PKPM是中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的集平面空間于一體的功能強大的以建筑結(jié)構(gòu)計算為主導(dǎo)的建筑軟件,是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛,被絕大多數(shù)設(shè)計院所認(rèn)可的建筑結(jié)構(gòu)計算程序。在越來越多地依賴計算機程序計算工程任務(wù)的今天,如何正確理解和掌握PKPM程序的計算原理和使用方法,對于每一個結(jié)構(gòu)設(shè)計者來說都顯得尤為重要。以下就PKPM在空間模型計算程序的幾個模塊原理及適用范圍、參數(shù)選用等幾個方面展開討論。
一、PKPM幾個空間計算程序的比較
現(xiàn)在,PKPM程序擁有的空間計算程序有三個,即TAT、SATWE、PMSAP。
1、TAT———它是一個空間桿件程序,對柱、墻、梁都是采用桿件模型來模擬的,特殊的就是剪力墻是采用薄壁柱原理來計算的。在它的單元剛度矩陣中,多了一個翹曲的自由度θ’,相應(yīng)的力矩多了雙力矩。因此,在用TAT程序計算框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等含鋼筋混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu),都要對剪力墻的洞口、節(jié)點做合理的簡化。當(dāng)然,在作結(jié)構(gòu)方案時,對結(jié)構(gòu)作這樣的調(diào)整對建筑結(jié)構(gòu)方案的簡潔、合理有很大的好處。它的樓蓋是作為平面內(nèi)無限剛、平面外剛度不考慮的假設(shè)。在新版的TAT程序中,允許增設(shè)彈性節(jié)點,這種彈性節(jié)點允許在樓層平面內(nèi)有相對位移,且能承擔(dān)相應(yīng)的水平力。增加了這種彈性節(jié)點來加大TAT程序的適用范圍,使得TAT程序可以計算空曠、錯層結(jié)構(gòu)。
TAT適用于計算高層和多層的框架、框架-剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu),適用于平面和立面體型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。而且能完成建筑結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的內(nèi)力計算和地震作用的計算,完成荷載效應(yīng)組合,并對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完成截面配筋計算,對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定計算。
2、SATWE———空間組合結(jié)構(gòu)有限元程序,與TAT的區(qū)別在于墻和樓板的模型不同。SATWE對剪力墻采用的是在殼元的基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模型。采用墻元模型,在我們的工程建摸中,就不需要像TAT程序那樣做那么多的簡化,只需要按實際情況輸入即可。對于樓蓋,SATWE程序采用多種模式來模擬,有剛性樓板和彈性樓板兩種。SATWE程序主要是在這兩個方面與TAT程序不同。
SATWE適用于計算高層和多層的框架、框架-剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu),以及高層鋼結(jié)構(gòu)或鋼-混凝土結(jié)構(gòu)。SATWE考慮了多、高層建筑中多塔、錯層、轉(zhuǎn)換層及樓板局部開大洞等特殊結(jié)構(gòu)形式。而且能完成建筑結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的內(nèi)力計算和地震作用的計算,完成荷載效應(yīng)組合,并對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完成截面配筋計算,對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定計算。
3、PMSAP———是一個結(jié)構(gòu)分析通用程序。當(dāng)然,它是偏向于建筑的,但它是一個發(fā)展方向。現(xiàn)在的比較著名的通用計算程序有:ＳＡＰ84、ＳＡＰ91、ＳＡＰ2000、ＡＮＳＹＳ、ＥＴＡＢＳ等程序,這些程序各有所長。
二、地震力計算時的相關(guān)參數(shù)及地震力的調(diào)整
這里主要就新規(guī)范在相關(guān)問題上的一些調(diào)整進(jìn)行討論。
(一)地震作用計算
1、抗震設(shè)防烈度。新規(guī)范改變了抗震設(shè)防烈度與設(shè)計基本地震加速度值的對應(yīng)關(guān)系,增加了7度(0.15ｇ〉和8度(0.30ｇ)兩種情況(見新抗震規(guī)范表3.2.2)。
2、設(shè)計地震分組。新規(guī)范把直接影響建筑的設(shè)計特征周期Ｔｇ的設(shè)計近震、遠(yuǎn)震改為設(shè)計地震分組,分別為設(shè)計地震第一組、第二組和第三組�！　�
3、特征周期值。比89規(guī)范增加了0.05ｓ以上,這在一定程度上提高了地震作用。
4、地震影響系數(shù)曲線。新規(guī)范5.1.5條,設(shè)計反應(yīng)譜范圍由原來的3ｓ延伸到6ｓ,分上升段、平臺段、指數(shù)下降段和傾斜下降段四個區(qū)段。在5Ｔｇ以內(nèi)與89規(guī)范相同,從5Ｔｇ起改為傾斜下降段,斜率為0.02。對于阻尼比ζ不等于0.05的結(jié)構(gòu),設(shè)計反應(yīng)譜在阻尼比ζ等于0.05的基礎(chǔ)上調(diào)整。
5、扭轉(zhuǎn)耦連。新高規(guī)3.3條規(guī)定,質(zhì)量、剛度不對稱、不均勻的結(jié)構(gòu),以及高度超過100ｍ的高層建筑結(jié)構(gòu),應(yīng)采用考慮扭轉(zhuǎn)稿連振動影響的振型分解反應(yīng)譜法。
6、雙向地震作用。新抗震規(guī)范5.1.1條規(guī)定,質(zhì)量和剛度分布明顯不對稱的結(jié)構(gòu),應(yīng)計入雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。
7、偶然偏心。新高規(guī)3.3.3條規(guī)定,計算地震作用時,應(yīng)考慮偶然偏心的影響,附加偏心距可取與地震作用方向垂直的建筑物邊長的5%。
8、豎向地震作用。新規(guī)范5.3.1條規(guī)定,對于9度的高層建筑,其豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按公式5.3.1-1和5.3.14計算,并宜乘以1.5的放大系數(shù),相當(dāng)于重力荷載代表值的33.4%。新規(guī)范5.3.3條規(guī)定,長懸臂和其他大跨度結(jié)構(gòu)豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值,8度、8.5度和9度時分別取重力荷載代表值的10%、15%和20%。新高規(guī)10.2.3條規(guī)定,帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu),8度抗震設(shè)計時轉(zhuǎn)換構(gòu)件應(yīng)考慮豎向地震影響。
(二)地震作用調(diào)整
1、最小地震剪力調(diào)整。新規(guī)范5.2.5條規(guī)定,抗震驗算時,結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震的剪重比不應(yīng)小于表5.2.5給出的最小地震剪力系數(shù)λ。對于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層,尚應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。
2、0.2Ｑ0調(diào)整。新規(guī)范6.2.13條規(guī)定,側(cè)向剛度沿豎向分布基本均勻的框—剪結(jié)構(gòu),任一層框架部分的地震剪力,不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和按框-剪結(jié)構(gòu)分析的框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍二者的較小值。
3、邊榀地震作用效應(yīng)調(diào)整。新規(guī)范5.2.3條規(guī)定,規(guī)則結(jié)構(gòu)不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)禍連計算時,平行于地震作用方向的兩個邊桶,其地震作用效應(yīng)應(yīng)乘增大系數(shù)。一般情況下,短邊可按1.15采用,長邊可按1.05采用。當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度較小時,宜按不小于1.3采用。軟件未執(zhí)行這一條。
4、豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)調(diào)整。新規(guī)范3.4.3條規(guī)定,豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),其薄弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。新高規(guī)5.1.14條規(guī)定,樓層側(cè)向剛度小于上層的70%或其正二層平均值的80%時,該樓層地震剪力應(yīng)乘1.15增大系數(shù)。新規(guī)范3.4.3條規(guī)定,豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時,該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應(yīng)乘以1.25-1.5的增大系數(shù)。
5、轉(zhuǎn)換梁地震作用下的內(nèi)力調(diào)整。新高規(guī)10.2.23條規(guī)定,轉(zhuǎn)換梁在特一級和一、二級抗震設(shè)計時,其地震作用下的內(nèi)力分別放大1.8、1.5、1.25倍。
6、框支柱地震作用下的內(nèi)力調(diào)整。新高規(guī)10.2.7條規(guī)定,框支柱數(shù)目不多于10根時,當(dāng)框支層為1-2層時,各層每根柱所受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的2%;當(dāng)框支層為3層及3層以上時,各層每根柱所受的剪力應(yīng)至少取基底剪力的3%;框支柱數(shù)目多于10根時,當(dāng)框支層為1-2層時,每層框支柱所承受剪力之和應(yīng)取基底剪力20%;當(dāng)框支層為3層及3層以上時,每層框支柱所承受剪力之和應(yīng)取基底剪力3。當(dāng)框支柱剪力調(diào)整后,應(yīng)相應(yīng)調(diào)整框支柱的彎矩及柱端梁的剪力、彎矩,框支柱的軸力可不調(diào)整。
三、對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果要整體控制的幾個方面
1、位移控制。新高規(guī)的4.3.5條規(guī)定,樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移角,Ａ、Ｂ級高度高層建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍;且Ａ級高度高層建筑不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍;Ｂ級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.3倍。
2、周期控制。新高規(guī)的4.3.5條規(guī)定,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Ｔｔ與平動為主的第一周期Ｔ1之比,Ａ級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9;Ｂ級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.850。
3、層剛度比控制。新抗震規(guī)范附錄Ｅ2.1規(guī)定,筒體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上下層的側(cè)向剛度比不宜大于2;新高規(guī)的4.4.3條規(guī)定,抗震設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu),其樓層側(cè)向剛度不宜小于相臨上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相臨三層側(cè)向剛度平均值的80%;新高規(guī)的5.3.7條規(guī)定,高層建筑結(jié)構(gòu)計算中,當(dāng)?shù)叵率业捻敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時,地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍;新高規(guī)的10.2.6條規(guī)定,底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,應(yīng)符合高規(guī)附錄Ｄ的規(guī)定。
4、層剛度比計算高規(guī)附錄Ｄ.0.1建議的方法一剪切剛度　�。耍�=ＧｉＡｉ/ｈＩ高規(guī)附錄Ｄ.0.2建議的方法一剪彎剛度　�。耍�=Ａｉ/Ｈｉ抗震規(guī)范的3.4.2和3.4.3條文說明中建議的計算方法:　�。耍�=Ｖｉ/ＡＩｊｉ新規(guī)范軟件中提供前兩種算法。
5、框剪結(jié)構(gòu)中框架承擔(dān)的傾覆力矩計算。新抗震規(guī)范第6.1.3條、高規(guī)8.1.3條規(guī)定,框架—剪力墻結(jié)構(gòu),在基本振型地震作用下,若框架部分承擔(dān)的地震傾覆力矩大于總地震傾覆力矩的50%,其框架部分的抗震等級應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)確定,柱軸壓比限值宜按框架結(jié)構(gòu)采用�？拐鹨�(guī)范第6.1.3條的條文說明,給出了框架部分承擔(dān)的傾覆力矩的計算方法。綜上所述,在掌握計算程序PKPM的同時,嚴(yán)格對照規(guī)范相關(guān)條文,才能正確理解程序,得出準(zhǔn)確合理的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果。