數(shù)中。水利行業(yè)永久荷載分項系數(shù)γG1K取1.05、一般可變荷載分項系數(shù)γQ1K取1.2、偶然荷載分項系數(shù)γAK取1.0。通過對兩種標準下的承載力極限狀態(tài)實用設計表達式對比分析可知，將荷載效應組合設計值中每項荷載分項系數(shù)分別乘以安全系數(shù)K再除以結構重要性系數(shù)γ0，即可完成各工況下安全系數(shù)K的整合。各工況下荷載分項系數(shù)推導過程見表2。

表2 PKPM自定義組合荷載分項系數(shù)推導

在PKPM分析和設計參數(shù)補充定義對話框中，選擇荷載組合，組合信息，增加荷載組合及修改荷載分項系數(shù)，根據(jù)PKPM中自定義組合及工況表的格式，將表3中推導的荷載分項系數(shù)輸入，即可保證PKPM計算出來的結構內力及配筋基本符合水利行業(yè)標準。值得一提的是，輸入自定義組合及工況表中荷載分項系數(shù)可以通過組合按鈕導出名為LOADCOM.pm的文件，再次進行水利工程框架結構設計時，通過導入自定義組合按鈕導入該文件，可大幅度提高設計效率，將設計人員從煩瑣的數(shù)據(jù)輸入工作中解脫出來。

表3 PKPM自定義組合荷載分項系數(shù)

續(xù)表

2 算 例

本算例為重力壩壩頂人行道，橫向由兩塊預制實心板鋪設在壩體伸出懸臂梁上而成(見圖1)，每塊板的標志寬度750mm，板厚100mm。

圖1 壩頂人行道簡圖(單位：mm)1—預制板；2—壩體；3—懸臂梁

板上人群荷載標準值3.0kN/m2。采用C25混凝土與HRB335鋼筋，保護層厚度25mm，人行道安全級別為Ⅲ級，基本組合承載力安全系數(shù)K=1.15，結構重要性系數(shù)γ0=0.9。均布永久荷載(板自重)：gk=0.1×0.75×25=1.88kN/m；均布可變荷載(人群荷載)qk=3×0.75=2.25kN/m。

常規(guī)計算：荷載效應組合設計值為

截面抵抗矩系數(shù)為

相對受壓區(qū)計算高度為

受拉鋼筋面積為

PKPM程序荷載效應組合設計值計算時，按照本文提出的PKPM自定義組合及工況，將恒載分項系數(shù)取1.3417、活載分項系數(shù)取1.5333，計算得彎矩包絡圖(見圖2)，跨中最大彎矩為5.8kN·m；PKPM程序配筋計算時，按照《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)實用設計表達式，將跨中最大彎矩乘以結構重要性系數(shù)γ0=0.9，得γ0M=5.2kN·m，此值與《水工混凝土結構設計規(guī)范》(SL 191—2008)中KMs基本吻合，計算得配筋包絡圖見圖3，跨中截面配筋面積為312mm2，相比手算配筋面積大6.4%，這是由于不同計算程序對截面有效高度h0取值的不同導致的，但總體來說PKPM程序計算成果基本上能滿足水利行業(yè)框架結構設計的要求。

圖2 彎矩包絡(單位：mm)

圖3 配筋包絡(單位：mm2)

在二跨三層框架結構中，安全級別為Ⅱ級，基本組合承載力安全系數(shù)K=1.2，結構重要性系數(shù)γ0=1.0。結構立面簡圖、恒載圖、活載圖、風載圖見圖4～圖7。

圖4 框架立面

圖5 框架恒載

圖6 框架活載

對兩跨三層框架結構分別用結構力學法和PKPM程序計算結構內力，采用結構力學法計算時，恒載均乘以1.26分項系數(shù)，活載均乘以1.44分項系數(shù)；采

圖7 框架左風荷載

用PKPM自定義組合及工況計算時，恒載分項系數(shù)取1.26，活載分項系數(shù)取1.44。兩種計算方法所得彎矩設計值見圖8和圖9。

圖8 PKPM計算彎矩包絡(單位：kN·m)

圖9 結構力學法計算彎矩(單位：kN·m)

從圖8、圖9可以看出，兩種算法梁各跨中及端部彎矩值相差較小，基本在7%以內，主要原因是用結構力學方法計算結構內力時，未考慮垂直于框架方向的梁系對框架的約束作用，而PKPM計算程序則考慮了垂直于框架梁系的約束作用，這樣必然增加平面內梁柱節(jié)點部位的剛度，使得PKPM計算出來的邊跨端部彎矩較結構力學法計算值大；這也說明PKPM與實際結構受力狀態(tài)更為接近，同時驗證了PKPM自定義組合及工況計算程序應用于水利工程框架結構計算的準確性和適用性。

3 結 語

水利工程設計人員往往因理論知識掌握深度不足，對規(guī)范理解不到位，在應用PKPM軟件進行水利工程框架結構分析時，完全依賴于計算軟件，忽略了軟件的適用范圍及功能特性，最終導致設計成果不能完全滿足安全、經(jīng)濟、適用、美觀的效果。本文介紹使用PKPM軟件進行水利工程框架結構分析的使用技巧，同時給出算例展示PKPM軟件分析水利工程框架結構問題的合理性、可靠性，以促進PKPM軟件在水利工程泵站、水閘等上部框架結構分析中的應用。