糜凱華 於文歡 畢樹根

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮，水利工程對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想也在不斷更新。在注重實(shí)用性的同時(shí)，還開始強(qiáng)調(diào)其精神功能，這種設(shè)計(jì)思想的轉(zhuǎn)變，直接導(dǎo)致了泵站、水閘等上部建筑結(jié)構(gòu)的多樣化和體型、布置的復(fù)雜化。這樣一來，如何準(zhǔn)確地對(duì)這些特殊建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，就成了合理設(shè)計(jì)的基本前提。

現(xiàn)階段針對(duì)水利行業(yè)中框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，許多研究者開發(fā)出了結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器、水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集、ZDM新浪潮工具箱、理正結(jié)構(gòu)工具箱，遺憾的是這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件均局限在二維層面，較難準(zhǔn)確地描述構(gòu)件的實(shí)際受力情況；而在工民建行業(yè)，則有PKPM[1]、YJK、SAP84、SAP2000[2]、ETABS[3]、Midas Gen等三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，特別是PKPM的應(yīng)用最為廣泛。工民建行業(yè)PKPM軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而水利行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)為水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，盡管兩類標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)式及分項(xiàng)系數(shù)的選擇上有所不同，但配筋計(jì)算的核心原理基本一致，并不影響PKPM在水利工程中的推廣應(yīng)用。

為提高水利工程設(shè)計(jì)效率，許多設(shè)計(jì)人員針對(duì)PKPM在水利工程框架結(jié)構(gòu)的分析提出多種改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[4-10]直接套用PKPM軟件進(jìn)行水利工程設(shè)計(jì)，忽略不同規(guī)范之間的差異性；文獻(xiàn)[11]分析了周期折減系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)、中梁剛度放大系數(shù)對(duì)配筋量的影響；文獻(xiàn)[12-13]提出在PKPM數(shù)據(jù)交互時(shí)，在每項(xiàng)荷載上事先乘以修正系數(shù)，再在計(jì)算出的配筋量上乘以一個(gè)修正系數(shù)；文獻(xiàn)[14]通過調(diào)整軟件參數(shù)，經(jīng)多次試算使配筋結(jié)果與常規(guī)計(jì)算基本一致，最終選定合理的一組參數(shù)；文獻(xiàn)[15]通過PKPM分析將配筋量乘以放大系數(shù)或折減系數(shù)。

以上改進(jìn)措施無論是對(duì)荷載、參數(shù)或是配筋結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，其成果均不具備普遍性，不能完全適用于水利工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文將基于PKPM軟件，結(jié)合多年使用經(jīng)驗(yàn)介紹在其水利工程框架結(jié)構(gòu)分析中的使用技巧，并以兩個(gè)算例驗(yàn)證其正確性。

1 PKPM在水利工程中的使用技巧

我國(guó)各行業(yè)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范基本上都采用以概率為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式不同之處在于：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式中采用3個(gè)分項(xiàng)系數(shù)(荷載分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù))，而水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在多系數(shù)分析基礎(chǔ)上，將幾個(gè)系數(shù)合并為一個(gè)安全系數(shù)，采用安全系數(shù)K表達(dá)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。框架結(jié)構(gòu)在兩種標(biāo)準(zhǔn)下的荷載組合及實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式見表1。

表1 框架結(jié)構(gòu)在不同標(biāo)準(zhǔn)下荷載組合及實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式對(duì)比

為使PKPM軟件正確應(yīng)用于水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文提出在PKPM中自定義組合及工況，將安全系數(shù)K整合到各工況荷載分項(xiàng)系數(shù)中。水利行業(yè)永久荷載分項(xiàng)系數(shù)γG1K取1.05、一般可變荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ1K取1.2、偶然荷載分項(xiàng)系數(shù)γAK取1.0。通過對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)下的承載力極限狀態(tài)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式對(duì)比分析可知，將荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值中每項(xiàng)荷載分項(xiàng)系數(shù)分別乘以安全系數(shù)K再除以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0，即可完成各工況下安全系數(shù)K的整合。各工況下荷載分項(xiàng)系數(shù)推導(dǎo)過程見表2。

表2 PKPM自定義組合荷載分項(xiàng)系數(shù)推導(dǎo)

在PKPM分析和設(shè)計(jì)參數(shù)補(bǔ)充定義對(duì)話框中，選擇荷載組合，組合信息，增加荷載組合及修改荷載分項(xiàng)系數(shù)，根據(jù)PKPM中自定義組合及工況表的格式，將表3中推導(dǎo)的荷載分項(xiàng)系數(shù)輸入，即可保證PKPM計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋基本符合水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，輸入自定義組合及工況表中荷載分項(xiàng)系數(shù)可以通過組合按鈕導(dǎo)出名為L(zhǎng)OADCOM.pm的文件，再次進(jìn)行水利工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過導(dǎo)入自定義組合按鈕導(dǎo)入該文件，可大幅度提高設(shè)計(jì)效率，將設(shè)計(jì)人員從煩瑣的數(shù)據(jù)輸入工作中解脫出來。

表3 PKPM自定義組合荷載分項(xiàng)系數(shù)

續(xù)表

2 算 例

本算例為重力壩壩頂人行道，橫向由兩塊預(yù)制實(shí)心板鋪設(shè)在壩體伸出懸臂梁上而成(見圖1)，每塊板的標(biāo)志寬度750mm，板厚100mm。

圖1 壩頂人行道簡(jiǎn)圖(單位：mm)1—預(yù)制板；2—壩體；3—懸臂梁

板上人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值3.0kN/m2。采用C25混凝土與HRB335鋼筋，保護(hù)層厚度25mm，人行道安全級(jí)別為Ⅲ級(jí)，基本組合承載力安全系數(shù)K=1.15，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=0.9。均布永久荷載(板自重)：gk=0.1×0.75×25=1.88kN/m；均布可變荷載(人群荷載)qk=3×0.75=2.25kN/m。

常規(guī)計(jì)算：荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值為

截面抵抗矩系數(shù)為

相對(duì)受壓區(qū)計(jì)算高度為

受拉鋼筋面積為

PKPM程序荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值計(jì)算時(shí)，按照本文提出的PKPM自定義組合及工況，將恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.3417、活載分項(xiàng)系數(shù)取1.5333，計(jì)算得彎矩包絡(luò)圖(見圖2)，跨中最大彎矩為5.8kN·m；PKPM程序配筋計(jì)算時(shí)，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式，將跨中最大彎矩乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=0.9，得γ0M=5.2kN·m，此值與《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)中KMs基本吻合，計(jì)算得配筋包絡(luò)圖見圖3，跨中截面配筋面積為312mm2，相比手算配筋面積大6.4%，這是由于不同計(jì)算程序?qū)孛嬗行Ц叨萮0取值的不同導(dǎo)致的，但總體來說PKPM程序計(jì)算成果基本上能滿足水利行業(yè)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

圖2 彎矩包絡(luò)(單位：mm)

圖3 配筋包絡(luò)(單位：mm2)

在二跨三層框架結(jié)構(gòu)中，安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)，基本組合承載力安全系數(shù)K=1.2，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0。結(jié)構(gòu)立面簡(jiǎn)圖、恒載圖、活載圖、風(fēng)載圖見圖4～圖7。

圖4 框架立面

圖5 框架恒載

圖6 框架活載

對(duì)兩跨三層框架結(jié)構(gòu)分別用結(jié)構(gòu)力學(xué)法和PKPM程序計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算時(shí)，恒載均乘以1.26分項(xiàng)系數(shù)，活載均乘以1.44分項(xiàng)系數(shù)；采

圖7 框架左風(fēng)荷載

用PKPM自定義組合及工況計(jì)算時(shí)，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.26，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.44。兩種計(jì)算方法所得彎矩設(shè)計(jì)值見圖8和圖9。

圖8 PKPM計(jì)算彎矩包絡(luò)(單位：kN·m)

圖9 結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算彎矩(單位：kN·m)

從圖8、圖9可以看出，兩種算法梁各跨中及端部彎矩值相差較小，基本在7%以內(nèi)，主要原因是用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，未考慮垂直于框架方向的梁系對(duì)框架的約束作用，而PKPM計(jì)算程序則考慮了垂直于框架梁系的約束作用，這樣必然增加平面內(nèi)梁柱節(jié)點(diǎn)部位的剛度，使得PKPM計(jì)算出來的邊跨端部彎矩較結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算值大；這也說明PKPM與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)更為接近，同時(shí)驗(yàn)證了PKPM自定義組合及工況計(jì)算程序應(yīng)用于水利工程框架結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性和適用性。

3 結(jié) 語(yǔ)

水利工程設(shè)計(jì)人員往往因理論知識(shí)掌握深度不足，對(duì)規(guī)范理解不到位，在應(yīng)用PKPM軟件進(jìn)行水利工程框架結(jié)構(gòu)分析時(shí)，完全依賴于計(jì)算軟件，忽略了軟件的適用范圍及功能特性，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果不能完全滿足安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀的效果。本文介紹使用PKPM軟件進(jìn)行水利工程框架結(jié)構(gòu)分析的使用技巧，同時(shí)給出算例展示PKPM軟件分析水利工程框架結(jié)構(gòu)問題的合理性、可靠性，以促進(jìn)PKPM軟件在水利工程泵站、水閘等上部框架結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。