應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件應(yīng)重視的問題

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應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件應(yīng)重視的問題
1　前　言
結(jié)構(gòu)分析軟件不論其處理功能如何完善,隻能作為輔助設(shè)計工具,不能完全代替設(shè)計人員的作用。《建筑設(shè)計抗震規(guī)范》ＧＢ50011-2001(以下簡稱《抗規(guī)》)第3.6.6條對利用計算機進行結(jié)構(gòu)抗震分析,更是作了具體明確的要求,設(shè)計人員在運用軟件進行結(jié)構(gòu)計算時,對軟件的功能要有切實的了解,才能正確運用,并且對計算結(jié)果要進行判別,確認(rèn)其合理有效后,方能在設(shè)計中使用,千萬不可盲目依賴于計算軟件。隨著軟件功能的日益完善,相當(dāng)一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)用軟件時不夠重視其技術(shù)條件與相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相符性。PKPM系列軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用較廣泛,筆者就工作中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用PKPM系列軟件時易被設(shè)計人員忽略的幾個重要方面進行簡述。
2　結(jié)構(gòu)計算振型數(shù)的確定
采用振型分解反應(yīng)譜法進行結(jié)構(gòu)水平地震作用計算時,《抗規(guī)》第5.2.2條規(guī)定:不進行扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)計算的結(jié)構(gòu),確定水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng),可隻取前2～3個振型,當(dāng)基本自振周期大于1 5ｓ或房屋高寬比大于5時,振型個數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)第3.3.10條規(guī)定:對于不考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)振動影響的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)計算振型數(shù)規(guī)則結(jié)構(gòu)可取3;當(dāng)建筑較高、結(jié)構(gòu)沿豎向剛度不均勻時,可取5～6。上述規(guī)范的條文說明均要求振型個數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達到總質(zhì)量90%所需的振型數(shù)。《高規(guī)》第5.1.13條規(guī)定:Ｂ級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震計算時,考慮平扭藕聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),振型數(shù)不應(yīng)小于15;對多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍,且計算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。ＴＡＴ在ＴＡＴ-4.ｏｕｔ文件、ＳＡＴＷＥ在ＷＺＱ.ｏｕｔ文件、ＰＭＳＡＰ在工程名-ＴＢ.ＲＰＴ文件中查看Ｘ,Ｙ向的有效質(zhì)量系數(shù)。我們都知道,結(jié)構(gòu)計算振型數(shù)增加,水平地震作用效應(yīng)增大,即內(nèi)力和變形增大;振型數(shù)如取少了,后續(xù)振型產(chǎn)生的地震作用效應(yīng)未能計入,導(dǎo)緻計算結(jié)果不安全,所以,振型數(shù)要盡量取得多。但對大型結(jié)構(gòu),過多的振型數(shù),導(dǎo)緻運算時間過長,并對計算機的內(nèi)存也要求大,而最后的那些高振型對結(jié)構(gòu)地震作用貢獻也不大,因此,也不必所有的振型都計算,當(dāng)有效質(zhì)量系數(shù)超過0.9,就意味著計算振型數(shù)夠了;如果小于0.9,說明后續(xù)振型產(chǎn)生的地震作用效應(yīng)不能忽略,應(yīng)增加振型數(shù)重算。需要注意的是,振型數(shù)也不能超過結(jié)構(gòu)固有振型總數(shù),否則,會引起計算的混亂,以緻造成嚴(yán)重的分析錯誤。結(jié)構(gòu)固有振型總個數(shù)等于結(jié)構(gòu)自由度總數(shù)。每塊剛性樓板上所有的節(jié)點隻有3個自由度(2個獨立的水平平動自由度和1個轉(zhuǎn)動自由度),每個彈性節(jié)點各有2個獨立的水平平動自由度。也就是說,對于有ｎ塊剛性樓板的結(jié)構(gòu),獨立于剛性樓板的彈性節(jié)點數(shù)為ｍ,則結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)為(3ｎ+2ｍ)個。所以,當(dāng)結(jié)構(gòu)存在大量彈性樓板、越層柱、大開洞錯層時,如空曠的錯層工業(yè)廠房、體育館等,按常規(guī)的以樓層數(shù)為基數(shù)來確定振型數(shù),有時很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。所以,檢查計算結(jié)果時,有效質(zhì)量系數(shù)是否超過0.9,是必須檢查項目之一。
3　周期比控制及調(diào)整方法
《高規(guī)》第4.3.5條對結(jié)構(gòu)位移比、周期比作出了具體控制要求。在實際工作中,位移比可以從輸出文件中直接檢查,而周期比需要先根據(jù)振型的平動系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)區(qū)分各振型是平動振型還是扭轉(zhuǎn)振型,然后從中分別找出周期最長的扭轉(zhuǎn)振型和側(cè)振振型,得到對應(yīng)的第一扭轉(zhuǎn)周期Ｔｔ,第一側(cè)振周期Ｔ1,計算出Ｔｔ/Ｔ1,看其是否符合規(guī)程要求。需要注意的是,周期比針對的是高層建筑整體振動效應(yīng),要在“剛性樓板假定”前提下來分析,多層建筑不必控制周期比。多塔結(jié)構(gòu)驗算周期比時,不是在同一結(jié)構(gòu)中定義多塔,而是按塔分成多個結(jié)構(gòu)分別驗算。
周期比主要控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的相對關(guān)系,即抗側(cè)力構(gòu)件平面布置的合理性,避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。當(dāng)周期比不滿足要求時,說明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度偏小,這時單純增加結(jié)構(gòu)尺寸,往往收效甚微,通常應(yīng)通過整體調(diào)整結(jié)構(gòu)布置,來獲取良好的改善效果。如加強外圈結(jié)構(gòu)剛度、增設(shè)抗震墻、增加外圍連梁的高度、削弱內(nèi)筒的剛度等措施。
4　進行位移比、位移角驗算時關(guān)聯(lián)選項的確定
判斷結(jié)構(gòu)是否屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時,《抗規(guī)》第3.4.2條的條文說明已明確應(yīng)按剛性樓蓋計算,即對結(jié)構(gòu)位移比、位移角的控制要求均為在“剛性樓板假定”條件下的計算值?！犊挂?guī)》表3.4.2-1規(guī)定:樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移),大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值1 2倍為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進行水平地震作用計算時,應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響?！陡咭?guī)》第3.3.3條規(guī)定:“計算單向地震作用時應(yīng)考慮偶然偏心的影響……”《抗規(guī)》第5.2.3條第1款規(guī)定:“規(guī)則結(jié)構(gòu)不進行扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)計算時,平行于地震作用方向的2個邊榀其地震作用效應(yīng)應(yīng)乘以增大系數(shù)……”因此,在應(yīng)用軟件驗算位移比時,總是要考慮偶然偏心。一般偶然偏心對位移比的影響還比較明顯。
《高規(guī)》第4.6.3條規(guī)定:層間位移角的計算不考慮偶然偏心的影響,因此,程序操作時應(yīng)分2次進行。首先,選擇剛性樓板假定、偶然偏心選項情況下驗算位移比,當(dāng)位移比超過1.2時,進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時,要考慮雙向地震作用,不考慮偶然偏心;當(dāng)位移比小于1.2時,結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時不考慮雙向地震作用,要考慮偶然偏心。同時應(yīng)注意,進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時,樓板一定應(yīng)視實際情況采用真實條件,不能一概而為剛性樓板假定,如有彈性節(jié)點存在,一定要真實輸入。同理,驗算位移角時在剛性樓板假定情況下操作,然后再在真實條件下進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。
5　有地下室結(jié)構(gòu)的程序操作注意要點
上部結(jié)構(gòu)與地下室組成一個整體承力體系,在荷載作用下相互協(xié)調(diào)變形,而地下室外的回填土對結(jié)構(gòu)存在一定的約束作用。《抗規(guī)》第6.1.14條、《高規(guī)》第5.3.7條均要求地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時,地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍。如果不滿足2倍的要求時,就應(yīng)將主體結(jié)構(gòu)的嵌固部位下移,直至符合要求的地下層。注意計算樓層側(cè)向剛度比時,不考慮地下室填土的側(cè)限作用。也就是說,操作時要算2遍,先在不考慮地下室外填土側(cè)限作用的情況下,即將地下室信息中‘回填土對地下室的約束相對剛度比’填為0,算出樓層側(cè)向剛度比(即地下室嵌固層號參數(shù)填0),找出主體結(jié)構(gòu)的嵌固層,然后再根據(jù)實際嵌固部位填寫參數(shù)。地下室層號從下住上數(shù),該參數(shù)如為-2,表示嵌固在地下室倒數(shù)第二層的頂板上;如為-1,表示嵌固在最底一層地下室的頂板上?！陡咭?guī)》第4.8.5條規(guī)定:“……當(dāng)?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時,地下一層的抗震等級應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)采用,地下室一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級……”運用程序時,可使用‘獨立定義構(gòu)件抗震等級’功能,更改地下室部分構(gòu)件的抗震等級。當(dāng)?shù)叵率覀?cè)向剛度不足以使地下室頂板可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時,考慮回填土對地下室的側(cè)限作用參數(shù)一般情況下可填3。經(jīng)比較,此參數(shù)在2～5之間時,計算結(jié)果差別不大,但超過5,就接近于上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板的情況。
裙房與主樓連為整體時,《抗規(guī)》第6.1.3條、《高規(guī)》第4.8.6條規(guī)定:“主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂部上、下各一層應(yīng)適當(dāng)加強抗震構(gòu)造措施。”《高規(guī)》第10.6.4條規(guī)定:“塔樓中與裙房連接體相連的外圍柱、剪力墻,從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內(nèi),柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當(dāng)提高,柱箍筋宜在裙樓屋面上、下層的范圍內(nèi)全高加密,剪力墻宜按《高規(guī)》第7.2.16條的規(guī)定設(shè)置約束邊緣構(gòu)件”,PKPM軟件對此未能作考慮,設(shè)計人員設(shè)計時應(yīng)按規(guī)范要求進行處理,不應(yīng)直接采用電算出圖結(jié)果。
6　邊緣構(gòu)件設(shè)計
《高規(guī)》第7.2.15規(guī)定:一、二級抗震等級設(shè)計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,其它部位以及三、四級抗震設(shè)計和非抗震設(shè)計的剪力墻墻肢端部均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。而《抗規(guī)》第6.4.6條規(guī)定:上述部位設(shè)置約束邊緣構(gòu)件還要取決于墻肢底截面在重力荷載代表值作用下的軸壓比大小。PKPM軟件是按《高規(guī)》的要求操作。當(dāng)房屋層數(shù)少、剪力墻的軸壓比很小時,就應(yīng)按《抗規(guī)》的相關(guān)要求,可以將軟件計算輸出結(jié)果中設(shè)置的約束邊緣構(gòu)件改為構(gòu)造邊緣構(gòu)件。約束邊緣構(gòu)件就是用箍筋約束的暗柱、端柱和翼墻。箍筋形式:《抗規(guī)》圖6.4.7陰影部分必須采用箍筋,陰影范圍以外可采用箍筋或拉筋,但約束邊緣構(gòu)件的邊界處應(yīng)為箍筋。構(gòu)造邊緣構(gòu)件的邊界處應(yīng)為箍筋,底部加強部位及抗震墻轉(zhuǎn)角處宜用箍筋,箍筋范圍內(nèi)的其他部位可用拉筋。軟件計算輸出的構(gòu)件簡圖中箍筋有2種標(biāo)注:約束邊緣構(gòu)件用ＰＳＶ標(biāo)出箍筋率,構(gòu)造邊緣構(gòu)件用ＡＳＶ標(biāo)出最小直徑和間距。
軟件對于剪力墻配筋的輸出結(jié)果分別提供直線剪力墻段和邊緣構(gòu)件的配筋結(jié)果。需要注意的是,直線剪力墻段的暗柱主筋僅給出了計算值,如果計算值小于零,則取零,并未考慮構(gòu)造要求;而邊緣構(gòu)件的配筋輸出結(jié)果則同時考慮了鋼筋計算值和構(gòu)造要求值,取二者中的大值。所以,剪力墻的配筋應(yīng)以邊緣構(gòu)件輸出結(jié)果為準(zhǔn),直線剪力墻段的配筋圖僅供校核。
7　其　它
構(gòu)件設(shè)計時,材料強度按各個計算模塊中的輸入值取定。ＰＭＣＡＤ本層信息中有一項梁、柱、墻的鋼筋強度選擇,而各計算模塊中也有梁、柱、墻鋼筋強度的對話框。實際計算中的材料強度取值是取各計算模塊中的強度選擇值,ＰＭＣＡＤ里輸入的強度,用于控制鋼筋符號。設(shè)計時一定要注意2個模塊都要檢查材料強度輸入值,特別是設(shè)計過程中修改過材料強度時,更要注意檢查。
樓板鋼筋采用高強度鋼筋時,要注意裂縫控制比Ⅰ級鋼難,裂縫超標(biāo)情況大大增加。設(shè)計人員以往習(xí)慣于樓板鋼筋采用Ⅰ級鋼,也習(xí)慣了一般情況下板在裂縫驗算時基本都能滿足裂縫控制要求的驗算結(jié)論,而忽略了鋼筋的改變帶來的不同,仍然跳過了裂縫驗算步驟,造成結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷。
設(shè)計信息中,混凝土柱的計算長度系數(shù)計算執(zhí)行混凝土規(guī)范7 3 11條第3款的選項不應(yīng)隨意選取,隻有當(dāng)水平荷載的彎矩值占總彎矩設(shè)計值的75%以上時,才適宜選此項。常規(guī)的框架結(jié)構(gòu)用7 3 11-3條計算的柱計算長度比用3 3 11-2條計算的大,使結(jié)構(gòu)的側(cè)移值偏大,導(dǎo)緻構(gòu)件尺寸偏大。
8　結(jié)　語
結(jié)構(gòu)計算程序是在一定的條件下,按照設(shè)計人員的需求有選擇的使用和應(yīng)用的。同一應(yīng)用程序、同樣的計算對象、同樣的結(jié)構(gòu)布置,不同的設(shè)計人員會產(chǎn)生不同的計算結(jié)果,甚至出現(xiàn)較大的差異。雖然可能也都可以滿足正常使用要求,但設(shè)計出來的質(zhì)量和品質(zhì)完全不一樣。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說,少則必要的安全儲備不足可靠度得不到保證,多則造成浪費。因此,一方面我們要努力提高設(shè)計人員的理論知識和實踐經(jīng)驗;另一方面,我們對于軟件的依靠,也應(yīng)采取分析性接受的方式。
參考：四川建筑科學(xué)研究院