浅谈PKPM程序在框架-剪力墙结构设计中的思考发表

1浅谈PKPM程序在框架-剪力墙结构设计中应注意的问题王磊（中煤国际工程设计研究总院（北京华宇工程有限公司，北京，100120）[摘要]论文根据《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》JGJ3-2002(以下简称《高规》)，《建筑抗震设计规范》GB50011-2001(2008版)(以下简称《抗规》)中的相关规定，结合工程实际对在PKPM中如何实现框架-剪力墙的控制点的应用及其计算结果进行分析。进一步认识高层框架―剪力墙结构设计时相关的控制点:刚度比、位移比、周期比、刚重比等参数以及其调整过程中彼此相互关联且涉及构件截面、刚度及平面位置的改变。通过合理控制以上指标，认真仔细比对结构方案和分析相应计算结果进行正确的判别。[关键词]PKPM；SATWE；框架-剪力墙0引言在高层建筑结构设计中，框架-剪力墙结构形式较为普遍。在框架结构中加设适量的剪力墙，二者通过楼盖协同工作，以满足建筑物的抗侧要求，从而组成框架―剪力墙结构体系。它的结构布置方式灵活，在对建筑物的使用功能影响不大的情况下，使结构的抗侧刚度和承载力都有明显提高，所以这种结构体系兼有框架和剪力墙结构的优点，是一种适用性很广的结构形式。本文根据《高规》及《抗规》中的相关规定，结合工程实际对在PKPM软件中如何实现其计算结果进行分析。1工程实例位于陕西彬长矿业集团有限公司小庄矿井工业场单身公寓，其包括主楼、裙楼两大部分，建筑总面积约89604.50m2。主楼(包括Ⅰ、Ⅱ区，Ⅰ、Ⅱ区反)：地下一层，地上二十八层,房屋总高度为96.4m。裙楼：地下一层，地上三层，房屋总高度为19.45m。本工程建筑结构的安全等级为二级；建筑抗震设防类别为标准设防类；主楼的框架及剪力墙抗震等级为三级；所在地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第三组；建筑场地类别为Ⅱ类；特征周期:Tg=0.45sec；50年一遇的基本风压值取0.35kN/m2；地面粗糙度类别为B类；风载体型系数1.4。图1为本工程局部(主楼Ⅱ区)框架-剪力墙标准层结构布置图。2图1主楼Ⅱ区框架-剪力墙标准层结构布置图2高层框架―剪力墙结构设计主要控制点在PKPM中应用及结果分析高层结构设计中往往花费许多时间在电算上，为使结构平面布置和竖向承重构件(柱、剪力墙等)的合理布置，设计过程中考虑控制的目标参数主要有如下几个:2.1、框架柱倾覆弯矩及0.2Q0调整系数(1)框架―剪力墙结构中框架柱倾覆弯矩控制及计算:根据《抗规》第6.1.3条、《高规》第8.1.3条规定，框架-剪力墙结构在基本振型地震作用下，若框架部分承担的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩的50%，其框架部分的抗震等级应按框架结构确定，柱轴压比限值宜按框架结构采用。本工程WV02Q.OUT文件见表一数据得出:框架部分承担的地震倾覆力矩小于总地震倾覆力矩的50%，计算符合要求。3表一框架柱地震倾覆弯矩百分比柱倾覆弯矩墙倾覆弯矩倾覆弯矩百分比X向地震55482.4217351.920.34%Y向地震100691.1189165.934.74%(2)0.2Q0调整对于框架剪力墙结构，一般剪力墙的刚度很大，剪力墙吸引了大量的地震力，而框架部分所承担的地震力较小。根据《抗规》第6.2.13条规定，侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架-剪力墙结构，任一层框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框架-剪力墙结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。本工程指定调整楼层为1至28层的范围，在WV02Q.OUT文件中0.2Q0调整系数：0.2Qox=772.95KN、1.5Vxmax=756.89KN；0.2Qoy=735.41KN、Vymax=1502.02KN，本工程计算结果符合要求。2.2、周期比周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大(相对于侧移)的扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，见《高规》第4.3.5条及相应的条文说明。周期比不满足要求，说明结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理，应调整改变结构布置，提高结构的抗扭刚度；总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度；利用结构刚度与周期的反比关系，合理布置抗侧力构件，加强需要减小周期方向(包括平动方向和扭转方向)的刚度，或削弱需要增大周期方向的刚度。本工程WZQ.OUT文件中自振周期结果如下见表二：表二振型号周期转角平动系数(X+Y)扭转系数12.531711.661.00(0.96+0.04)0.0022.3220102.460.91(0.04+0.86)0.0931.594395.790.11(0.00+0.10)0.89440.693344.910.90(0.45+0.44)0.10当平动系数大于0.5时，该振型为以平动为主的振型。反之，当扭转系数大于0.5时，该振型为以转动为主的振型。从上面结果中可以查得，结构以扭转为主的第一自振周期Tt=1.5943s，以平动为主的第一自振周期T1=2.5317s，Tt/T1=0.62〈0.9，满足《高规》第4.3.5条的规定。2.3、位移比主要为限制结构平面布置的不规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，见《抗规》第3.4.2条，《高规》第4.3.5条及相应的条文说明。位移比不满足时应调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距；首先应注意调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚度予以保证；其次利用程序的节点搜索功能在SATWE的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度；也可找出位移最小的节点削弱其刚度，直到位移比满足要求；再次应注意验算位移比需要考虑偶然偏心，验算层间位移角则不需要考虑偶然偏心，位移比超过1.2，需要考虑双向地震。本工程WDISP.OUT,结果如下:最大值层间位移角：X方向最大值层间位移角为1/2814，Y方向最大值层间位移角为1/3317,满足《高规》第4.6.3条最大值层间位移角≤1/800的规定；最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值：X方向最大位移与层平均位移的比值为1.28，X方向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.30，Y方向最大位移与层平均位移的比值为1.29,Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值为1.29，满足《高规》第4.3.5条的规定。2.4、剪重比主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全，见《抗规》第5.2.5条，《高规》第3.3.13条及相应的条文说明。剪重比不满足时应在SATWE的“调整信息”中勾选“按《抗规》第5.2.5条调整各楼层地震内力”后，SATWE按《抗规》第5.2.5条自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪力，以满足剪重比要求。同时还可按下列3种情况进行调整:1)当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截5面，提高刚度。2)当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面,降低刚度以取得合适的经济技术指标。3)当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时,可在SATWE的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数增大地震作用，以满足剪重比要求。本工程平面及竖向均比较规则，在SATWE中设计时选取了30个振型进行计算，在WZQ.OUT结果文件中查看X、Y向有效质量系数及楼层最小剪重比如下:X方向的有效质量系数：99.50%；Y方向的有效质量系数:99.60%。两个方向有效质量系数均超过90%，说明计算振型数够了，详见《高规》第5.1.13条及相应的条文说明。由于本地区抗震设防烈度为6度，两个方向的楼层最小剪重比，满足《高规》第3.3.13条的要求。2.5、刚度比主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层，见《抗规》第3.4.2条，《高规》第4.4.2条及相应的条文说明；对于形成的薄弱层则按《高规》第5.1.14条予以加强。如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求,SATWE自动将该楼层定义为薄弱层，并按《高规》第5.1.14条将该楼层地震剪力放大1.15倍。同时应加强抗震延性构造措施，提高结构的抗震等级、楼板加强、弱连接结构的加强等，从而加强薄弱部位。另外，还可按以下方法调整:1)适当降低本层层高，或适当提高上部相关楼层的层高。2)适当加强本层墙、柱和梁的刚度，或适当削弱上部相关楼层墙、柱和梁的刚度。各层刚心、偏心率、相邻层侧移刚度比等计算信息见WMASS.OUT结果文件，本工程满足规范要求。2.6、受剪承载力比主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免楼层抗侧力结构的受剪承载能力沿竖向突变，形成薄弱层，见《抗规》第3.4.2条和《高规》第4.4.3条及相应的条文说明；对于形成的薄弱层应按《高规》第5.1.14条予以加强。层间受剪承载力比不满足时应在SATWE的“调整信息”中的“指定薄弱层个数”中填入该楼层层号，将该楼层强制定义为薄弱层，SATWE按《高规》第5.1.14条将该楼层地震剪力放大1.15倍。同时还可适当提高本层构件强度(如增大柱箍筋和墙水平分布筋、提高混6凝土强度或加大截面)以提高本层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力，或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力。本工程在WMASS.OUT结果文件中，楼层抗剪承载力比值满足规范要求。2.7、刚重比主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌，见《高规》第5.4.1条和第5.4.4条及相应的条文说明。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。刚重比不满足时应调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。本工程WMASS.OUT文件中，结构整体稳定验算结果：X向刚重比EJd/GH**2=5.58，Y向刚重比EJd/GH**2=7.39。该结构刚重比EJd/GH**2大于1.4，能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算，该结构刚重比EJd/GH**2大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。为使高层建筑结构在水平和竖向荷载作用下，其地基压应力不致过于集中，对基础底面压应力较小一端的应力状态作了限制，见《高规》第12.1.6条及相应的条文说明。本工程WMASS.OUT,结果如下见表三:表三抗倾覆验算结果抗倾覆弯矩Mr倾覆弯矩Mov比值Mr/Mov零应力区(%)X风荷载4222460.5329759.912.800.00Y风荷载9611993.0154207.662.330.00X地震4222460.5289442.914.590.00Y地震9611993.0275494.534.890.002.8、轴压比主要为限制结构的轴压比，保证结构的延性要求，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见《抗规》第6.3.7条和第6.4.6条，《高规》第6.4.2条和第7.2.14条及相应的条文说明。轴压比不满足要求，结构的延性要求无法保证，应增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度；轴压比过小，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少相应墙、柱的截面面积。本工程轴压比均满足规范要求。3、结语7本文主要以框架―剪力墙结构为实例，通过探讨高层框架―剪力墙结构设计主要控制点在PKPM中应用及SATWE输出结果进行分析。进一步认识高层框架―剪力墙结构设计时相关的控制点:刚度比、位移比、周期比、刚重比等参数以及其调整过程中彼此相互关联且涉及构件截面、刚度及平面位置的改变；当然，还应根据规范及具体实际情况做些相应的加强措施。综上所述，对于结构设计人员来说，先应对其设计计算的软件功能有确切的了解，再选取切合实际情况使结构平、立面布置尽量规则以及抗震和抗风性能好的结