豐正偉

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院土木工程系 福建漳州 363105)

PKPM課程教學(xué)中重要參數(shù)的調(diào)整與控制

豐正偉

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院土木工程系 福建漳州 363105)

針對PKPM教學(xué)中學(xué)生對設(shè)計參數(shù)運用存在的問題，對各類計算參數(shù)進行總結(jié)和規(guī)類，介紹了振型數(shù)、周期折減系數(shù)和偶然偏心的原理、取值及對計算結(jié)果的影響，分析SATWE后處理輸出文本中的周期比、位移比和軸壓比的內(nèi)涵和意義，并基此提出了控制和調(diào)整方法。

振型數(shù)；周期折減系數(shù)；偶然偏心；周期比；位移比

0 引言

PKPM是我國自主開發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，國內(nèi)大部分建筑設(shè)計院均在使用。為了能更好地體現(xiàn)教學(xué)與實踐結(jié)合，讓學(xué)生畢業(yè)后更快適應(yīng)工作崗位，大部分高校土木工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計采用PKPM軟件進行建模和計算，并開設(shè)該課程，培養(yǎng)學(xué)生用所學(xué)專業(yè)知識解決實際問題的能力。

PKPM軟件可以分成PMCAD前處理模塊(建模)、分析模塊(設(shè)計參數(shù)及特殊構(gòu)件定義)、后處理模塊(檢查圖形及文本)和施工圖的繪制。在進行結(jié)構(gòu)分析及計算時要合理選擇PKPM有關(guān)參數(shù)，結(jié)合工程實際，配合程序使用才能得出合理的計算結(jié)果。若設(shè)計參數(shù)選擇不準確或錯誤,將會影響計算結(jié)果的精度、可靠性和實用性, 嚴重的還會影響所設(shè)計建筑物的安全[1]。

課程教學(xué)中把計算參數(shù)分成兩類，一類是模型計算前SATWE設(shè)計參數(shù)的輸入；另一類是計算完成后結(jié)果中參數(shù)的控制。本文擬結(jié)合多高層建筑規(guī)范，介紹重要參數(shù)的基本含義和取值，分析SATWE幾個重要參數(shù)輸入對計算結(jié)果的影響，并對SATWE后處理輸出文本中的參數(shù)提出控制和調(diào)整方法。

1 教學(xué)過程中存在的問題

課程教學(xué)為建模和結(jié)構(gòu)計算兩部分內(nèi)容，建模部分由于軟件的可操作性較強，學(xué)生較容易掌握，學(xué)習(xí)積極性高；結(jié)構(gòu)計算涉及到參數(shù)的輸入控制和后期計算完之后參數(shù)的調(diào)整，需結(jié)合規(guī)范條文、專業(yè)知識，信息較多，學(xué)生掌握起來難度較大。

對第一類參數(shù)，大部分學(xué)生自學(xué)查閱規(guī)范條文，但對有些復(fù)雜的參數(shù)不理解其真正含義導(dǎo)致對計算結(jié)果的影響；第二類參數(shù)只知道“照葫蘆畫瓢”去模仿數(shù)據(jù)的輸入，計算結(jié)果不理想，不知道怎么去調(diào)整，對后期問題處理能力較差。

2 SATWE設(shè)計參數(shù)的設(shè)置

計算開始前，首先要根據(jù)規(guī)范及工程實際，對初始參數(shù)進行正確合理地選取和對特殊構(gòu)件進行定義。SATWE前處理程序中的“分析與設(shè)計參數(shù)補充定義”包含項目和需要輸入的參數(shù)較多，如圖1所示。

圖1 計算參數(shù)信息示意圖

參數(shù)的信息量大，學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握起來很困難，結(jié)合課程教學(xué)，可以把結(jié)構(gòu)及構(gòu)件計算參數(shù)按使用性質(zhì)分成4類：

(1)按規(guī)范條文查找：如材料容重、風(fēng)荷載信息、活荷載折減系數(shù)、地震分組、地震烈度及阻尼比等相關(guān)參數(shù)；

(2)實際工程信息中已給出：如地下室層數(shù)、結(jié)構(gòu)體系、薄弱層設(shè)置等；

(3)需要多次計算才能得到：在計算前難以估計，需要經(jīng)過試算才能得到，如最大地震力作用方向、振型數(shù)、結(jié)構(gòu)基本周期等；

(4)需選擇性考慮的參數(shù)：如剛性樓板假定、周期折減系數(shù)、偶然偏心及雙向地震、梁端負彎矩調(diào)幅系數(shù)、中梁剛度放大系數(shù)等。

可以通過規(guī)范和實際工程讀取的參數(shù)，對學(xué)生而言相對簡單，比較容易查找和掌握；但有些參數(shù)會關(guān)系到整體計算的結(jié)果，必須取值合理，才能保證后續(xù)計算結(jié)果的正確性，但學(xué)生由于概念不清導(dǎo)致不會用或會用不理解的困境，如振型數(shù)、周期折減系數(shù)、偶然偏心及雙向地震等參數(shù)的設(shè)置。

2.1 振型數(shù)

大部分學(xué)生在設(shè)置該參數(shù)時，都是直接取3倍層數(shù)，而對該參數(shù)的含義及參數(shù)取值對計算結(jié)果的影響并不清楚。

在計算地震力時，振型個數(shù)的選取應(yīng)是振型參與質(zhì)量要達到總質(zhì)量90%以上所需要的振型數(shù)。振型數(shù)的多少與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，一般取3乘以層數(shù)，多層建筑≥3個，高層建筑至少取9；當考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算時，振型數(shù)≤3倍總層數(shù)；多塔結(jié)構(gòu)則振型數(shù)≥塔樓數(shù)的9倍[2]。對此，應(yīng)注意以下3點：

(1)1層最多3個有效動力自由度，所以1層最多3個振型，振型個數(shù)不能超過結(jié)構(gòu)固有的振型總數(shù)，如超過則會造成地震力計算異常。

(2)進行耦聯(lián)計算的結(jié)構(gòu)，振型數(shù)>9，多塔結(jié)構(gòu)應(yīng)更多些，但應(yīng)是3的倍數(shù)。

(3)保證有效質(zhì)量系數(shù)>90%，意味著計算振型足夠，否則應(yīng)增加振型數(shù)重新計算。

結(jié)構(gòu)計算振型數(shù)增加，水平地震作用效應(yīng)增大。振型數(shù)取少，后續(xù)振型產(chǎn)生的地震作用效應(yīng)未能計入，導(dǎo)致計算結(jié)果不安全；振型數(shù)取多，導(dǎo)致運算時間過長，并對計算機內(nèi)存要求大，多余的高振型對結(jié)構(gòu)地震作用貢獻不大[3]。

一般的多高層建筑中，振型數(shù)取3倍層數(shù)計算不會出問題。學(xué)生設(shè)置該參數(shù)后，應(yīng)注意查看計算結(jié)果中有效質(zhì)量系數(shù)是否>90%；如果是多塔，振型數(shù)≥塔樓數(shù)的9倍，同時查看有效質(zhì)量系數(shù)。

2.2 周期折減系數(shù)

學(xué)生對周期折減系數(shù)選擇大多還是參考規(guī)范的數(shù)據(jù)，而忽略了填充墻的材料組成，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]中給出折減系數(shù)取值，但主要針對實心粘土磚墻，對于目前廣泛應(yīng)用的加氣混凝土填充墻、 普通混凝土和輕骨料混凝土空心砌塊填充墻、粘土空心砌塊填充墻等并未給出，如還按照規(guī)范取值將和實際工程的真實結(jié)果有一定的差距。

周期折減系數(shù)與填充墻的剛度成反比，填充墻總體的剛度越大，周期折減系數(shù)越小。參數(shù)設(shè)置過程中，周期折減系數(shù)取值偏大，會使結(jié)構(gòu)物的地震作用偏小，設(shè)計偏于不安全；但取值偏小，會造成結(jié)構(gòu)物的地震作用偏大，造成不經(jīng)濟[5]。填充墻的材料類型、截面及豎向布置均會影響其剛度，間接影響周期折減系數(shù)取值。

因此，合理取值非常必要，實心粘土磚和加氣混凝土填充墻的周期折減系數(shù)按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]取值，各種混凝土空心砌塊填充墻對于框架結(jié)構(gòu)可取0.9，框剪結(jié)構(gòu)可取0.95，剪力墻結(jié)構(gòu)取1.0，各類粘土空心砌塊填充墻可按0.95～1取值[5]。

2.3 偶然偏心

學(xué)生在“考慮偶然偏心”和“考慮雙向地震作用”選項的時候，是否該選擇，選與不選對后面計算結(jié)果的影響不清楚，基本概念掌握不牢。

考慮偶然偏心計算時，地震組合數(shù)增加，位移比增大約18%；對結(jié)構(gòu)構(gòu)件(梁、柱)的配筋增大約2%?？梢娛欠窨紤]對計算結(jié)果中的位移比影響很大，對配筋影響較小。有些學(xué)生遺漏偶然偏心的選擇，顯示的計算結(jié)果滿足要求，其實是人為地減弱了地震產(chǎn)生的影響，會使結(jié)構(gòu)偏于不安全。只在計算地震作用的時候才存在是否考慮偶然偏心的問題，可總結(jié)為“兩考慮三不考慮”，即計算單向地震作用和位移比時，考慮；計算層間位移角、雙向地震作用和周期比計算時，可不考慮。

3 計算結(jié)果中參數(shù)分析調(diào)整

經(jīng)過建模和參數(shù)設(shè)置，計算完成后，分析計算結(jié)果文字數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)，如圖2所示。通過數(shù)據(jù)分析對結(jié)果進行判斷和調(diào)整，確保模型及計算結(jié)果的正確、經(jīng)濟與合理。

圖2 SATWE后處理文本文件示意圖

大部分學(xué)生計算完成之后，軟件操作到此并沒有結(jié)束，接下來要做的就是分析計算的結(jié)果。如有問題，需調(diào)整后重新計算；沒有問題，可以出圖和計算書，一般不可能一次計算成功，需多次反復(fù)地調(diào)整和重新計算，直到所有指標均滿足要求。

PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制指標，即計算結(jié)果的文本和圖形數(shù)據(jù)。圖形文件可查看模型質(zhì)量與剛度中心的位置、柱軸壓比、各工況下結(jié)構(gòu)空間變形簡圖、結(jié)構(gòu)整體空間振動簡圖及梁柱的超配筋情況等。

文本內(nèi)容較多，其中用于控制結(jié)構(gòu)整體性的指標有：軸壓比、周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比，需要學(xué)生理解每個參數(shù)的具體含義，在文本中的具體位置、規(guī)范限值等，而文本結(jié)果中有些參數(shù)需首要查看最容易出問題或不滿足、最難掌握和調(diào)整，如周期比、位移比、軸壓比。

基此，下文將分析這3個參數(shù)的控制原理和調(diào)整方法。

3.1 周期比

多層一般可不考慮周期比，控制位移比和剛度比即可，高層需考慮周期比。學(xué)生課堂練習(xí)中多層、較規(guī)則的結(jié)構(gòu)居多，但計算結(jié)果中也存在很多問題，當平動周期中的扭轉(zhuǎn)比重過大時，學(xué)生不會查看周期文本文件中的參數(shù)，不知道如何修改，如第一振型中平動系數(shù)0.58，扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.42。

這個計算結(jié)果不合理，第一振型為平動振型，平動中的扭轉(zhuǎn)比重大，抗震效果差，應(yīng)該調(diào)整。即把平動系數(shù)調(diào)大，扭轉(zhuǎn)系數(shù)調(diào)小，調(diào)整的原則是加強周邊構(gòu)件的剛度，削弱中間墻體，周邊均勻、對稱，讓結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心盡量接近。規(guī)范對平動系數(shù)取多少才算是純粹的平動沒有明確的規(guī)定，一般簡單、規(guī)則的多層結(jié)構(gòu)大于0.8就完全可以，但有的學(xué)生平動系數(shù)為0.5，經(jīng)查看為模型建模出錯所致。

PKPM輸出文件中未直接給出周期比，需自行計算。一般單塔結(jié)構(gòu)，第一、第二周期為平動周期，第三周期為第一扭轉(zhuǎn)周期。平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)相加等于1，如平動系數(shù)大于0.5，該振型為平動振型；扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5，為扭轉(zhuǎn)振型[6]。對一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)還應(yīng)結(jié)合“結(jié)構(gòu)整體空間振動圖”信息來進行判斷。

多塔結(jié)構(gòu)應(yīng)分成多個單塔，按多個結(jié)構(gòu)分別計算、驗算周期比。周期比不滿足要求時,說明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度較側(cè)移剛度偏小需要給予調(diào)整。

調(diào)整方法如下：

(1)通過調(diào)整整體結(jié)構(gòu)布置，加強結(jié)構(gòu)外圍墻、柱或梁的剛度(減小第一扭轉(zhuǎn)周期)。

(2)適當削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度(增大第一平動周期)。

(3)主軸方向上周期短的，就減小該方向上的抗側(cè)構(gòu)件剛度；周期長的，就加大該方向的抗側(cè)構(gòu)件剛度，同時注意各層位移比。

(4)周邊布置要均勻、對稱、連續(xù)，有較大凹凸的部位加拉梁等(減少變形)。

3.2 位移比

位移比主要用于控制結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性，位移比過大，說明結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性差，結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心偏移距離較大，容易形成結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對結(jié)構(gòu)造成不利影響。

學(xué)生課程練習(xí)中，問題最多的就是位移比，當位移比不滿足時，不知如何重新調(diào)整和設(shè)置結(jié)構(gòu)。首先要明確,位移比僅考慮柱、墻頂節(jié)點的位移，是在剛性樓板假定下計算的；注意位移比不滿足的樓層，明確調(diào)整的位置和目標，局部調(diào)整比整體調(diào)整更有效更經(jīng)濟。調(diào)整方式如下：

(1)找出最大最小位移節(jié)點的位置和數(shù)據(jù)：最大位移比往往出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的四角，可以搜索SATWE“分析結(jié)果圖形和文本顯示”中的“各層配筋構(gòu)件編號簡圖”中快速找到位移最大的節(jié)點，加強該節(jié)點對應(yīng)的墻、柱等構(gòu)件的剛度[7]。

(2)也可找出位移最小的節(jié)點削弱其剛度。

(3)考慮偶然偏心時位移比容易出現(xiàn)超限現(xiàn)象，查找位移比在哪里超限，結(jié)合結(jié)構(gòu)變形圖找出X和Y方向。X+、X-、Y+和Y-4個方向，右為X正方向，上為Y正方向，哪個方向超限，就可以調(diào)整其附近柱或梁的截面。

注意位移角計算時不考慮偶然偏心，因偶然偏心的工況結(jié)果較標準地震工況的結(jié)果偏大。但教學(xué)過程中，大部分學(xué)生計算位移比和位移角時均考慮了偶然偏心，這樣就會使結(jié)構(gòu)在其它指標都合適的情況下加大構(gòu)件，造成不經(jīng)濟。

3.3 軸壓比

軸壓比在圖形文件輸出中查看，軸壓比超限，結(jié)構(gòu)延性無法保證；軸壓比過小，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性較差。

該參數(shù)學(xué)生較容易掌握，當軸壓比超限時，可加大柱、墻的截面或者提高該樓層混凝土的強度等級。但如果過小，軸壓比具體算到多少較合適，大部分學(xué)生對經(jīng)濟性的范圍把握不好，課程教學(xué)中讓學(xué)生預(yù)留10%～20%的安全余量，如三級抗震的框架結(jié)構(gòu)，柱軸壓比限值0.85，柱子軸壓比在0.6～0.8之間為宜。

4 結(jié)語

學(xué)生在學(xué)習(xí)PKPM軟件過程中，不僅需要讀懂建筑圖、組建結(jié)構(gòu)模型，更重要是能夠合理設(shè)置計算參數(shù)和分析計算結(jié)果，以及對出現(xiàn)問題的合理解決。

PKPM軟件中的分析模塊和后處理模塊涉及到設(shè)計參數(shù)的輸入及調(diào)整等問題，該參數(shù)內(nèi)容多而且學(xué)生掌握起來困難，教學(xué)中根據(jù)前處理和后處理把計算參數(shù)分成兩大類。第一類計算前SATWE設(shè)計參數(shù)又分4類，重點介紹了振型數(shù)、周期折減系數(shù)、偶然偏心等參數(shù)，總結(jié)了第二類計算結(jié)果中周期比、位移比和軸壓比的使用和調(diào)整方法，方便學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)、理解和記憶，起到一定的引導(dǎo)作用。

[1] 范小平.PKPM軟件在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題[J].重慶建筑，2008(02):28-30.

[2] 歐澤霖.淺談多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題[J].科技信息，2009(23):264-265.

[3] 陸湘昆,王東.應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件應(yīng)重視的問題[J].四川建筑科學(xué)研究，2005(05):39-41.

[4] JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5] 張敬書,姜麗娜,馮立平,等.周期折減系數(shù)合理取值的探討[J].建筑技術(shù)，2010(01):49-51.

[6] 趙海燕.應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件SATWE進行計算的參數(shù)選取[J].四川建材，2014(06):73-74.

[7] 張宇鑫,劉海成,張星源.PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用(第2版)[M].上海:同濟大學(xué)出版社,2010.

The Control and Adjustment for The Important Parameters of PKPM Course Teaching

FENGZhengwei

(Department of Civil Engineering, Xiamen University Tan Kah Kee College,Zhangzhou 363105)

In view of the problems about the application of design parameters in PKPM teaching, the paper summarized and classified all kinds of calculation parameters. The principle, value and influence on the calculation results about the number of modes, the period shortening factor and occasional eccentricity were introduced. The connotation and significance of the period ratio, displacement ratio and axis compression ratio in the output text of SATWE post processing are analyzed, and the method of control and adjustment were proposed.

Mode number；Period shortening factor；Occasional eccentricity；Period ratio；Displacement ratio

豐正偉(1983.10- )，男，講師，工程師。

E-mail:21584743@qq.com

2017-02-16

TU3

A

1004-6135(2017)06-0145-04