km结构设计使用心得三

PKPM的发展方向PKPM程序的发展方向主要有两个方面：●一个方面就是计算，它的方向就是集成化、通用化。集成化大家都能感觉到，PKPM程序都是以PM程序所建数据为条件，以空间计算为核心，基础、后期的CAD出图都能采用前面的数据。所有这些都构成了程序集成化的雏形。程序的通用化主要表现在计算上，PKPM程序的计算程序由以前的平面计算（PK）---->三维空间杆件（TAT）---->空间有限元（SATWE）---->整体通用有限元程序（PMSAP）。能计算的结构类型有砖混、底框、钢筋混凝土结构、钢结构等。现在又在开发特种结构的计算程序：如高压塔架、巨型油罐等。在PM程序中就可以建立起这些结构的空间模型。当然现在的PKPM系列程序还不能计算。●PKPM程序发展的第二个方向就是开放计算参数的开关。有很多参数以前都是放在程序的“黑匣子”里的，设计人员不能干预。程序放开这些参数有两个原因，首先就是要让设计人员真正的掌握工程的设计过程，能够尽可能的控制设计过程。其次就是要把一些关键的责任交由设计人员来负，程序只能起到设计工具的作用，不能代替设计。所以就需要我们的结构设计人员充分的理解程序的适用范围、条件和校对结果的合理性、可靠性。如《高层建筑混凝土结构技术规程》的5.1.16条要求“对结构分析软件的计算结果，应进行分析结果判断，确认其合理、有效后方可作为工程设计的依据”。二、空间计算程序部分1、PKPM几个空间程序的不同现在，PKPM程序拥有的空间计算程序有三个，即TAT、SATWE、PMSAP1）、TAT--它是一个空间杆件程序，对柱、墙、梁都是采用杆件模型来模拟的，特殊的就是剪力墙是采用薄壁柱原理来计算的，在它的单元刚度矩阵中多了一个翘曲的自由度θ'，相应的力矩多了双力矩。因此，在用TAT程序计算框剪结构、剪力墙结构等含钢筋混凝土剪力墙的结构都要对剪力墙的洞口、节点做合理的简化，有点让实际工程来适应我们的计算程序的味道。作这种简化都是因为分析手段的局限所制（资料书的P129）。当然，在作结构方案时，对结构作这样的调整对建筑结构方案的简洁、合理有很大的好处。它的楼盖是作为平面内无限刚、平面外刚度不考虑的假设。在新版的TAT程序中，允许增设弹性节点，这种弹性节点允许在楼层平面内有相对位移，且能承担相应的水平力。增加了这种弹性节点来加大TAT程序的适用范围，使得TAT程序可以计算空旷、错层结构。2）、SATWE--空间组合结构有限元程序，与TAT的区别在于墙和楼板的模型不同。SATWE对剪力墙采用的是在壳元的基础上凝聚而成的墙元模型。采用墙元模型，在我们的工程建摸中，就不需要象TAT程序那样做那么多的简化，只需要按实际情况输入即可。对于楼盖，SATWE程序采用多种模式来模拟。有刚性楼板和弹性楼板两种。SATWE程序主要是在这两个方面与TAT程序不同。3）、PMSAP---是一个结构分析通用程序。当然，它是偏向于建筑的，但它是一个发展方向。现在的比较著名的通用计算程序有：SAP84、SAP91、SAP2000、ANSYS、ETABS等程序，这些程序各有特长。2、程序的参数及选择开关1）、PMCAD中的参数（1）总信息：●结构体系、结构主材：主要是不同的结构体系有不同的调整参数。●地下室层数：必须准确填写，主要有几个原因，风荷载、地震作用效应的计算必须要用到这个参数，有了这个参数，地下室以下的风荷载、水平地震效应就没有往下传，但竖向作用效应还是往下传递。地下室侧墙的计算也要用到。底部加强区也要用到这个参数。●与基础相连接的下部楼层数：要说明的是除了PM荷载和最下层的荷载能传递到基础外，其他嵌固层的基脚内力现在的程序都不能传递到基础。（2）、材料信息：其他与老的程序一样填法，就是钢筋采用了新规范的新符号。（3）地震信息●设计地震分组：就是老的抗震规范的近震、远震。按抗震规范的附录A选择即可。内江的三县两区都是第一组，6度区，设计基本地震加速度为0.05g。●场地类别：程序是“场地土类型”，按《地基基础规范》的3.0.3条的4款，应该是“场地类别”。《建筑抗震设计规范》的3.3.2、3.3.3条也是提的“建筑场地”，而不是“场地土”。一般的地质勘察报告要提出此参数的。●计算震型个数：这个参数需要根据工程的实际情况来选择。对于一般工程，不少于9个。但如果是2层的结构，最多也就是6个，因为每层只有三个自由度，两层就是6个。对复杂、多塔、平面不规则的就要多选，一般要求“有效质量系数”大于90%就可以了，证明我们的震型数取够了。这个“有效质量系数”最先是美国的WILSON教授提出来的，并且将它用于著名的ETABS程序。《高层建筑混凝土结构技术规程》的5.1.13-2条要求B级高度的建筑和复杂的高层建筑“抗震计算时，宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应少于塔数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不少于总质量的90%”●周期折减系数：这个参数是根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.3.16条（强条）要求，按3.3.17条进行折减的。框架：0.6~0.7框剪：0.7~0.8剪力墙：0.9~1.0（4）风荷载：修正后基本风压：根据《建筑结构荷载规范》的7.1.2条，对与高层、高耸以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。按《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.2.2条，对与特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，其基本风压应按100年重现期的风压值采用。按规范的解释，房屋高度大于60m的都是对风荷载比较敏感的高层建筑。2）、TAT的参数及开关（1）、用TAT程序计算建模应注意的几点：●剪力墙必须要有洞口，不能形成封闭“口”字形。这样在构件截面上的剪力流才有进口和出口，否则，程序无法对构件进行计算。这是TAT程序对薄壁柱数学模型模拟的要求。●剪力墙内的洞口要求要上下对齐，且要有规律性。如果不这样，那么内力的传递将通过节点间刚域来传递，这与实际有时很大差别，引起很大的计算误差。且洞口布置不规律，计算结果具有很大的突变性。（2）、参数：在PM参数中说过的就不在说了。●柱的计算长度：程序中增加了一个选项“柱长度系数按混凝土土规范的7.3.11-3计算。以前老程序是按表7.3.11-1和表7.3.11-2采用的。7.3.11-3条是新规范新增的。“当水平荷载产生的弯矩设计值占总弯矩设计值的75%以上时，框架柱的计算长度lo可按公式7.3.11-1和公式7.3.11-2计算结果的较小者取值。这是因为近年来对框架结构二阶效应的研究表明，竖向荷载在有侧移的框架中引起的P-△效应只增大有水平荷载在柱端截面中引起的弯矩Mh，而原则上不增大由竖向荷载引起的弯矩Mv。因此，框架柱柱端考虑二阶效应后的总弯矩应是：M=Mh+ηs*Mv（1-1）式中ηs为反映二阶效应增大Mh幅度的弯矩增大系数。但在传统的η--lo法中，是用η同时增大Mv和Mh的，即：M=η（Mh+Mv）（1-2）因此，如果要使所求的总弯矩相等，那么必然有：ηs>η与ηs相应的lo也就必然比与η相应的lo取得大一点。对于一般工程中的多层框架结构，（在Mv/Mh为常见比例，即>1/3，框架节点的柱梁线刚度的比例也为常见值时）按规范表7.3.11-2的lo计算出的η再按1-2公式计算出的弯矩和按规范7.2.11-3条计算出的lo在按公式1-1算出的弯矩，两者差异不大。所以在一般多层框架，没有特殊的水平荷载和特殊的框架节点情况下，采用7.2.11-2和7.2.11-3计算的lo对计算结果没有大的影响。但是，对于Mv/Mh<1/3或梁注线刚度相差较大的情况下，采用7.2.11-2条计算的lo对计算结果就很大的影响了，而且是偏于不安全的，所以在这种情况下就要求采用7.2.11-3计算。建议都采用7.2.11-3计算。本来规范采用η--lo法就是不尽和理的，因此规范就在7.3.12条要求采用刚度折减法，这种方法也是国外通行的考虑二阶效应的计算方法，且也是准确的较为合理的计算方法，但遗憾的是这种方法在PKPM程序中还没有得到实现。●竖向力计算信息：程序有四个选择-----不计算竖向力：它的作用主要用于对水平荷载效应的观察和对比等。-----一次性加载计算：主要用于多层结构，而且多层结构最好采用这种加载计算法。因为施工的层层找平对多层结构的竖向变位影响很小，所以不要采用模拟施工方法计算。-----模拟施工方法1加载：就是按一般的模拟施工方法加载，对高层结构，一般都采用这种方法计算。但是对于“框剪结构”，采用这种方法计算在导给基础的内力中剪力墙下的内力特别大，使得其下面的基础难于设计。于是就有了下一种竖向荷载加载法。------模拟施工方法2加载：这是在“模拟施工方法1”的基础上将竖向构件（柱、墙）的刚度增大10倍的情况下再进行结构的内力计算，也就是再按模拟施工方法1加载的情况下进行计算。采用这种方法计算出的传给基础的力比较均匀合理，可以避免墙的轴力远远大于柱的轴力的不和理情况。由于竖向构件的刚度放大，使得水平梁的两端的竖向位移差减少，从而其剪力减少，这样就削弱了楼面荷载因刚度不均而导致的内力重分配，所以这种方法更接近手工计算。但是我认为这种方法人为的扩大了竖向构件与水平构件的线刚度比，所以它的计算方式值得探讨。所以，专家建议：在进行上部结构计算时采用“模拟施工方法1”；在基础计算是，用“模拟施工方法2”的计算结果。这样得出的基础结果比较合理。●是否考虑P-△效应：选择否，就按规范的7.3.11条计算柱的计算长度系数，如果选择“是”，则柱的计算长度系数为1，再按程序的计算方法来计算P-△效应。●是否考虑梁柱重叠的影响：---不考虑：对于普通的多层框架，一般都采用这种选择。---考虑梁端弯矩折减：M边=M中-Min（0.38*M中，B*V中/3）---考虑梁两端刚域的影响：扣除梁两端刚域后的梁计算长度为：Lo=L-（Dbi+Dbj）但计算荷载还是按节点间梁长来计算的。●水平力与整体坐标的夹角：---主要用于有斜向抗水平力结构榀时填写，在0~90之间。改写后，风荷载要变化，主要是受风面积变化、风荷载作用的坐标变化；抗侧力结构榀的刚度变化引起地震力的变化，所以要重新进行数检。●回填土对地下室的相对刚度：---根据程序编制专家的解释，填3大概为70%~80%的嵌固，填5就是完全嵌固，填在楼层数前加“-”，表示在所填楼层完全嵌固。到底怎样的土填3或填5，完全取决于工程师的经验。●是否考虑扭转藕连：《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.3.2-2条，“质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响；”《建筑抗震设计规范》的5.1.1-3条，也与高规有相同的规定。●地震设防烈度、设计地震分组、结构的抗震等级：按结构的实际填入即可。●竖向地震作用系数：程序取的是规范的计算值。pkpm应用指南PKPM结构设计软件（2002新规范版）TAT,SATWE,PMSAP结构计算分析及其在工程中的应用一、结构设计参数的合理选取1、总信息中增加＂裙房层数＂的参数，是为了0.2Q0的调整．对于立面有变化的高层，程序给出0.2Q0调整可能偏大，可人工干预调整．2、转换梁由设计人自行定义，转换层所在层号由设计人输入．3、结构材料信息仅影响风荷载的大小，程序按0.065n给出一个隐含值．如果计算结果中结构的基本周期大于隐含值，应将计算值代替隐含值．4、结构体系：如为短肢剪力墙结构，应调整结构的抗震等级．5、模拟施工荷载1，逐层加载；模拟施工荷载2，考虑基础变形，对刚度不很大的框筒、筒体结构适用，目前计算版本暂不能使用．6、结构温度应力计算信息，目前暂不使用．编制人试算8度设防的北京实例，配筋相当于9度设防．原因是未考虑砼的徐变、微裂纹对应力的释放，计算结果偏大．7、对所有楼层强制采用刚性楼板假定，只有位移控制是在刚性楼板假定条件下计算．执行这一开关地震力、内力计算结果不对．一般工程计算二遍，一是强制楼板刚性控制位移；二是真实情况计算内力、地震力．8、程序风荷载是按高规计算的，对多层偏大30％．新规范风荷载由30年一遇改为50年一遇，基本风压增大20～30％．二、地震作用效应计算与调整1、新程序中无论是藕联计算还是非藕联计算，依据的都是藕连矩阵．考虑藕联对任何结构都适用．2、偶然偏心：对偶然偏心解释抗震规范（5.2.3－1条）与高规（3.3.3条）不同．新程序按高规执行，主要是因为ⅰ、考虑藕联对任何结构都适用．ⅱ、依靠程序自行搜索边榀很困难．计算时选取此项，计算内力增大5～10％．程序内定考虑X方向：正偏心，负偏心．Y方向：正偏心，负偏心．只在内力和位移计算中考虑．（TBSA在周期计算时就考虑了）3、双向地震作用：根据抗震规范5.1.1－3条考虑双向地震作用的扭转影响时，柱按单偏压计算时无问题．但按双偏压计算，柱的配筋增加多达30～50％．因此早期程序考虑双向地震作用时，不考虑柱的双向偏压计算．经程序编写组与规范编写组协商，现程序按下列原则考虑：主方向的弯矩、剪力和轴力按0.85开平方；次方向弯矩、剪力和轴力保持原值不变．4、多方向地震：程序输出的计算结果中给出了地震作用的最大方向，对于复杂结构应将此方向输入进行计算．5、一般钢筋混凝土结构可不考虑Ｐ－Δ效应．三、调整信息1、剪力墙加强层起算层号：此项如填0，表示加强区从±0.00层起算；此项填-1表示加强区从负一层地下室起算．无论此项填何值，都不影响加强区的绝对高度．有地下室时，地下室墙是否算加强区，一般情况不希望墙的配筋下小上大．对一层地下室算加强区较好．2、对9度及一级框架结构梁柱的超配系数隐含值为1.15．相当过去考虑的二个1.1．3、楼层水平地震剪力调整：根据抗震规范5.2.5条要求，若要求调整，程序将自动调整不满足剪重比的楼层内力．但一般情况希望不调整．因为计算结果小于剪重比的要求，很可能结构的方案不合理．4、薄弱层：薄弱层的判断，可通过计算结果中的刚度比．设计人通过第一次计算结果判断出薄弱层，再对此项进行填写．5、荷载组合：⑴、增加了由永久荷载效应控制的组合．⑵、可以调整活荷载的分项系数和活荷载的组合系数．6、程序中转换梁的内力调整，严格按规范执行．转换梁及框肢柱需要设计人自行定义．框肢柱分为二类：一是四周是梁．二是剪力墙的边榀．一个方向不是柱，为剪力墙的一部分．另一方向是柱．7、程序将与剪力墙相连柱承担的倾覆弯矩，归属剪力墙．而不归属框架柱．否则框架柱承担的倾覆弯矩可能超过50％．四、结构整体性能控制1、位移控制：程序按高规4.3.5条执行．输出结果第一项是构件节点位移，第二项是层间位移．位移控制是通过控制位移比进行的．计算结果出现个别位移比超限时，可查位移的大小．在位移很小的情况下，可不考虑．2、周期控制：高规4.3.5条要求第一扭转周期Tt与第一平动周期T1之比,A级高层小于0.9．程序输出了各振型的周期．对于结构比较规则，刚性楼板假定．输出的结果第一项为X方向平动周期，第二项为Y方向的平动周期．最长的平动周期就是第一平动周期，再找出同方向第一扭转周期．二者之比应满足高规要求．3、刚度比的控制：程序提供了三种方法，一是高规附录E.0.1－剪切刚度K1=(CiGciAci+GwiAwi)/hi；二是高规附录E.0.2－剪弯刚度Ki=Fi/Δi；三是抗震规范3.4.2，3.4.3条文说明中建议的方法Ki=Vi/Δui.方法1过于简单．方法2用于转换层的计算．程序隐含的是方法3，概念和计算均简单．但未扣除刚体转角引起的位移．4、框架承担的倾覆力矩计算按抗震规范6.1.3条文说明中公式．5、多层结构薄弱层验算，近似程度较大，计算的位移可能偏小．原因是采用薄壁柱模型，与抗震要求的强柱弱梁概念不一致．6、时程分析：选地震波对计算结果影响很大，有条件的地区用当地的实测波．选波的原则为每条波计算的结果不少于按振型分解法计算结果的60％（可调整波的放大系数）；三条波的平均反应，不小于振型分解法的80％．五、一些特殊功能编制原理与应用1、弹性楼板：程序提供了三种模型．⑴、弹性楼板6：考虑楼板的面内刚度和面外刚度，采用壳单元．原则上适用于所有结构，但采用弹性楼板6计算时，楼板和梁共同承担面外弯矩，计算结果中梁的配筋小了，而楼板承担面外弯矩，计算的配筋又未考虑．此外计算工作量大．因此该模型仅适用于板柱结构．⑵、弹性楼板3：考虑楼板的面内刚度无限大，并考虑楼板的面外刚度．适用于厚板转换层．⑶、弹性膜：考虑面内刚度，面外刚度为零．采用膜剪切单元．2、程序中地下室信息＂回填土对地下室约束相对刚度比＂：所填数值，相当于地下室被约束后时地下室本身刚度的多少倍．如填负数，表示嵌固水平位移，不嵌固竖向位移．如结构计算中，只算上部结构，相当于既约束了水平位移，又约束了竖向位移．这仅适用于地下室刚度很大的情况．3、各种竖向构件根据截面尺寸分为：柱――H/B<3；异形柱――H/B<5;短肢剪力墙――5<H/B<8；剪力墙――H/B>8.采用TAT、TBSA计算时，建模均为薄壁柱单元．但采用SATWE计算时，应注意柱、墙单元的选择，对柱、异形柱选柱单元（一维单元），对短肢剪力墙、剪力墙选壳单元（二维单元）．否则计算结果差异很大．4、设计参数信息＂梁柱重叠部分简化为刚域＂：选用此项梁柱重叠部分简化为刚域，适用于异形柱结构，可真实计算梁的内力和配筋．5、设计参数信息＂混凝土柱计算长度系数执行混凝土规范7.3.11－3条＂：一般情况不采用，除9度或沿海地区风起控制作用时采用．六、特殊工程分析1、多塔定义、有＂缝＂结构：多塔指的是：各塔之间相互独立；每个塔的外表面都是迎风面．定义多塔是为了帮助风荷载的倒算．对多塔结构要判断平动周期与扭转周期的比值，需要每个塔单算．对分缝结构判断平动周期与扭转周期的比值时单算，计算内力和配筋时可合算或分算．分算时一个方向的风荷载算大了．2、楼板开洞：对板柱结构，楼板定义为弹性楼板6；对砌体结构，楼板定义为弹性膜．3、弱连接：由于两边振动可能不同步，引起拉、压作用．建议不考虑楼板的作用，仅考虑梁承担拉、压作用．4、不等高嵌固：PM程序中有＂与地基相连的最高层号＂信息，启用后程序对悬空柱进行搜索，加上嵌固约束．对电梯井道下落也可按此方法处理．还可以通过修改不等高柱的坐标解决不等高嵌固．5、SATWE提供了＂复杂楼板有限元分析与设计（SlabCAD）”.SlabCAD可自动从SATWE的三维分析结果中取出需要精细分析的楼板或楼板局部，进行二次有限元分析和配筋设计．适用于各种复杂楼板如板柱结构的楼板、预应力楼板、转换层结构的厚板、人防地下室的顶板、需考虑板面内拉伸和剪切作用的特殊结构．6、剪力墙上洞口处梁的输入：一般门窗洞口按剪力墙开洞处理，即洞口处为连梁，以剪切变形为主；如洞口跨中弯矩不可忽略，以弯曲变形为主，按梁单元输入．此时要在剪力墙洞口两侧增加节点号．7、框肢结构的转换梁计算，通常是由施工阶段，正常使用阶段往往不控制．设计时应补充施工阶段的验算，把上面几层荷载按均布恒载加上，对转换梁进行验算．SATWE整体计算时，框肢转换梁的计算偏小，配筋时留10～20％的余量．8、框剪结构判断框架的抗震等级时，需先计算．按框架承担的倾覆力矩百分比确定．"对所有楼层强制采用刚性楼板假定，只有位移控制是在刚性楼板假定条件下计算．执行这一开关地震力、内力计算结果不对．一般工程计算二遍，一是强制楼板刚性控制位移；二是真实情况计算内力、地震力．"这点在