应用PKPM结构设计软件应重视的问题
1 前 言
结构分析软件不论其处理功能如何完善,（钢结构设计培训）隻能作为辅助设计工具,不能完全代替设计人员的作用。《建筑设计抗震规范》ＧＢ50011-2001(以下简称《抗规》)第3.6.6条对利用计算机进行结构抗震分析,更是作了具体明确的要求,设计人员在运用软件进行结构计算时,对软件的功能要有切实的了解,才能正确运用,并且对计算结果要进行判别,确认其合理有效后,方能在设计中使用,千万不可盲目依赖于计算软件。随着软件功能的日益完善,相当一部分结构设计人员应用软件时不够重视其技术条件与相关规范、标準规定的相符性。PKPM系列软件在结构设计中应用较广泛,笔者就工作中发现应用PKPM系列软件时易被设计人员忽略的几个重要方面进行简述。
2 结构计算振型数的确定
采用振型分解反应谱法进行结构水平地震作用计算时,《抗规》第5.2.2条规定:不进行扭转藕联计算的结构,确定水平地震作用标準值的效应,可隻取前2～3个振型,当基本自振周期大于1 5ｓ或房屋高宽比大于5时,振型个数应适当增加。《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)第3.3.10条规定:对于不考虑扭转藕联振动影响的结构,结构计算振型数规则结构可取3;当建筑较高、结构沿竖向刚度不均匀时,可取5～6。上述规范的条文说明均要求振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。《高规》第5.1.13条规定:Ｂ级高度的高层建筑结构和复杂高层建筑结构抗震计算时,考虑平扭藕联计算结构的扭转效应,振型数不应小于15;对多塔结构的振型数不应小于塔楼数的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的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向的有效质量系数。我们都知道,结构计算振型数增加,水平地震作用效应增大,即内力和变形增大;振型数如取少了,后续振型产生的地震作用效应未能计入,导緻计算结果不安全,所以,振型数要尽量取得多。但对大型结构,过多的振型数,导緻运算时间过长,并对计算机的内存也要求大,而最后的那些高振型对结构地震作用贡献也不大,因此,也不必所有的振型都计算,当有效质量系数超过0.9,就意味着计算振型数够了;如果小于0.9,说明后续振型产生的地震作用效应不能忽略,应增加振型数重算。需要注意的是,振型数也不能超过结构固有振型总数,否则,会引起计算的混乱,以緻造成严重的分析错误。结构固有振型总个数等于结构自由度总数。每块刚性楼板上所有的节点隻有3个自由度(2个独立的水平平动自由度和1个转动自由度),每个弹性节点各有2个独立的水平平动自由度。也就是说,对于有ｎ块刚性楼板的结构,独立于刚性楼板的弹性节点数为ｍ,则结构的自由度数为(3ｎ+2ｍ)个。所以,当结构存在大量弹性楼板、越层柱、大开洞错层时,如空旷的错层工业厂房、体育馆等,按常规的以楼层数为基数来确定振型数,有时很可能远远不够。所以,检查计算结果时,有效质量系数是否超过0.9,是必须检查项目之一。
3 周期比控制及调整方法
《高规》第4.3.5条对结构位移比、周期比作出了具体控制要求。在实际工作中,位移比可以从输出文件中直接检查,而周期比需要先根据振型的平动系数、扭转系数区分各振型是平动振型还是扭转振型,然后从中分别找出周期最长的扭转振型和侧振振型,得到对应的第一扭转周期Ｔｔ,第一侧振周期Ｔ1,计算出Ｔｔ/Ｔ1,看其是否符合规程要求。需要注意的是,周期比针对的是高层建筑整体振动效应,要在“刚性楼板假定”前提下来分析,多层建筑不必控制周期比。多塔结构验算周期比时,不是在同一结构中定义多塔,而是按塔分成多个结构分别验算。
周期比主要控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的相对关系,即抗侧力构件平面布置的合理性,避免结构出现过大的扭转效应。当周期比不满足要求时,说明结构扭转刚度相对于侧移刚度偏小,这时单纯增加结构尺寸,往往收效甚微,通常应通过整体调整结构布置,来获取良好的改善效果。如加强外圈结构刚度、增设抗震墙、增加外围连梁的高度、削弱内筒的刚度等措施。
4 进行位移比、位移角验算时关联选项的确定
判断结构是否属扭转不规则时,《抗规》第3.4.2条的条文说明已明确应按刚性楼盖计算,即对结构位移比、位移角的控制要求均为在“刚性楼板假定”条件下的计算值。《抗规》表3.4.2-1规定:楼层的最大弹性水平位移(或层间位移),大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值1 2倍为扭转不规则。扭转不规则结构进行水平地震作用计算时,应计及扭转影响。《高规》第3.3.3条规定:“计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响……”《抗规》第5.2.3条第1款规定:“规则结构不进行扭转藕联计算时,平行于地震作用方向的2个边榀其地震作用效应应乘以增大系数……”因此,在应用软件验算位移比时,总是要考虑偶然偏心。一般偶然偏心对位移比的影响还比较明显。
《高规》第4.6.3条规定:层间位移角的计算不考虑偶然偏心的影响,因此,程序操作时应分2次进行。首先,选择刚性楼板假定、偶然偏心选项情况下验算位移比,当位移比超过1.2时,进行结构设计计算时,要考虑双向地震作用,不考虑偶然偏心;当位移比小于1.2时,结构设计计算时不考虑双向地震作用,要考虑偶然偏心。同时应注意,进行结构设计计算时,楼板一定应视实际情况采用真实条件,不能一概而为刚性楼板假定,如有弹性节点存在,一定要真实输入。同理,验算位移角时在刚性楼板假定情况下操作,然后再在真实条件下进行结构设计计算。
5 有地下室结构的程序操作注意要点
上部结构与地下室组成一个整体承力体系,在荷载作用下相互协调变形,而地下室外的回填土对结构存在一定的约束作用。《抗规》第6.1.14条、《高规》第5.3.7条均要求地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。如果不满足2倍的要求时,就应将主体结构的嵌固部位下移,直至符合要求的地下层。注意计算楼层侧向刚度比时,不考虑地下室填土的侧限作用。也就是说,操作时要算2遍,先在不考虑地下室外填土侧限作用的情况下,即将地下室信息中‘回填土对地下室的约束相对刚度比’填为0,算出楼层侧向刚度比(即地下室嵌固层号参数填0),找出主体结构的嵌固层,然后再根据实际嵌固部位填写参数。地下室层号从下住上数,该参数如为-2,表示嵌固在地下室倒数第二层的顶板上;如为-1,表示嵌固在最底一层地下室的顶板上。《高规》第4.8.5条规定:“……当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时,地下一层的抗震等级应按上部结构采用,地下室一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级……”运用程序时,可使用‘独立定义构件抗震等级’功能,更改地下室部分构件的抗震等级。当地下室侧向刚度不足以使地下室顶板可作为上部结构的嵌固端时,考虑回填土对地下室的侧限作用参数一般情况下可填3。经比较,此参数在2～5之间时,计算结果差别不大,但超过5,就接近于上部结构嵌固在地下室顶板的情况。
裙房与主楼连为整体时,《抗规》第6.1.3条、《高规》第4.8.6条规定:“主楼结构在裙房顶部上、下各一层应适当加强抗震构造措施。”《高规》第10.6.4条规定:“塔楼中与裙房连接体相连的外围柱、剪力墙,从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内,柱纵向钢筋的最小配筋率宜适当提高,柱箍筋宜在裙楼屋面上、下层的范围内全高加密,剪力墙宜按《高规》第7.2.16条的规定设置约束边缘构件”,PKPM软件对此未能作考虑,设计人员设计时应按规范要求进行处理,不应直接采用电算出图结果。
6 边缘构件设计
《高规》第7.2.15规定:一、二级抗震等级设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件,其它部位以及三、四级抗震设计和非抗震设计的剪力墙墙肢端部均应设置构造边缘构件。而《抗规》第6.4.6条规定:上述部位设置约束边缘构件还要取决于墙肢底截面在重力荷载代表值作用下的轴压比大小。PKPM软件是按《高规》的要求操作。当房屋层数少、剪力墙的轴压比很小时,就应按《抗规》的相关要求,可以将软件计算输出结果中设置的约束边缘构件改为构造边缘构件。约束边缘构件就是用箍筋约束的暗柱、端柱和翼墙。箍筋形式:《抗规》图6.4.7阴影部分必须采用箍筋,阴影范围以外可采用箍筋或拉筋,但约束边缘构件的边界处应为箍筋。构造边缘构件的边界处应为箍筋,底部加强部位及抗震墙转角处宜用箍筋,箍筋范围内的其他部位可用拉筋。软件计算输出的构件简图中箍筋有2种标注:约束边缘构件用ＰＳＶ标出箍筋率,构造边缘构件用ＡＳＶ标出最小直径和间距。
软件对于剪力墙配筋的输出结果分别提供直线剪力墙段和边缘构件的配筋结果。需要注意的是,直线剪力墙段的暗柱主筋仅给出了计算值,如果计算值小于零,则取零,并未考虑构造要求;而边缘构件的配筋输出结果则同时考虑了钢筋计算值和构造要求值,取二者中的大值。所以,剪力墙的配筋应以边缘构件输出结果为準,直线剪力墙段的配筋图仅供校核。
7 其 它
构件设计时,材料强度按各个计算模块中的输入值取定。ＰＭＣＡＤ本层信息中有一项梁、柱、墙的钢筋强度选择,而各计算模块中也有梁、柱、墙钢筋强度的对话框。实际计算中的材料强度取值是取各计算模块中的强度选择值,ＰＭＣＡＤ里输入的强度,用于控制钢筋符号。设计时一定要注意2个模块都要检查材料强度输入值,特别是设计过程中修改过材料强度时,更要注意检查。
楼板钢筋采用高强度钢筋时,要注意裂缝控制比Ⅰ级钢难,裂缝超标情况大大增加。设计人员以往习惯于楼板钢筋采用Ⅰ级钢,也习惯了一般情况下板在裂缝验算时基本都能满足裂缝控制要求的验算结论,而忽略了钢筋的改变带来的不同,仍然跳过了裂缝验算步骤,造成结构设计缺陷。
设计信息中,混凝土柱的计算长度系数计算执行混凝土规范7 3 11条第3款的选项不应随意选取,隻有当水平荷载的弯矩值占总弯矩设计值的75%以上时,才适宜选此项。常规的框架结构用7 3 11-3条计算的柱计算长度比用3 3 11-2条计算的大,使结构的侧移值偏大,导緻构件尺寸偏大。
8 结 语
结构计算程序是在一定的条件下,按照设计人员的需求有选择的使用和应用的。同一应用程序、同样的计算对象、同样的结构布置,不同的设计人员会产生不同的计算结果,甚至出现较大的差异。虽然可能也都可以满足正常使用要求,但设计出来的质量和品质完全不一样。对于结构设计来说,少则必要的安全储备不足可靠度得不到保证,多则造成浪费。因此,一方面我们要努力提高设计人员的理论知识和实践经验;另一方面,我们对于软件的依靠,也应采取分析性接受的方式。