PKPM,YJK,MIDAS,和ETABS构件内力调整比较VIP

构件内力调整1 引言为实现房屋建筑的抗震设防目标，钢筋混凝土框架结构除了必须具有足够大的承载力和刚度外，还应该具有良好的延性和耗能能力。在地震震害、试验研究和理论分析后，可以得到下述对于钢混框架结构抗震性能的认识：梁铰机制优于柱铰机制；弯曲（压弯）破坏优于剪切破坏；大偏心受压破坏优于小偏心受压破坏；避免核心区破坏及梁纵筋在核心区的粘结破坏。为实现上述目标，使钢筋混凝土框架成为延性耗能框架，应该采用如下的抗震设计理念：强柱弱梁、强剪弱弯、局部加强（框支柱、角柱等）、强核心区强锚固、限制轴压比并加强箍筋约束等。本章节主要针对前三点进行研究，对比不同软件对于构件级别的内力调整所采用的方法。2 相关规范规定中国规范对于钢筋混凝土框架结构的内力调整做了如下规定。3 各软件关于内力调整的实现方法及算例比较3.1计算模型选择如图所示模型，框架6层，层高4m，双向柱距6m。12层横竖各5跨，34层X轴向5跨，Y轴向3跨，56层横竖各三跨，各层位置如图布置。楼板采用刚性板假定，双向导荷，不考虑楼板对梁的刚度放大作用，板上均布荷载工况为：恒荷载5kN/m2，活荷载2kN/m2。设计地震分组为I组，设防烈度为8度（0.2g），场地类别为II，特征周期0.35s，地震影响系数最大值为0.16。本算例不考虑风荷载作用。 3.2框架梁的内力调整 框架梁的内力调整主要指梁的强剪弱弯调整。为实现延性设计，须保证梁弯曲破坏先于剪切破坏，因此须提高梁剪力设计值，提高梁的抗剪承载力。3.2.1计算结果（二级抗震）剪力调整项目设计内力内力调整系数内力组合MIDAS负弯矩（kNm）160.771.21.2DL+0.6LL-1.3ry正弯矩（kNm）81.591.0DL+0.5LL+1.3ry剪力（kN）99.691.2DL+0.6LL-1.3ryETABS负弯矩（kNm）170.721.21.2DL+0.6LL1.3ry正弯矩（kNm）67.711.2DL+0.6LL1.3ry剪力（kN）91.291.2DL+0.6LL1.3ryPKPM负弯矩（kNm）1641.21.2DL+0.6LL-1.3ry正弯矩（kNm）841.0DL+0.5LL+1.3ry剪力（kN）921.2DL+0.6LL-1.3ryYJK负弯矩（kNm）1641.21.2DL+0.6LL-1.3ry正弯矩（kNm）841.0DL+0.5LL+1.3ry剪力（kN）921.2DL+0.6LL-1.3ryPKPM、YJK与ETABS数据分析三种软件对于梁强剪弱弯的调整方法相同，即按照规范采用公式Vb=vbMbl+Mbr/ln+VGb计算梁端设计剪力。但是由于其中VGb是按简支梁计算弯矩，而结构中梁基本均为端部刚接的连续梁。故计算时需对公式进行解析。其中Mbl，Mbr是梁端设计弯矩，是由荷载组合计算出来，其中包含地震荷载，恒荷载和活荷载。将其中恒活荷载的部分提出来与VGb合并，即为重力荷载代表值在连续梁下产生的剪力。而前一项中只剩地震荷载部分，Mbl+Mbr/ln即为地震荷载在梁端截面产生的剪力。故公式可改写为：Vb=vbVE1.3+VGb。则计算结果如下：PKPM&YJK：30.71.31.2+1.232+0.69.1)=91.752kN。ETABS：30.391.31.2+1.232.03+0.69.058)=91.29kN 计算结果与程序完全吻合。MIDAS数据分析 MIDAS调整方法与前两种软件不同。MIDAS并非按照规范给出的公式调整，而是先通过内力组合计算出最不利的剪力，然后乘以调整系数。即梁端设计剪力与设计弯矩无关。通过标准内力手算验证结果如下：按规范计算： 30.151.31.2+1.232.04+0.69.058)=90.91kN按MIDAS计算：（30.151.3+1.232.04+0.69.058)1.2=99.693kN结果证明，内力组合后乘以放大系数的方法的计算结果与程序完全吻合。3.2.5 一级抗震时各软件内力调整方法当结构的抗震等级为一级时，按规范要求，梁设计剪力应根据梁端截面的实际弯矩承载力计算，即满足公式Vb=1.1Mbual+Mbuar/ln+VGb。但是实际上，程序并无法没有按照实际承载力进行调整，而是仍沿用二级抗震时各自采用的公式。只是在调整系数上做了变化。YJK软件引入超配系数概念，其默认值为=1.15。抗震等级为一级时，剪力增大系数vb=1.11.1。PKPM软件在一级抗震等级下仍沿用规范规定，取vb=1.3。MIDAS在一级抗震等级下与PKPM取的剪力增大系数相同，vb=1.3。MIDAS中还有一个抗震等级为“9度一级”。对于框架结构来说，这两者本应相同，但是实际上，对于框架结构，在9度一级抗震等级下，剪力增大系数取vb=1.33。ETABS软件在一级抗震等级下，剪力增大系数按下式计算：vb=1.11.11.1=1.331。3.3.强柱弱梁调整3.3.1 计算结果 当设置框架结果的抗震等级为2级时，柱1标准内力计算结果如下表。由于各软件结果差别甚微，故以YJK计算结果为例标准内力Shear-X（kN）Shear-Y（kN）Axial（kN）Mx-Btm（kNm）My-Btm（kNm）Mx-Top（kNm）My-Top（kNm）EX16.5-22.2-57.841.7-33.6-47.6-40EY-6.456.3-17.1-108.2-9.8118.316DL-18.9-0.8-430.21.8-36.4-1.339.1LL-6.5-0.3-108.40.6-12.5-0.413.4柱1的设计内力计算结果如下柱弯矩调整位置设计内力强柱弱梁系数N（kN）Mx（kNm）My（kNm）PKPM柱顶X方向-549-233501.5柱顶Y方向-40160971.5柱底X方向-549-215561.5柱底Y方向-551-851281.5YJK柱顶X方向-559-233.351.41.5柱顶Y方向-409.360.497.91.5柱底X方向-559214.8-57.71.5柱底Y方向-559.584.6-129.51.5MIDAS全柱462.6238.38133.341.5ETABS柱顶X方向529.7-173.5-84.9211.5柱顶Y方向385.19-47.25-72.781.5柱底X方向559.7160.0171.551.5柱底Y方向41041.9664.8461.53.3.2 PKPM&YJK 计算分析（2）两种软件对于柱的弯矩调整，采用的是直接放大柱的计算弯矩的方法，而非根据梁端弯矩调整。即先计算各荷载工况下的柱端弯矩，然后根据规范要求进行内力组合，最后乘以强柱弱梁调整系数。（3）从表中看，YJK与PKPM的计算结果略有差距，这主要有两个原因，一是PKPM的内力计算结果只取至整数位，不保留小数；二是在考虑活荷载折减的情况下，PKPM软件进行内力组合时，活荷载均乘以折减系数，而YJK对于含有地震作用的内力组合是不考虑活荷载折减的。3.3.3.MIDAS 计算分析（2）MIDAS对于柱的弯矩调整方法，也采用直接放大柱的计算弯矩的方法，与PKPM&YJK相同。（3）从表中看，MIDAS在Y方向上的弯矩计算值与PKPM和YJK不同，这是因为MIDAS在内力组合时，对于地震作用下产生的内力不考虑正负，而是采用使该内力计算值达到最大作为准则进行组合。3.3.4 ETABS计算分析（1）ETABS对于柱取上中下三个截面进行设计，并采用的P-M1-M2即考虑柱双向受弯的设计方法。计算结果表格中只取ETABS与其他软件共有的部分，故为给出柱中间截面的计算数据。（2）ETABS对于柱的弯矩调整，同样采用直接放大柱的计算弯矩的方法，与其他软件相同。（3）ETABS给出的设计内力与其他软件均有所差别，这是因为ETABS计算得到的设计内力经过了三步调整。在计算出组合内力后，先后乘以强柱弱梁调整系数，P-效应下的调整系数以及地震作用的折减系数，才能作为设计内力。 以柱顶X方向设计弯矩为例：M3=117.2651.3+1.8281.2+0.6340.61.50.9920.75=173.006kNm，与程序吻合良好。3.3.5 一级抗震时各软件的内力调整方法在一级抗震等级下，按规范要求，柱的设计弯矩须根据梁实际承载力进行调整。而实际，各软件均无法按照规范执行，因为软件只能给出梁的计算配筋面积，并没有给出实际配筋方法。所以各软件在一级抗震等级下仍采用直接放大柱计算弯矩的方法，只是调整系数取值有所不同。（1） PKPM的调整系数取值对于一级抗震的框架柱，PKPM引入实配钢筋的超配系数这一概念，一级抗震条件下的强柱弱梁系数由超配系数计算得出，超配系数s默认值为1.15。超配系数与强柱弱梁关系如下：s=1.0时，cm=1.5s=1.15时，cm=1.7当s取其他值时，cm根据前两组数据进行线性插值得到，s的取值范围为s1,2。（2） YJK的调整系数取值对于一级抗震等级的框架结构中的柱，YJK也采用实配钢筋的超配系数这一概念。但其计算方法与PKPM不同。YJK中，超配系数与强柱弱梁调整系数关系如下：cm=MAX1.7，1.2s1.1 s1,2（3） MIDAS的调整系数取值 MIDAS对于一级抗震等级的框架结构中的柱，其强柱弱梁系数直接取1.7，不考虑其他放大措施。（4） ETABS的调整系数取值 ETABS对于一级抗震等级的框架结构中的柱，其强柱弱梁系数取1.87，即在一级框架的强柱弱梁系数1.7的基础上乘以放大系数1.1。3.4 柱的强剪弱弯调整3.4.1 计算结果当设置框架结果的抗震等级为2级时，柱1的设计内力计算结果如下剪力调整位置设计内力内力调整系数N（kN）Vx（kN）Vy（kN）PKPMX方向656.493.6654.051.95Y方向594671411.95YJKX方向64793541.95Y方向603.567.9140.61.95ETABSX方向625.5393.0757.961.95Y方向558.6467.71143.651.95MIDAS全截面462.692.8141.681.953.4.2 PKPM&YJK 计算分析（1）两种软件对于柱的剪力调整，采用的是直接放大柱的计算剪力的方法。事实上由于在地震力作用下，柱的剪力基本呈线性分布，所以直接放大柱的计算剪力与根据弯矩计算剪力的方法计算结果基本相同。（2）YJK与PKPM的强剪弱弯调整系数即采用规范中的强柱弱弯系数与强剪弱弯系数相乘得到。即cv=1.51.35=1.953.4.3 MIDAS 计算分析（2）MIDAS对于柱的剪力调整，也采用直接放大柱的计算剪力的方法，强剪弱弯系数也与PKPM和YJK相同，cv=1.95。（3）MIDAS的设计内力中的轴力与PKPM&YJK不同时因为MIDAS计算设计内力取的内力组合不同，MIDAS的设计内力组合中重力荷载代表值的系数为1.0，而另两种软件则取得是1.2。3.4.4 ETABS计算分析（1）ETABS对于柱的剪力调整，同样采用直接放大柱的计算剪力的方法，其强剪弱弯系数同样采用上文提到的两个系数相乘得到。（2）ETABS中设计内力组合中的轴力与PKPM&YJK相比偏小，是因为ETABS中，柱的自重是按线性添加的，故在柱顶截面，ETABS计算得到的轴力未加入柱的自重，这样设计也是较为安全的。3.4.5 一级抗震时各软件的内力调整方法类似强柱弱梁调整方法，各软件对于柱在一级抗震等级下的强剪弱弯调整仍采用直接放大柱计算弯矩的方法，只是调整系数取值有所不同。根据上文提到，剪力调整系数由两个系数相乘得到，故此处主要讨论强剪弱弯系数的计算方法。（1） PKPM的调整系数取值对于抗震等级为一级的框架结构中的柱，PKPM引入实配钢筋的超配系数的概念，超配系数s默认值为1.15，此时剪力调整系数v=2.55。剪力调整系数v=cmcv，其中cv与s的关系如下：s=1.0时，cv=1.4s=1.15时，cv=1.5当s取其他值时，cm根据前两组数据进行线性插值得到，s的取值范围为s1,2。（2） YJK的调整系数取值对于一级抗震等级的框架结构中的柱，YJK也采用实配钢筋的超配系数这一概念。但其计算方法与PKPM不同。YJK中，超配系数与强剪弱弯调整系数关系如下：cv=1.2s1.1 s1,2当 s=1.15时， 剪力调整系数v=2.581 。 （3） MIDAS的调整系数取值 MIDAS对于一级抗震等级的框架结构中的柱，其强剪弱弯系数直接取1.5，剪力调整系数则为v=cmcv=2.55，不考虑其他放大措施。（4） ETABS的调整系数取值ETABS对于一级抗震等级的框架结构中的柱，其强剪弱弯系数直接取1.5，剪力调整系数则为v=cmcv=2.805，即只在强柱弱梁系数上考虑放大一次，不在强剪弱弯系数上再次放大。3.5 局部加强措施 对于框架结构，局部加强措施主要是强柱根调整和强角柱调整。结果测试，对于这两种加强措施，四种软件均完全按照规范执行，处理方法完全相同，由于篇幅原因，不列出计算结果。3.5.1 强柱根调整由于四种软件在调整柱弯矩时，均采用直接放大计算弯矩的方法，故对于底层柱的柱根弯矩的调整方法与其他位置的调整方法相同，即直接放大柱底弯矩。其调整系数则根据规范取值，一级、二级、三级、四级抗震等级下的调整系数分别为1.7，1.5，1.35，1.2。当结构抗震等级为一级时，其他位置的弯矩调整系数大于1.7时，柱根的弯矩调整系数仍保持1.7不变。3.5.2 角柱内力调整四种软件对于角柱处理基本相同。由于软件内力调整均采用的是直接放大的方法，所以对于角柱，在普通柱的内力放大系数上乘以1.1作为角柱的内力调整系数。需要注意的是，