简述PKPM 框架结构设计

张迎春

(中铁二十局集团第六工程公司，陕西西安 710016)

1 框架结构特点

一般用于多层结构及小高层结构，适用高度范围一般为60.0 m以下(6 度设防)，高宽比6 ～2，见《高规》4.2.2 条、4.2.3 条。

2 工程概况

本工程为钢筋混凝土框架办公楼，地上12层＞10层、檐口标高29.700 m＞28 m为高层建筑，包括两层装饰层，无地下室，抗震设防烈度7度(0.1g)，A级高度钢筋混凝土高层建筑。檐口标高29.700 m ＜55 m，高宽比 =29.7/11.9=2.5 ＜4，符合设计要求，设计年限50年，建筑物重要性类别为二类，安全等级二级，框架抗震等级三级，剪力墙抗震等级为四级，基础类别为柱下独立基础，楼梯为双跑钢筋混凝土楼梯，采用钢筋混凝土剪力墙电梯井井下独立筏板。修正后的基本风压0.45 kN/m2，地面粗糙度类别B类。

3 建立全楼结构模型并校核

根据以上信息采用PKPM进行计算。用PMCAD建立全楼结构模型，完成各层楼板楼面的详细布置，生成荷载信息。步骤:1)轴线输入。2)网格生成。3)构件定义。4)楼层定义。坡屋面设屋脊为上节点标高。5)本层信息。6)荷载定义，恒载是考虑板自重的恒荷载的标准值，不做结构计算用的填充墙，应折算成梁间均布线载输入直接加到所作用的结构构件上。楼梯间开大洞，人工把荷载导算后加到周围的梁、墙上去或者楼梯间板厚设为0，再设定倒荷方式与平均面荷载。7)楼层组装。8)设计参数。9)保存文件。10)平面荷载显示校核。11)生成板图。

4 计算及参数说明

1)接PMCAD补充输入、生成SATWE数据、数据检查及计算。2)结构内力，配筋计算。3)选择总刚分析方法。4)钢筋混凝土构件表面抹灰时，容重取28 kN/m3。5)修正后的基本风压选50年一遇的风压采用，但应不小于0.3 kN/m2。6)地震信息中高层建筑应选考虑偶然偏心和考虑双向地震作用。7)周期折减系数取0.7。8)调整信息中梁端负弯矩调幅系数取0.85，见《高规》5.2.3 条。9)剪力墙加强区的高度见《高规》7.1.9 条、10.2.4 条。10)0.2Q0见《高规》10.2.7条。11)梁柱重叠部分不简化为刚域，这样就不降低梁的内力。

5 程序计算结果

1)轴压比限值为0.6＜0.80。2)由于框架柱作为唯一的抗水平力构件，此结构在水平荷载(风荷载及地震荷载)的作用下，水平位移及层间位移为最大，层间位移角为1/1 329＜Δμ/h=1/550。

6 框架结构布置的原则

框架结构应设计成双向梁柱抗侧力体系，主体结构除个别部位外，不应采用铰接。框架结构平面布置的平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。框架梁柱中心易重合，柱网的开间与进深，应根据建筑使用功能要求，结合受力的合理性、方便施工、经济等因素确定。框架竖向布置规则、均匀，柱子布置应均匀、对称、连续，同层各柱截面尺寸宜相同，避免短柱，应使各柱抗侧力刚度大致相同。上下柱截面中心对齐。

7 框架梁截面尺寸

1)应根据承受的竖向荷载大小、跨度、抗震设防烈度、混凝土强度等级等因素综合考虑确定。2)在一般荷载情况下，框架梁截面高度h可按计算跨度的1/18～1/10，且不小于400 mm，也不大于1/4的净跨。3)梁宽b不宜小于1/4h，且不小于200 mm。4)当梁高度较小时，除验算承载力外，尚应注意满足刚度及剪压比的要求。5)在计算梁的挠度时，可扣除施工的合理起拱值。6)对现浇梁板宜考虑梁受压翼缘的有利影响。

8 框架柱截面尺寸

1)可根据柱间支撑的楼层面积计算由竖向荷载产生的轴力设计值Nv(荷载分项系数可取1.25)。

2)可按以下公式估算柱截面面积Ac，然后再确定柱边长。a.非抗震设计时:N=(1.25 ～1.2)Nv，Ac≥(N/fc)。b.抗震设计时:N= ζNv，Ac≥(N/μNfc)，增大系数 ζ，框架结构外柱取 1.3，不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2，轴压比限值 μN见《高规》6.4.2 条。c.柱截面尺寸非抗震时不宜小于250 mm，抗震设计时不宜小于300 mm，圆形柱子直径不宜小于350 mm。d.柱子高宽比不宜大于3。e.柱子剪跨比不宜小于2，并且受剪截面满足见《高规》6.2.6条。f.当框架柱所受弯矩较大时，还应根据弯矩确定柱截面尺寸。g.现浇框架柱混凝土的等级，见《高规》6.1.8 条，6.1.9 条。

9 框架的水平荷载

1)风压标准值计算公式为:WK= βzμsμZW0，见《高规》3.2.1 条，框架结构 T=(0.08～1.00)N，其中，N为结构层数，见《高规》3.2.6 条。

2)地震作用:a.各抗震设防类别的高层建筑地震作用的计算，甲类、乙类、丙类建筑抗震设防烈度计算见《高规》3.3.1条、4.8.1条，《抗规》3.1.3 条。b.计算方法采用振型分解反应谱法、底部剪力法、弹性时程分析法，见《高规》3.3.4条。c.竖向地震作用:按公式《高规》(3.3.14-1～4)计算，并宜乘以 1.5的放大系数。对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数。d.0.2Q0调整:《抗规》6.2.13 条，《高规》8.1.4 条。e.边榀地震作用效应调整:《抗规》5.2.3 条。f.《高规》5.1.14 条规定薄弱层的措施。g.竖向不规则的建筑结构:《抗规》3.4.3条。h.转换梁地震作用下的内力调整见《高规》10.2.6条规定。

10 作用效应组合

基本公式非抗震设计时由可变荷载控制的组合:S=γGSGK+γQ1SQ1K+∑γQiΨQiSQiK，非抗震设计时由永久荷载控制的组合S= γGSGK+ ∑γQiΨQiSQiK，抗震设计时的组合 S = γGSGE+γEhSEhK+ γEVSEVK+ ΨWγWSWK，系数:见《荷载规范》3.2.5条，《高规》5.6.2，5.6.4 条，《抗规》5.1.3 条。

11 设计内力调整

梁设计剪力调整:《抗规》第 6.2.4 条和《高规》第 6.2.5，7.2.22条规定，抗震设计时，特一，一，二，三级的框架梁和抗震墙中跨高比大于2.5的连梁，其梁端截面组合的设计剪力值应调整。柱设计内力调整:为了体现抗震设计中强柱弱梁概念设计的要求，《抗规》第6.2.2，6.2.3，6.2.6，6.2.10 条和《高规》第4.9.2，6.2.1，6.2.4，6.2.6 条规定抗震设计时，特一，一，二，三级的框架柱、框架结构的底层柱下端截面、角柱、框支柱的组合设计内力值应调整。

12 结构整体性能控制合理性指标

1)柱轴压比计算。

柱轴压比指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。非抗震计算的结构，取无地震作用组合的轴压力设计值，主要控制竖向构件的延性。见《抗规》6.3.7条、《高规》6.4.2条和《混凝土规范》11.4.16 条，《高规》8.1.3 条。

2)剪重比控制。

剪重比指结构任意楼层的水平地震剪力与该层及其上各层总重力荷载代表值的比，一般是指底层水平剪力与结构总重力荷载代表值的比，是最小地震剪力调整。它反映结构的刚柔程度，见《高规》3.3.13 条。

3)位移控制。

位移比是反映结构平面规则与否的重要依据，同时也反映了结构抗侧力构件布置的合理性和有效性。它侧重控制结构侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，层间位移限值见《高规》4.6.3条。

4)周期比。

它反映结构扭转刚度与侧向刚度之间的一种相对关系，同时也反映了结构抗侧力构件布置的合理性和有效性。主要控制结构在地震作用下的扭转效应。《高规》第4.3.5条规定周期比不应大于 0.9。

5)刚度比。

刚度比主要控制结构的稳定性，防止结构产生滑移和倾覆，也是重力二阶效应的主要参数。为了保证结构竖向刚度变化的均匀性，防止出现刚度突变的情况。它是衡量结构竖向规则与否的重要标志，见《高规》第5.4.1，5.4.4 条。

13 梁、柱、墙配筋计算

框架梁抗震设计时梁端纵向受拉钢筋的配筋见《高规》6.3.2，6.3.3，6.3.4，6.3.5 条。

中柱、边柱纵向钢筋最小配筋率二级为0.8%，见《高规》6.4.3 条，柱箍筋加密区见《高规》6.4.6 条，柱箍筋加密区箍筋的体积配箍率 ρv=0.17fc/fyv≥0.6%，见《高规》6.4.7 条。钢筋锚固见《高规》6.5.3 条。

14 地基基础设计

1)地基基础设计包括基础设计和地基设计两部分。基础设计:基础的形式选择、基础埋深、基础底面大小的确定、基础内力和断面计算等。地基设计:地基土承载力的确定、地基变形计算、地基稳定性计算等。如果承载力不足和压缩性很大而不能满足设计要求时要进行地基处理。

2)基础分类包括天然地基上的浅基础、人工处理后的浅基础、桩基础、深基础。

3)浅基础设计:a.选择基础的材料、类型和平面布置。b.确定地基持力层和基础埋深。c.确定地基承载力。d.确定基础尺寸。e.必要时进行地基变形和稳定性验算。f.绘制基础施工图和施工说明。

4)本工程基础落在粉质粘土层上fk=160 kPa。混凝土垫层C15，基础及连梁C25;环境类别为Ⅱb。基础施工图见图1。

图1 基础平面图

15 结语

框架结构布置灵活，具有较大的空间，使用较为方便。本篇设计的A级高度框架结构。PMCAD建立全楼结构模型、生成SATWE数据、数据检查及计算、绘制施工图。强调了“强柱弱梁”“强剪弱弯”“强节点”“强锚固”。混凝土柱要求设计成大偏压。主要介绍框架的风压、地震作用等水平荷载和结构整体性能控制合理性指标。

［1］建筑钢筋混凝土结构工程设计实例［Z］.

［2］框架结构施工图设计实例［Z］.