摘　要　介紹了PKPM系列中砌體結(jié)構(gòu)CAD軟件的關(guān)鍵技術(shù)及主要功能和特點，并討論了工程應(yīng)用中若干常見的問題。該軟件采用圖形交互快速建立結(jié)構(gòu)模型；自動導(dǎo)算荷載并生成設(shè)計所需的結(jié)構(gòu)信息；可完成砌體及底框結(jié)構(gòu)抗震計算及靜力計算；繪制混凝土梁、柱、板及結(jié)構(gòu)平面施工圖及砌體圈梁、構(gòu)造柱和芯柱大樣圖；完成陽臺、雨篷、墻梁及挑梁等混凝土構(gòu)件的計算和繪圖。
　　關(guān)鍵詞　砌體結(jié)構(gòu)　CAD軟件

Computer Aided Design Software for Masonry or Concrete Masonry
Structures in PKPM CAD System

Jin Xinyang　Chen Dailin　Huang Lixin　Gu Weiping
(Institute of Building Structures, China Academy of Building Research)

　　Abstract　This paper introduces the CAD software for masonry or concrete masonry structure, which is a part of PKPM CAD system. By means of graphic interactive input, a model of masonry or concrete masonry structure can be built up efficiently. Structure analysis for anti-earthquake and vertical loads can be carried out. The working drawings of structure plan and the details of beam, column and balcony can be drawn out automatically. Some common questions occurred in structural design are discussed。
　　Keywords　masonry structure; CAD software

1　概　述

　　砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計是PKPM系列CAD軟件中研制開發(fā)最早且應(yīng)用最廣泛的功能之一。據(jù)調(diào)查，用戶中采用PKPM軟件設(shè)計砌體結(jié)構(gòu)工程的, 約占30％。
　　該軟件的主要功能及特點有：
　　(1) 利用圖形交互輸入快速高效建立砌體結(jié)構(gòu)模型。自動導(dǎo)算荷載并生成荷載信息，自動生成抗震計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的結(jié)構(gòu)信息。
　　(2) 自動完成砌體結(jié)構(gòu)及底框上磚房結(jié)構(gòu)抗震承載力驗算及墻體靜力計算，完成底框結(jié)構(gòu)分析和施工圖設(shè)計。
　　(3) 計算現(xiàn)澆板的內(nèi)力及配筋，完成板配筋圖及結(jié)構(gòu)平面圖。自動生成并繪制砌體圈梁、構(gòu)造柱及芯柱節(jié)點大樣圖。
　　(4) 完成砌體結(jié)構(gòu)中挑梁、墻梁及陽臺、雨篷、挑檐等構(gòu)件的計算及繪圖。
　　(5) 將上部結(jié)構(gòu)平面布置及導(dǎo)算的荷載自動傳給基礎(chǔ)，完成條基、獨基、彈性地基梁及樁基的設(shè)計及施工圖。
　　上述功能形成了一個砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計的完整系統(tǒng)(見圖1)。

圖1　PKPM系列軟件砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計過程圖

2　砌體結(jié)構(gòu)抗震驗算及受壓計算

2.1　主要依據(jù)及技術(shù)條件
　　砌體結(jié)構(gòu)抗震驗算所依據(jù)的主要規(guī)范有：
　　GBJ 11-89《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》；
　　GBJ 3-88《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》；
　　JGJ/T 13－94《設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱多層磚房抗震技術(shù)規(guī)程》等。
　　主要技術(shù)條件有：
　　(1) 按底部剪力法計算結(jié)構(gòu)的總水平地震力和各樓層的地震力F_i，其中地震影響系數(shù)α取α_max，不考慮頂部附加地震作用。
　　第 i 層地震剪力V_i 按式（1）計算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　n為樓層總層數(shù)。
　　(2) 按樓面剛度特性將各層的地震剪力分配至各片墻上，有以下三種情況：
　　● 對現(xiàn)澆或裝配整體式剛性樓蓋，按墻體的抗側(cè)力剛度分配：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

式中　k_ij――第i 層第 j 片墻的抗側(cè)力剛度，按下述情況計算：
　　　當(dāng)高寬比ρ＝h/b≤1.0 時，
　　　
　　　當(dāng)1.0＜ρ≤4.0時，
　　　
　　　當(dāng)ρ＞4.0時，k_ij＝0
　　● 對開洞率很大或木樓蓋等柔性樓蓋，按墻體承受的重力荷載分配：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

式中　G_ij――第 i 層第 j 片墻體承受的重力荷載。
　　● 對鋼筋混凝土裝配式剛?cè)嵝詷巧w，按剛度和重力荷載分配：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

　　 ( 3 ) 砌體結(jié)構(gòu)抗震承載力驗算，包括墻體抗震承載力驗算及布置芯柱的混凝土小型砌塊墻體抗震承載力驗算。
　　● 墻體抗震承載力，按式（5）驗算：

　　　　　　　　　　　　　　γ_EhV_ij≤（f_vEA+0.15f_yA_s）／γRE　　　　　　　　　　(5)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)

式中　γ_Eh――地震作用分項系數(shù)，取1.3；
　　　γ_RE――承載力抗震調(diào)整系數(shù)，對自承重墻取0.75，當(dāng)設(shè)置適當(dāng)構(gòu)造柱時取0.9，其他情況取1.0；
　　　A_s、f_y――配筋砌體層間豎向截面中，總的鋼筋截面面積及強(qiáng)度；
　　　f_v、f_vE――分別為砌體抗剪強(qiáng)度和抗震抗剪強(qiáng)度；
　　　ξ――矩形截面剪應(yīng)力不均勻系數(shù)，取1.2；
　　　σ₀――砌體在重力荷載代表值作用下的平均壓應(yīng)力；
　　　A――砌體截面面積。
　　當(dāng)考慮構(gòu)造柱共同作用時，砌體截面面積由式（7）確定：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)

式中　A_n、A_c――分別為砌體凈截面積和驗算墻體中構(gòu)造柱總截面面積；
　　　E_c、E――分別為構(gòu)造柱鋼筋混凝土及砌體的彈性模量；
　　　η_c――構(gòu)造柱參與系數(shù)，取0.26～0.3。
　　● 布置芯柱的混凝土小型砌塊墻體抗震承載力，按式（8）驗算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)

式中　A_c、f_c――分別為芯柱總截面積和芯柱混凝土強(qiáng)度等級；
　　　A_s、f_y――分別為芯柱插筋截面積及強(qiáng)度等級；
　　　ζ_c――芯柱影響系數(shù)，按填空率取0～1.15。
2.2　砌體抗震及受壓承載力自動驗算
　　首先由PMCAD軟件主菜單A、1 和2 建立砌體結(jié)構(gòu)全樓模型，包括樓層數(shù)及層高、地震信息、墻體、洞口、預(yù)制樓板等的布置。然后由PMCAD主菜單3 和C 完成荷載輸入、導(dǎo)算及校核。
　　在此基礎(chǔ)上，軟件將自動生成每層中各片墻體以及墻段的信息，包括該墻承受的地震剪力及恒活荷載作用下的軸力，水平截面面積，構(gòu)造柱的數(shù)量及截面面積等。然后按式(5)驗算整片墻體和各墻段的抗震承載力。
　　驗算結(jié)果以墻體的抗力與荷載效應(yīng)之比值給出，將結(jié)果直接標(biāo)注在平面圖的每片墻和每個墻段上。當(dāng)墻體不滿足抗震承載力要求時(比值小于1.0)，軟件會在屏幕上用紅色提示，并計算出墻體水平配筋的面積，供用戶參考。在結(jié)果圖中還給出本層重力荷載代表值、水平地震力、地震剪力、砂漿強(qiáng)度等的信息。
　　自動生成各墻體的受壓構(gòu)件截面特征并導(dǎo)算其荷載，計算它們的受壓承載力。
　　除抗震驗算結(jié)果圖外，軟件還可根據(jù)用戶需要給出各層墻體的軸力圖、地震剪力圖等，供用戶做更細(xì)致的設(shè)計。

3　底層框架上磚房結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計

3.1　底層框架結(jié)構(gòu)地震作用分析
　　這類結(jié)構(gòu)的水平地震力及上部磚房的抗震承載力計算與普通砌體結(jié)構(gòu)類似。對底層框架的地震作用分析及設(shè)計，規(guī)范對此作了一些特別的規(guī)定。主要可歸納為以下幾點：
　�。�1） 底層地震剪力增大系數(shù)η_v

η_v=1.0+0.17(K₂/K₁)(1.2≤η_v≤1.5)　　　　　　　(9)

式中　K₁、K₂――分別為底層與上層磚房的側(cè)移剛度。
　�。�2） 地震剪力的分配　規(guī)范規(guī)定抗震墻應(yīng)能承擔(dān)全部的地震剪力，因此，應(yīng)按全部的地震剪力來計算底層混凝土剪力墻及磚填充墻承受的地震剪力，并按其側(cè)移剛度進(jìn)行分配。
　　底層框架承擔(dān)的地震力將通過框架、混凝土剪力墻及磚填充墻三者間的協(xié)調(diào)分配得到，在分配中對混凝土和磚墻的側(cè)移剛度要適當(dāng)折減。第 i 榀框架承受的地震力按式（10）計算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)

式中　K_fi――第 i 榀框架的側(cè)移剛度；
　　　K_cw，K_mw――分別為混凝土剪力墻和磚填充墻的總側(cè)移剛度。
　�。�3） 框架柱附加軸力　地震作用下，上層磚房對底層結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的傾覆力矩，形成框架柱內(nèi)的附加軸力�？偟膬A覆力矩由框架和抗震墻共同承擔(dān)，第i榀框架承受的傾覆力矩由式（11）計算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(11)

式中　I_fi，I_w――分別為第 i 榀框架的轉(zhuǎn)動剛度和墻體轉(zhuǎn)動剛度。
　　第 i 榀框架第 j 根柱的附加軸力按下式計算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(12)

式中　x_ij，A_ij――分別為第 i 根柱離形心的距離和截面面積。
　�。�4） 抗震墻設(shè)計　 設(shè)置于底框結(jié)構(gòu)中的混凝土剪力墻承受軸力、彎矩和剪力，按偏心受力構(gòu)件計算；水平分布鋼筋根據(jù)水平地震剪力計算。
　　對磚填充墻，必須滿足規(guī)范對其構(gòu)造和施工所作的規(guī)定，如先砌墻后澆框架梁的施工順序，要設(shè)置足夠的拉結(jié)筋等。
　　軟件將上述計算所得的各榀框架的地震力、柱附加軸力、混凝土剪力墻內(nèi)力及配筋、磚填充墻抗震驗算結(jié)果均標(biāo)在平面圖上，同時還給出經(jīng)調(diào)整后的底層總剪力、底框架層與相鄰層的抗側(cè)移剛度比、總傾覆力矩等信息。
3.2　底層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　完成底框上磚房結(jié)構(gòu)的地震作用分析后，用PMCAD主菜單 4 生成底框PK文件，可自動生成各榀框架結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計所需的全部數(shù)據(jù)，其中包括結(jié)構(gòu)簡圖，上部磚房及本層樓面?zhèn)鬟f的恒、活荷載，水平地震力及柱附加軸力等。用PK軟件來完成框架的內(nèi)力分析、配筋計算及施工圖設(shè)計的全過程。

4　磚混結(jié)構(gòu)平面及節(jié)點大樣輔助設(shè)計

4.1　結(jié)構(gòu)平面圖設(shè)計
　　軟件可自動完成現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的內(nèi)力及配筋計算，自動選配板底及支座的鋼筋，并通過自動布筋、通長布筋、指定布筋及任意布筋等多種手段完成現(xiàn)澆板施工圖。
　　對預(yù)制樓板，可用板布置圖或板標(biāo)準(zhǔn)圖兩種方式表達(dá)。
　　軟件還提供了大量自動的或交互的標(biāo)準(zhǔn)功能，如軸線、尺寸、中英文字等，可幫助用戶方便快速完成平面施工圖。
4.2　圈梁及構(gòu)造柱節(jié)點大樣圖
　　根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和通用圖集，利用模型中圈梁、構(gòu)造柱、芯柱布置等信息，軟件自動生成全部圈梁及構(gòu)造柱、芯柱的節(jié)點大樣圖，生成圈梁布置簡圖及芯柱的布置圖。
　　圈梁大樣圖可反映其兩側(cè)是現(xiàn)澆或預(yù)制板、內(nèi)墻或外墻、板與梁頂或梁底平齊等各種情況。圈梁的截面有矩形和L形，縱筋和箍筋按構(gòu)造設(shè)置。各類大樣的信息都通過一組參數(shù)來定義描述，用戶可以通過交互修改參數(shù)的方式隨意修改大樣圖。
　　構(gòu)造柱大樣根據(jù)與其相交墻肢的情況自動分類，墻肢可以是正交或斜交，柱內(nèi)配筋及拉結(jié)筋均按構(gòu)造自動確定。柱大樣信息也通過參數(shù)化描述和修改。
　　芯柱大樣反映填孔數(shù)、插筋及拉結(jié)筋的詳細(xì)情況。
　　形成全部大樣信息后，軟件自動進(jìn)行歸并整理，相同的大樣歸到一類。大樣圖的索引符號可在平面圖上自動或交互標(biāo)出。大樣圖的布置也可自動完成，用戶可任意拖動各個圖塊。

5　若干常見問題討論

　�。�1） 砌體抗震承載力不足。 軟件的應(yīng)用使砌體結(jié)構(gòu)抗震驗算十分快捷簡便，但隨著新的房屋形式和新的使用要求的出現(xiàn)，設(shè)計中經(jīng)常會遇到抗震承載力不足的問題。造成承載力不足的主要原因有：
　　① 半地下室結(jié)構(gòu)或頂層越層結(jié)構(gòu)，因房屋等效重力荷載增加，設(shè)計高度增加，使總水平地震力增大。
　　② 為滿足外觀、采光及靈活大空間等使用上的要求，墻體數(shù)量減少，開洞率普遍增大，尤其是縱墻，常采用門連窗方式，墻體有效截面面積很小。采用復(fù)合夾心保溫墻后，外墻一般由一磚半減至一磚，削弱了承載力。
　　③ 在有些情況下，當(dāng)墻體的洞口或構(gòu)造柱布置不合理，使墻段內(nèi)剪力分配很不均勻，會出現(xiàn)整片墻體滿足承載力要求，個別墻段不滿足的現(xiàn)象，要求在設(shè)計中作適當(dāng)調(diào)整。
　　綜上因素，提高砌體抗震承載力的手段主要有：增加構(gòu)造柱或芯柱的數(shù)量和截面積；洞口設(shè)置應(yīng)盡可能使墻段受力均勻；采用配筋砌體；布置少量鋼筋混凝土剪力墻等等。
　�。�2） 砌體結(jié)構(gòu)中設(shè)置少量鋼筋混凝土剪力墻。 現(xiàn)行規(guī)范對這類結(jié)構(gòu)的抗震計算尚未作具體規(guī)定，有關(guān)單位正在對其抗震機(jī)理進(jìn)行研究。計算的關(guān)鍵是兩種材料墻體間剪力的分配，若完全按彈性考慮，混凝土彈性模量約為砌體的10倍，大量地震剪力將由混凝土墻吸收，顯然與實際情況有差異。彈性模量比取多少合適，還需要作進(jìn)一步研究。在本軟件中提供一個混凝土墻彈性模量與砌體彈性模量的比值，由用戶選擇輸入。
　�。�3） 多層底框的地震作用分析。 多層底框上磚房結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多，現(xiàn)行規(guī)范對這類結(jié)構(gòu)的地震分析方法沒有明確規(guī)定。在PKPM軟件中有兩種途徑來分析這類結(jié)構(gòu)，一種是參照規(guī)范對一層底框所作的計算規(guī)定來計算多層框架的水平地震力和柱附加軸力，這種方法計算過程與一層底框類似；另一可選的方法是采用PKPM系列中的空間分析軟件SATWE來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。分析中將梁柱作為空間桿件，混凝土墻和砌體墻作為空間有限元，再在靜力和地震作用下進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)彈性分析。但對多種材料結(jié)構(gòu)空間分析結(jié)果的應(yīng)用，用戶還須作些判定與調(diào)整。
　�。�4） 底框梁上荷載的傳遞方式及墻梁設(shè)計。 底框架梁上一般布置有承重墻，上部豎向荷載通過墻體傳遞到梁上。在梁與墻體共同作用下，豎向荷載在梁上的分布情況較為復(fù)雜，受墻高、洞口大小及位置等多種因素影響。在非地震區(qū)或低烈度地震區(qū)，可以考慮墻梁作用，用磚混結(jié)構(gòu)混凝土基本構(gòu)件設(shè)計軟件GJ進(jìn)行墻梁設(shè)計。在8度以上的高烈度地震區(qū)，一般上部荷載均布作用在梁上。軟件提供一個上部荷載折減系數(shù)，供用戶調(diào)整梁上均布荷載的比例。

作者單位：金新陽　陳岱林　黃立新　顧維平　中國建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所　北京100013

參考文獻(xiàn)

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2　JGJ/T 13-94《設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱多層磚房抗震技術(shù)規(guī)程》
3　JGJ/T 14-95《混凝土小型空心砌塊建筑技術(shù)規(guī)程》
4　戴國瑩、鐘益村，建筑抗震設(shè)計新方法及例題，建筑科學(xué)編輯部，1990
5　中國建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所，結(jié)構(gòu)平面計算機(jī)輔助設(shè)計軟件PMCAD使用說明，1998