黃昌厚　李佩佩

摘要：為了使廣大結構設計人員能正確理解規(guī)范對結構幾種控制參數的意義，并且能正確運用PKPM軟件進行建筑結構設計，文章以銀座商城工程為例，針對PKPM軟件中部分關系到整體計算結果的參數如何取值及如何調整，如何確定整體結構的合理性，如何對結構構件進行優(yōu)化設計等問題予以解決，使結構設計人員能夠在以后的設計中充分掌握PKPM軟件的計算步驟、設計要點和注意事項，以使結構設計更加趨于科學化、合理化。

關鍵詞：PKPM；結構設計；科學化；合理化

PKPM結構設計軟件是中國建筑科學研究院開發(fā)研制的工程設計軟件，雖然其結構設計、計算的精確性、穩(wěn)定性都得到了廣大設計人員的青睞，但很多結構設計人員并未能正確使用PKPM軟件進行結構設計?，F(xiàn)以某商城工程的設計為例，對PKPM軟件正確的計算步驟和以及一些調整方法進行闡述。

1.工程概況

本商城項目為綜合商業(yè)建筑，地下一層，地上五層，結構高度24.55米，東西寬62.5m，南北長為152m，建筑等級二級，設計使用年限為50年，建筑耐火等級為地下一級、地上二級，抗震設防烈度為七度，鋼筋混凝土框架結構，抗震設防類別為乙類，框架抗震等級為二級。工程總建筑面積為56761.9m²（其中地上建筑面積為：44436.2m²，地下建筑面積為：12325.7m²）。

2.整體參數及結構構件的初步設定

計算開始以前，設計人員首先要根據新規(guī)范的具體規(guī)定和PKPM軟件手冊對參數意義的描述，以及建設方要求和工程地震安全性評價報告并結合工程的實際情況，對軟件初始參數和特殊構件進行正確設置，本工程地面口以下為一層，是全埋式地下室，地上五層，設計時將建筑的嵌固部位設置在地下室頂板處。結結構形式為框架結構，平面形狀較為規(guī)則，樓面有天井，形成樓板開洞較大，平面樓板局部不連續(xù)，但開洞面積均不超過樓層面積的30%；豎向上各層層高接近，豎向構件連續(xù)，豎向剛度基本均勻，質量和剛度沒有突變，看似并不復雜，但有幾個參數是關系到整體計算結果的，必須首先確定其取值，才能保證后續(xù)計算結果的正確性。

2.1振型組合數的取值

該值取值太小不能正確反映模型應當考慮的振型數量，使計算結果失真；取值太大，不僅浪費時間，還可能使計算結果發(fā)生畸變.一般而言，振型數的多少與結構層數及結構自由度有關，當結構層數較多或結構層剛度突變較大時，振型數應當取的多些（如有彈性節(jié)點、多塔樓、轉換層等結構形式）c振型組合數取值是否合理，可以參照軟件計算書中的x和y向的有效質量系數是否大于0.9來確定。若小于0.9，則需增加振型個數，直到兩個方向的有效質量系數都大于0.9為止。必須指出的是，結構的振型組合數并不是越大越好，其最大值不能超過結構的總自由度數。該工程為5層框架結構，帶1層地下室，結構質點數為6，振型組合數輸入18（6x3=18），計算結果文件中x和Y向有效質量系數分別為92.2%、93.2%，皆大于90%，說明這個取值是正確合理的。

2.2最大地震力作用方向

最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用，結構地震反應的大小也各不相同，那么必然存在某個角度使得結構地震反應值最大、最不利的地震作用方向。設計軟件可以自動計算出最大地震力作用方向并在計算書中輸出，設計人員一旦發(fā)現(xiàn)該角度的絕對值大于15°時，應將所得數值回填到軟件的“斜交抗側力構件方向附加地震數，相應角度”里并重新計算，以體現(xiàn)最不利地震作用方向的影響。該工程平面接近矩形，計算結果地震最大作用方向為1°<15°，所以無需重新填入選項中再計算。

2.3結構基本周期

結構基本周期是計算風荷載的重要指標，設計人員如果不能事先知道其準確值，先期計算時可以保留軟件的缺省值，待計算后從計算書中讀取其值，填入軟件的“結構基本周期”選項，對于計算結果為哪個方向的基本周期，可以由兩種方法確定：

（1）查看周期計算文件中平動系數項，此數值是由x和y兩項數值組成，x和y兩個數值可以視作x和y兩個方向，哪個數值大即本周期對應哪個方向的基本周期，但要注意此周期不能是局部振動產生的周期。

（2）查看軟件的“結構整體空間振動簡圖”，查看周期所對應的振動方向以確定該周期為哪個方向的基本周期。

該工程經反復計算后，結構x向基本周期為1.1811，Y向基本周期為1.2495，將其結果回代人軟件的“結構基本周期”選項即可。

3.整體結構合理性的控制

整體結構的合理性是新規(guī)范特別強調的內容。新規(guī)范用于控制結構整體性的主要指標有周期比、位移比、剛度比、剪重比等。

3.1周期比的確定

周期比是控制結構扭轉效應的重要指標，其目的是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理，使結構不至出現(xiàn)過大的扭轉，也就是說，周期比不是要求結構足夠結實，而是要求結構布局合理。《高規(guī)》第3.4.5條對結構扭轉為主的第一自振周期Tt（扭轉周期）與平動為主的第一自振周期T1（平動周期）之比的要求給出了規(guī)定：A級高層建筑不應大于0.9，B級高層建筑不應大于0.85。該工程建筑高度為24.55m，屬于A級高層建筑。以下介紹周期比計算方法：

（1）扭轉周期與平動周期的判斷：從計算書中找出所有扭轉系數大于0.5的扭轉周期，按周期值從大到小排列。同理，所有平動系數大于0.5的平動周期值從大到小排列。

（2）第一周期的判斷：從列隊中選出數值最大的扭轉、平動周期，查看軟件的“結構整體空間振動簡圖”，看該周期值所對應振型的空間振動是否為整體振動，如果其僅僅引起局部振動，則不能作為第一扭轉、平動周期，要從隊列中取出下一個周期進行考察，以此類推，直到選出不僅周期值較大而且其對應的振型為結構整體振動的值即為第一扭轉、平動周期。

（3）周期比計算：將第一扭轉周期值除以第一平動周期即可。

如果周期比不滿足規(guī)范的要求，說明該結構的扭轉剛度不足，設計人員需要增加結構周邊構件的剛度，降低結構中間構件的剛度，以增大結構的整體抗扭剛度。該工程體量較大，又因為工程平面長寬比較大（Y方向長度為152m，x方向寬度為62.5m），結構平面的扭轉的效應必然會很明顯，經過初步的計算得出周期比達到0.93，顯然不滿足規(guī)范要求，結構需要調整，正如前面所說，設計者對結構采取兩項調整措施：

（1）x方向兩端兩跨框架柱截面，框架柱截面由構造的700X700改為800X800。

（2）將結構的x方向框架梁的梁高加高50mm，寬度加大100mm。

經過以上調整，得出本工程的周期、陣型輸出結果如下表所示：

根據以上結果可得出本工程的周期比為0.899<0.9，滿足規(guī)范要求。

3.2位移比的確定

位移比（層間位移比）是控制結構平面不規(guī)則性的重要指標，其限值在《高規(guī)》中有明確的規(guī)定（A級高層建筑層間位移比不宜大于1.2，不應大于1.5）c新規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出的，如果不考慮剛性樓板的假定，那么樓板薄弱的地方位移就會偏大，樓板強的地方位移就會偏小，這些都是局部的變化，此時算出來的位移比也是毫無意義的，不能反映出整個結構的扭轉情況，所以計算位移比時，應該在剛性樓板假定的條件下進行，以便計算出正確的位移比。

3.3剛度比的確定

剛度比是控制結構豎向不規(guī)則的重要指標，根據《建筑抗震設計規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）和《高規(guī)》的要求，軟件提供了3種剛度比的計算方式，分別是剪切剛度、剪彎剛度和地震力與相應的層間位移比。正確認識這3種剛度比的計算方法和適用范圍是剛度比計算的關鍵，其計算方法和適用范圍：

（1）剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉換結構及對地下室嵌固條件的判定；

（2）剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉換結構；

（3）地震力與層間位移比是執(zhí)行《抗規(guī)》第3.4.2條和《高規(guī)》第3.3.5條的相關規(guī)定，通常絕大多數工程都可以用此法計算剛度比，這也是軟件的缺省方式。

該工程采用第3種剛度比計算方法。經初步計算發(fā)現(xiàn)該工程縱橫向剛度相差較大，為了解決此種問題設計者采取了兩項措施：

（1）增大剛度較小方向的柱子截面寬度，提高整體該方向豎向構件的剛度。

（2）增大剛度較小方向的主框架梁的線剛度，該方向框架梁的截面高度、寬度進行有意識的加大。

經過以上調整結構地上一層縱橫向的剛度比4.7252/4.2823=1.10（x方向剛度4.7252E+06（kN/m），Y方向剛度為4.2823E+06（kN/m）），其他樓層同理兩個方向剛度相差不超過15%，說明本工程兩個方向的剛度接近，滿足規(guī)范的要求。

3.4剪重比的確定

剪重比是抗震設計中非常重要的參數，規(guī)范之所以規(guī)定剪重比，主要是因為長周期作用下，地震影響系數下降較快，由此計算出來的水平地震作用下的結構效應可能太小。出于安全考慮，規(guī)范規(guī)定了各樓層水平地震力的最小值，該值如果不滿足要求，則說明結構有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位，必須進行調整。該工程x向樓層最小剪重比為3.25%，y向樓層最小剪重比為3.14%，均大于《抗規(guī)》第5.2.5條要求的最小剪重比1.6%。

經過以上結構整體洼主要指標的控制，結構的整體安全性就得到了保證，下面就可以對結構構件進行優(yōu)化調整了。

4.抗震措施

在施工圖設計階段，還必須滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求。《混凝土結構設計規(guī)范》（以下簡稱《混規(guī)》）《高規(guī)》和《抗規(guī)》對結構的構造提出了非常詳盡的規(guī)定，這些措施是很多震害調查和抗震設計經驗的總結，也是保證結構安全的最后一道防線，設計人員不可麻痹大意。施工圖生成以后，該工程各種特殊或薄弱部位構件的最小縱筋直徑、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密區(qū)長度、鋼筋搭接錨固長度、配筋方式等經過逐一檢查均滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求（規(guī)范對這一部分的要求往往是以黑體宇寫出，屬于強制執(zhí)行條文，萬萬不可以掉以輕心）c對圖紙中的梁、板、柱、墻的尺寸配筋等也應與計算結果逐一核對，防止出現(xiàn)浪費和配筋不足的情況，做到合理優(yōu)化。對于個別構件因鋼筋歸并導致實際配筋與計算配筋相差較大而產生的超筋，需根據計算結果修改調整。

5.結語

設計人員在運用PKPM軟件進行結構設計時，需要根據工程的實際情況對軟件參數正確取值，合理調整結構使結構整體計算結果的各項指標在滿足規(guī)范要求的前提下，優(yōu)化構件并將概念設計貫穿于整個設計當中，使結構設計科學化、合理化。