PKPM软件在高层结构计算中的应用及调整方法

徐小朝

(漯河市诚信岩土工程勘察有限公司,河南漯河 462000)

PKPM软件在高层结构计算中的应用及调整方法

徐小朝

(漯河市诚信岩土工程勘察有限公司,河南漯河 462000)

本文通过对《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》中技术指标的扼要说明,阐述了轴压比、剪重比、刚度比、位移比、周期比、刚重比、层间受剪承载力比的设计要求和调整方法

高层结构计算 应用及调整

随着我们国家的经济发展和土地节约化利用，高层建筑得到迅速发展，建筑外型及平面越来越多样化，结构体系也随之多样和复杂。如何保证结构的的安全和建筑成本的控制，就要求设计人员在利用软件计算过程中，能正确判别技术指标和结构参数的准确度和有效性，因此高层结构设计时，所需控制的七个指标参数必须予以重视，才能保证结构的安全适用和实现建筑成本的经济合理。

(1)轴压比(μ=N/fcA)：限制轴压比主要是为了保证竖向承重构件的塑形变形能力，保证结构有较强的抗地震倒塌能力。

点击PKPMSATWE软件第4栏框“分析结果图形和文本显示”，在SATWE后处理-图形文件输出的“梁弹性挠度，柱轴压比，墙边缘构件简图”中，直观看到轴压比数值，数值为红色的，说明超出规范允许值要求，设计人员应判明原因找出解决方法。

当轴压比超出规范允许值要求时，可以采用以下调整方法：

1)试用软件调整：SATWE软件没有轴压比调整的程序设置，故不采用。

2)人工调整：超出规范限值较少时，可以提高该楼层墙、柱混凝土强度等级，超出限值较多时，应该加大该处剪力墙、框架柱截面尺寸。

(2)剪重比(地震作用与重力荷载代表值的比值)：为保证结构基本周期大于3s的房屋结构安全性，规范提出对各楼层的最小水平地震剪力进行限制。

剪重比是规范考虑长周期结构采用底部剪力法和振型分解反应谱法计算时，因为地震影响系数α的取值可能偏低，造成相应计算的水平地震作用标准值偏小，因此考虑结构安全必要性，规范规定了楼层水平地震剪力的最小值.见《高层技术规程》4.3.12公式VEKi≥λ∑Gi，λ-水平地震剪力系数，剪重比不满足规范要求的调整措施：

1)软件程序的调整：当剪重比偏小与规范限值相差不大(如剪重比达到规范限值的80%以上)时，下列三个方法中任选取其一进行调整：①SATWE“分析与设计参数补充定义”内“调整信息”选项中，勾选“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内力”，②SATWE“调整信息-地震作用调整”，在“全楼地震作用放大系数”框内，输入大于1的系数，以增加水平地震作用，③SATWE“地震信息”，在“周期折减系数”框内，适当减小系数的数值。

2)结构构件调整：当计算的剪重比偏小，与规范允许限值偏差较大时，应考虑增加竖向承重构件的截面尺寸，进一步提高整体结构的侧向刚度。

(3)刚度比：主要为保证结构竖向布置的规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层，导致地震时变形过于集中，出现严重灾害甚至倒塌。

柱轴压比限值(见《抗震规范》表6.3.6)

抗震设计时，高层建筑相邻楼层的侧向刚度变化应符合下列规定，见《高层规程》3.5.2。

1)对于框架结构，该层与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8，与相邻上层侧向刚度比值不宜小于0.7。

2)对于框剪结构、剪力墙结构、框筒结构等，该层与相邻上层侧向刚度比值不宜小于0.9；当本层层高大于相邻上层层高1.5倍时，比值不宜小于1.1。

对于形成的薄弱层则按《高层技术规程》3.5.8，所对应的地震作用标准值的剪力，乘以1.25的增大系数予以加强。

(4)位移比：位移比的大小是反映结构平面规则与否的重要依据，平面不规则的结构，容易造成扭转效应的显著增加，扭转效应过大会对结构产生不利影响。

考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移的要求，见《高层技术规程》3.4.5条。

在PKPMSATWE软件“分析结果图形和文本显示”中，可在“文本文件输出”的结构位移WDISP.out文档中，查到每个工况下，在地震作用下各个楼层的最大位移。

位移比不满足规范要求时，可以按以下方法进行调整：

1)程序调整：SATWE软件不能对程序参数修改，达到实现位移比的调整。

2)结构调整：通过调整结构平面布置，尽量保证平面规则性，减小结构刚度中心与质量中心的偏心距离；

①位移比是在刚性楼板假定下计算的，在结构的边角部位往往出现最大水平位移与层间位移值；通过调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，达到降低结构刚度中心与质量中心之间偏心距的目的。

②对于位移比超出规范要求的楼层，在SATWE程序“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”内，利用程序节点查询，找到对应位移最大的节点号，提高该节点对应位置结构构件的侧向刚度(加大截面尺寸最为有效)，直到位移比满足规范要求。同样也可以找到位移最小的节点，可以降低该节点对应位置剪力墙、框架柱等构件的刚度，降低工程造价成本。

(5)周期比：为减小扭转效应对结构产生不利影响，对结构的周期比值规范提出了要求。

在SATWE软件“分析结果图形和文本显示”中，可在“文本文件输出”的周期阵型地震力WZQ.out文档中，查到每个阵型号的周期、转角、平动系数和扭转系数。

出现周期比不满足规范要求时，常见做法是调整平面布置。总的调整原则是加强结构外围承重构件的刚度，减弱结构内筒的刚度。

(6)刚重比(结构的侧向刚度和重力荷载设计值之比)，是影响重力二阶效应的主要参数，主要目的为控制结构的稳定性，避免结构产生滑移和倾覆。

1)剪力墙结构、框剪结构、板柱剪力墙结构和筒体结构。

2)框架结构。

不满足规范要求时调整方法如下：①刚重比不满足规范上限要求，在SATWE软件程序“分析和设计参数补充定义”中“设计信息”内，勾选“考虑P-Δ效应”此项，程序会自动计入和计算重力二阶效应的影响。②结构调整：刚重比不满足规范下限要求，通过加强剪力墙、框架柱等竖向构件的刚度，达到满足规范要求的目的。③规范给定的刚重比的上限值是2.7，当小于这个值时需要考虑重力二阶效应；当大于这个值时没有必要考虑重力的二阶效应。

(7)层间受剪承载力比，是为了保证结构的竖向规则性，避免楼层结构构件竖向不规则，造成受剪承载能力沿竖向突变，在该楼层形成薄弱层。

层间受剪承载力比不满足规范要求时，按以下方法调整：

1)程序调整：在SATWE软件程序“调整信息”中的“指定薄弱层个数”选项内，填入对应的楼层层号，将该楼层强制定义为薄弱层，SATWE软件会按程序设定将该楼层地震剪力放大1.15倍。

2)人工调整：提高本层竖向承重构件的强度，如增加框架柱箍筋和剪力墙水平分布筋、提高混凝土强度等级或加大截面尺寸，以提高本层抗侧力构件的抗剪承载能力，或可以减弱上部相关联楼层的抗剪承载能力，达到调整目的。

(8)总述。综述以上参数的含义，只是做好高层结构概念设计的初步，还要依靠长时间的工作积累和多项工程的经验总结，设计人员要灵活掌握规范条文，勤学多练，才能设计出好作品。

结构专业从最初的方案阶段，就要配合各专业做好基本工作，为接下来的设计阶段打好基础，无形中减少工作量提高工作效率。结构设计人员要具备责任意识，选择合理的结构体系，构件布置要符合传力途径简单化，这对业主控制建筑成本很关键，对于减少材料使用，降低能源消耗，促进社会环境改善也有重大意义。

[1]建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S].

[2]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S].

[3]多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例[M].张维斌：中国建筑工业出版社,2011.10.

[4]施岚清.一二级注册结构工程师专业应试指南[M].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[5]PKPM软件及用户使用手册.