摘 要：本文根據(jù)PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件及相關(guān)規(guī)范，結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)利用PKPM系列軟件進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和使用中應(yīng)注意的一些問題進(jìn)行探討，包括參數(shù)的選取、計(jì)算結(jié)果的分析以及對(duì)電算結(jié)果進(jìn)行人工調(diào)整的方法和注意問題等，供設(shè)計(jì)人員參考借鑒。
關(guān)鍵詞：PKPM；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)選取；結(jié)果分析；人工調(diào)整
0 引言
PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件具有方便的快捷建模方式和強(qiáng)大的計(jì)算能力，能進(jìn)行復(fù)雜的有限元分析，使得設(shè)計(jì)人員在較短周期內(nèi)完成較大工程量成為了可能，在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普及。筆者結(jié)合自身應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)利用PKPM系列軟件進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和使用中應(yīng)注意的一些問題進(jìn)行探討，包括參數(shù)的選取、計(jì)算結(jié)果的分析以及對(duì)電算結(jié)果進(jìn)行人工調(diào)整的方法和注意問題等，供設(shè)計(jì)人員參考借鑒。
1 參數(shù)的選取
1.1 地震力計(jì)算信息
1.1.1 地震分析方法
在結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析中，程序提供了振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。振型分解法分為“側(cè)剛計(jì)算法”和“總剛計(jì)算法”。側(cè)剛法適用于樓板平面內(nèi)剛度無限大假定的建筑。基于這個(gè)假定，每塊剛性樓板只有兩個(gè)平動(dòng)自由度和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。當(dāng)定義有彈性樓板或有不與樓板相連的構(gòu)件時(shí)，采用側(cè)剛法誤差較大�？倓偡ㄊ侵苯硬捎媒Y(jié)構(gòu)的總剛和與之相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量陣進(jìn)行地震反應(yīng)分析，此方法精度高但計(jì)算繁瑣。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)樓板尺寸和平面剛度無急劇變化、樓板連續(xù)、無彈性樓板時(shí)，可采用側(cè)剛法進(jìn)行計(jì)算。
1.1.2 雙向水平地震力
考慮雙向水平地震力比單向水平地震力的結(jié)構(gòu)配筋增大。對(duì)于規(guī)則結(jié)構(gòu)（質(zhì)量和剛度分布對(duì)稱的結(jié)構(gòu)），可只考慮單向地震力；對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)（質(zhì)量和剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)），應(yīng)考慮雙向地震力的作用。
1.1.3 扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)
地震力計(jì)算中，考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)要比分別考慮兩垂直方向的平移振動(dòng)更精確�？紤]平移和扭轉(zhuǎn)的耦聯(lián)振動(dòng)，不但考慮了各方向位移之間的相互影響，而且它是一種完整振動(dòng)狀態(tài)，其振動(dòng)不是單一方向的，而是沿最弱方向，次最弱方向一直類推。結(jié)構(gòu)只要不是雙軸對(duì)稱就會(huì)有平扭耦聯(lián)，這種耦聯(lián)振動(dòng)產(chǎn)生的地震效應(yīng)一般要比不考慮平扭耦聯(lián)時(shí)大。對(duì)于平面很不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，在地震分析時(shí)宜考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)。
1.1.4 5%偶然偏心
規(guī)范規(guī)定，計(jì)算地震作用時(shí)，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%。偶然偏心是由偶然因素引起的結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布的變化，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性的變化，因而結(jié)構(gòu)在相同地震作用下的反應(yīng)也將發(fā)生變化�？紤]偶然偏心也就是考慮由偶然偏心引起的可能的最不利的地震作用。
1.1.5 計(jì)算振型個(gè)數(shù)
振型個(gè)數(shù)的大小與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，振型個(gè)數(shù)的選取應(yīng)遵循有關(guān)規(guī)范規(guī)定，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.3.10條和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.2條均規(guī)定了振型個(gè)數(shù)的取值方法。振型個(gè)數(shù)選擇要合理，過多的振型數(shù)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間過長，過少的振型個(gè)數(shù)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不安全。只要振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%，就意味著計(jì)算振型個(gè)數(shù)夠了。PKPM計(jì)算結(jié)果中的有效質(zhì)量系數(shù)是必須檢查項(xiàng)目之一，當(dāng)有效質(zhì)量系數(shù)大于0.9時(shí)，認(rèn)為選取的振型數(shù)已足夠，否則稱振型數(shù)不夠。
1.1.6 周期折減系數(shù)
對(duì)于有填充墻的結(jié)構(gòu)，在早期的彈性階段填充墻有很大的剛度，因此會(huì)吸收很大的地震力。而軟件計(jì)算中，未考慮填充墻，只計(jì)算了梁和柱的剛度，并由此剛度求得結(jié)構(gòu)自振周期。因此結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度遠(yuǎn)大于計(jì)算剛度， 實(shí)際周期小于計(jì)算周期，實(shí)際地震力大于計(jì)算地震力。若周期不折減，則地震力會(huì)偏小，使結(jié)構(gòu)分析不安全，因此對(duì)地震力進(jìn)行放大是有必要的。周期折減系數(shù)的取值遵循《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.3.17條，當(dāng)非承重墻體為填充磚墻時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期折減系數(shù)取值為：框架0.6～0.7，框架-剪力墻0.7～0.8，短肢剪力墻0.8～0.9，剪力墻0.9～1.0。當(dāng)采用其它非承重墻體時(shí)，可根據(jù)工程情況確定周期折減系數(shù)。
1.2 豎向力計(jì)算信息
宜選擇“模擬施工加載1”。當(dāng)選擇“一次性加載”時(shí)，程序按一次性加載的模式作用于結(jié)構(gòu)，不考慮施工找平的過程。“模擬施工加載1”考慮到在實(shí)際施工中，豎向恒載是一層一層作用的，并在施工中逐層找平，理論中的下層變形對(duì)上一層不產(chǎn)生影響。“模擬施工加載2”是在模擬施工加載1的基礎(chǔ)上，考慮豎向構(gòu)件的剛度放大10倍后再做模擬施工加載1，適用于較軟弱的地基。
1.3 P-Δ效應(yīng)選擇信息
當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移時(shí)，豎向荷載就會(huì)出現(xiàn)垂直于變形后的結(jié)構(gòu)豎向軸線的分量，這個(gè)分量將會(huì)加大水平分量，同時(shí)也會(huì)加大相應(yīng)的內(nèi)力。規(guī)范規(guī)定當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛重比滿足Di≥20∑Gj/hi時(shí)，可不考慮P-Δ效應(yīng)。
1.4 調(diào)整信息
1.4.1 中梁和邊梁的剛度放大系數(shù)
現(xiàn)澆樓板與梁澆筑在一起，板作為梁的翼緣參加工作，因此梁的剛度會(huì)增大。中梁和邊梁的剛度放大系數(shù)不相同。因?yàn)橹辛簝蛇叾加邪宓募s束，邊梁只有一邊受板的約束，故中梁的剛度放大系數(shù)要大于邊梁的剛度放大系數(shù)，一般中梁取2.0，邊梁取1.5。
1.4.2 梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)
在豎向荷載作用下，超靜定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有塑性內(nèi)力重分布的性質(zhì)，梁柱節(jié)點(diǎn)并非完全剛性，允許有梁鉸出現(xiàn)。將梁端彎矩調(diào)幅后，可以減少梁端配筋數(shù)量，從而減小梁受壓區(qū)高度和配筋率，對(duì)形成延性梁有利。還可以提高柱的安全儲(chǔ)備，以滿足 “強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。但梁端彎矩調(diào)幅不宜過大，一般應(yīng)控制在彈性理論計(jì)算彎矩的20%以內(nèi)，一般現(xiàn)澆框架梁取0.8～0.9。
1.4.3 梁跨中彎矩放大系數(shù)
當(dāng)沒考慮活荷載不利布置時(shí)，按滿跨布置活載，使得跨中荷載比按活載不利布置時(shí)小，因此要對(duì)梁跨中的彎矩進(jìn)行放大，一般取1.2的放大系數(shù)。當(dāng)考慮活荷載不利布置時(shí)，梁跨中彎矩不進(jìn)行調(diào)整。
2 計(jì)算結(jié)果的分析
2.1 結(jié)構(gòu)體型規(guī)則性判斷指標(biāo)
規(guī)范規(guī)定了結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則的判定方法，不規(guī)則分為平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則。平面不規(guī)則包括：凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)；豎向不規(guī)則包括：薄弱層、轉(zhuǎn)換層、軟弱層。應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果及規(guī)范中的判斷方法判斷所計(jì)算結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。
2.2 剛度適宜判斷指標(biāo)
2.2.1 第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比
結(jié)構(gòu)計(jì)算動(dòng)力模型為空間振動(dòng)模型，每個(gè)主振型既有平動(dòng)部分也有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)部分。規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt1與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，其它不應(yīng)大于0.85。周期比控制的目的是為了控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使抗側(cè)力構(gòu)件的布置更合理。若Tt1與T1之比超出限值，說明結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件布置不合理或數(shù)量不足，導(dǎo)致整體抗扭剛度偏小，此時(shí)應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)周邊加強(qiáng)的原則，加強(qiáng)抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)豎向布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，必要時(shí)設(shè)置防震縫。
2.2.2 剛度偏心率
結(jié)構(gòu)地震時(shí)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的強(qiáng)弱，與樓層的偏心率密切相關(guān)。如果某一樓層的偏心率較大，地震作用下該樓層的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)就強(qiáng)烈。偏心率是樓層地震內(nèi)力驗(yàn)算方向的偏心距與該方向彈力半徑的比值，彈力半徑與抗扭剛度有關(guān)。偏心率宜小于0.15。
2.2.3 剪重比
當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期比較長時(shí)，結(jié)構(gòu)的安全往往由位移及速度反應(yīng)譜控制，長周期的結(jié)構(gòu)，地震作用可能過小。而我國規(guī)范一律采用加速度反應(yīng)譜進(jìn)行地震作用的計(jì)算，因此對(duì)于長周期的結(jié)構(gòu)，計(jì)算的地震力可能偏小，不安全。為了解決此問題，抗震規(guī)范規(guī)定了最小剪重比，以保證地震力不至于過小。樓層最小剪重比一般出現(xiàn)在首層，所以通常用首層剪重比進(jìn)行最小剪重比的驗(yàn)算。
2.2.4 彈性層間位移角
地震時(shí)層間側(cè)移角越大，說明結(jié)構(gòu)剛度越小，結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重。規(guī)范規(guī)定了彈性層間位移角限值。根據(jù)已建工程的統(tǒng)計(jì)，我國大多數(shù)多高層混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算側(cè)移角一般小于1/1000。
2.3 梁柱超限指標(biāo)
對(duì)于梁和柱，需要檢查最大配筋率、剪壓比等是否超限。
3 電算結(jié)果的人工調(diào)整
盡管使用軟件可免去大量人工計(jì)算，通過多項(xiàng)多高層工程的設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，電算結(jié)果仍需進(jìn)行人工調(diào)整，有些梁、柱的最后配筋要憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)而定。這種不確定性造成有的設(shè)計(jì)調(diào)整放大過于保守，有的不調(diào)整時(shí)又嚴(yán)重不足。為此，以框架為例，就電算結(jié)果的人工調(diào)整問題進(jìn)行探討，并且提出建議。
3.1 板配筋的調(diào)整
板計(jì)算配筋面積在兩個(gè)方向均需放大，考慮到現(xiàn)澆板主要為短跨方向受力，板短跨方向計(jì)算配筋面積放大得比長跨方向稍多一些�？紤]到溫度應(yīng)力的影響，屋面板上部支座應(yīng)配有通長鋼筋。
3.2 柱配筋的調(diào)整
考慮到角柱受地震作用影響較大并且一般處于雙偏壓狀態(tài)，需對(duì)角柱進(jìn)行雙偏壓驗(yàn)算，并且角柱箍筋采用沿高度通長加密，間距100mm，以保證柱子具有良好的延性。配筋時(shí)，將角柱放大1.4倍，邊柱放大1.3，中柱放大1.2倍。
3.3 梁配筋的調(diào)整
為保證在地震作用下框架梁的梁端斜截面受剪承載力高于正截面受彎承載力，即“強(qiáng)剪弱彎”，梁端負(fù)彎矩鋼筋計(jì)算面積放大1.1倍，梁跨中受拉鋼筋放大1.2倍，梁端箍筋的直徑增加2mm。
4 結(jié)語
PKPM參數(shù)的合理選取和對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性分析判斷對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用，對(duì)結(jié)構(gòu)電算結(jié)果進(jìn)行人工調(diào)整也是必要的。設(shè)計(jì)人員用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需考慮多因素影響，設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三準(zhǔn)則——足夠的強(qiáng)度、適宜的剛度和良好的延性，要正確分析和判斷，確保工程的安全。
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[ S ].
[ 2 ] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[ S ].
[ 3 ] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[ S ].
[ 4 ] 張麗.PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題[ J ].科技傳播，2010，（4下）：73，68.
