PKPM軟件中若干結構變形問題的分析

劉鼎

(深圳市筑博工程設計有限公司  518029)

    近幾年，中國建筑科學研究院研發的建筑結構設計軟件一一PKPM系列軟件越來越被結構工程師接受并廣泛使用，本文從PKPM軟件的計算模式和分析原理出發，闡述了軟件在結構作用效應和構件設計方面有關結構變形問題的分析及設計時應注意的事項。

1、作用效應的計算和調整

    1.1模擬施工荷載

    一般實際工程施工順序為：先支本層模板，再進行鋼筋綁扎和澆搗混凝土，待混凝土達到規定強度后拆除本層模板(本層豎向恒載已施加到結構上)，然后按照此程序逐層施工，直到主體工程結束。結合工程實際，PKPM軟件提出了模擬施工荷載的方法，其分析原理如下：(1)在豎向恒載作用下，結構變形基本上是在施工過程中逐層形成(2)模擬施工荷載考慮的要素：(a)逐層形成結構剛度；(b)逐層找平；(c)逐層施加荷載；(d)逐層施工過程中，結構產生不均勻沉降變形。

    1.2四種模擬施工的計算方法

    1.2.1“一次性加載”

    此方法先假定結構主體已經完成，然后將豎向荷載一次性加載到結構上。由于結構各節點的變形完全協調，荷載所產生的彎矩在各節點都能保持平衡狀態，但是結構豎向位移往往偏大且豎向剛度差異明顯的構件間(如核心筒與框架柱)沉降差較大。

    1.2.2 “模擬施工1”

    該方法假定結構主體已經存在，荷載采用分層加載的方式到結構上，但計算出的各節點內力不能滿足平衡條件(圖1)。由于工程結構整體剛度已經形成，在某一層加載時，該層及其以下各層的變形受到此層以上各層剛度的影響。

    1.2.3“模擬施工2”

    與“模擬施工l”相比，主要區別在于先將豎向構件柱的剛度放大l0倍，然后按照“模擬施工1”進行計算。

    1.2.4“模擬施工3”

    該方法比較真實地反映結構豎向荷載的加載過程，即分層計算各層剛度，再分層施加荷載，分層找平(圖2)。此方法的計算結果應更符合工程施工加載實際。

    1.3設計中的注意事項

    1.3.1在框架一剪力墻結構中，由于柱軸向剛度要遠小于剪力墻的軸向剛度，在豎向荷載作用下，柱與墻之間的連接梁將調節兩者的位移差，使得柱的軸力減少，剪力墻的軸力增大。“模擬施工1、3”只對上部結構起作用，對往基礎傳遞荷載并沒有起到調節作用。若結構地基有不均勻沉降，框剪結構中傳遞給基礎的荷載還是較多分配給剪力墻部分，這就造成了地基沉降、承載力、軸壓比等驗算誤差。設計人員可以采用“模擬施工2”的計算方法解決這個問題，它是把柱的軸向剛度提高l0倍，削弱豎向荷載按剛度的重分配；使柱、墻上分配到的軸力比較均勻，從而起到調整傳給基礎荷載的作用。

    1.3.2對于框支轉換結構，轉換層以下部分是按照“模擬施工3”的方法進行施工的。可是到了轉換層及轉換層以上部分時，為保證框支梁與上部墻體共同工作，施工方法通常是施工完轉換層的框支梁、柱后，不拆除模板和腳手架，而是一直施工到轉換層以上3-5層后再進行拆除。這幾層結構連同轉換層就屬于已知剛度，后施加荷載的情況，此時應采用“一次性加載”方法計算框支梁構件較適合。

    1.3.3結構節點的內力平衡需要相鄰上下層的梁柱內力組合，而它們卻是在不同加載條件下產生的，因此要驗算節點剪力、彎矩的平衡，應采用“一次性加載”的計算模式；對于出現下層向上層傳遞荷載的情況(如吊柱結構)，是在上下兩層形成局部整體剛度后才施加荷載，也應采用“一次性加載”來計算。

2、結構構件的計算和調整

    2.1支座變形對梁內力分布的影響

    2.1.1井字梁的計算

    在計算井字梁結構時，井字梁中間交叉點的內力計算是按照空間交叉梁系方式進行分配。即根據節點的變形協調條件和各梁線剛度的大小進行計算，協調條件為在每一點交叉梁的線位移相等。但是由于支座計算假定的不同，計算結果是有差別的。在《結構靜力計算手冊》中，假定梁瑞無論是固接還是鉸接，均沒有豎向位移。而PKPM軟件采用空間交叉梁系計算井字架結構，梁端位移的大小取決于支座的剛度。當井字梁端為框架梁時，由于框架梁剛度較小(相對柱與墻)，豎向變形較大，從而使內力按照節點位移向梁跨中增加分配。當井字梁端為剪力墻等豎向剛度較大的構件時，梁端節點的豎向位移很小，基本為零，支座近似固端，其所分配的內力較大。

    2.1.2懸挑梁的計算

    當PKPM軟件中建模時次梁按程序選項“主梁”輸入時，從主梁伸出的懸挑梁與從柱伸出的懸挑梁，其變形協調是不同的。由于受到主梁變形大(相對于柱)的影響，從主梁伸出的懸挑梁降低了剛度，把自身承受的荷載卸向兩邊相對剛度大的從柱伸出的懸挑梁(圖3)。因此，在相同的受荷面積條件下，計算結果往往是從柱伸出的懸挑梁內力較大。

    2.1.3設計中的注意事項

    設計人員在建模時次梁按程序選項“次梁”輸入時，次梁的內力按連續梁計算模式計算。即次梁端跨鉸接于的主梁支座，中間跨為連續，其各支座均無豎向位移。次梁本身的剛度不代入空間計算中，對結構的剛度、周期、位移等均不產生影響。而次梁按程序選項“主梁”輸入時，主次梁的內力計算按照空間交叉梁系方式進行分配，即根據節點的變形協調條件和各梁線剛度的大小進行計算。主梁和次梁為剛性連接，輸入的次梁本身的剛度參與到空間計算中，對結構的剛度、周期、位移等均會產生影響。

    2.2樓板變形時彈性樓板的設置

    PKPM軟件中剛性板假定由于忽略了樓板的平面外自由度，因此樓板主要適用于形狀比較規則的結構。對于樓板平面布置不規則、樓板面內剛度有較大的削弱且分布極不均勻的結構，樓板的面內變形會使樓層內抗側剛度較小的構件的位移和內力增大，從而使計算結果失真。此時就應該考慮采用彈性樓板的假定[3]。。因此，PKPM軟件同時提供了彈性樓板的設計。

    2.2.1設計中應或宜考慮設置彈性樓板的情況

    2.2.1.1局部大開洞的樓板

    當樓板局部大開洞造成的明顯薄弱部位宜定義成彈性樓板并做整體式分析和設計；當樓板開洞較多或復雜時應整層定義成彈性樓板。

    2.2.1.2屋面斜板

    屋面斜板的傾斜設置使其具有面外抗彎(如普通水平樓板)和面內抗側力(如剪力墻)特征。在外荷載作用下，即會產生平面內變形，又會產生平面外變形。因此，在計算中應考慮斜板的平面內外剛度影響，應定義成彈性樓板。

    2.2.1.3板柱結構或板柱一抗震墻結構的樓板

    《高規》第5.3.3條規定：對于平板無梁樓蓋，在計算中應考慮板的平面外剛度的影響，其平面外剛度可按有限元方法計算或近似將柱上板帶等效為扁梁計算。因此板一柱結構要考慮樓板的平面外剛度，應定義彈性樓板。設計人員應注意到軟件不會自動對一個房間的樓板進行板單元劃分，此時可以通過輸入100mm X l00mm的虛梁進行雙向均勻細劃分，也能達到有限元軟件分析的效果。

    2.2.1.4框支轉換結構的轉換層樓板

    相關研究表明，對于框支轉換層結構，框支梁不僅會產生彎矩和剪力，框支梁與上部剪力墻共同作用時上部墻體內力的起拱作用對框支梁還會產生較大的軸拉力(框支梁近似為拉杠)。在PKPM軟件中，只有定義彈性樓板才能產生框支梁的軸力。因此，對于框支轉換層結構，必須整層定義彈性樓板。

    2.2.1.5厚板轉換結構的厚板

    對于厚板轉換層結構，由于厚板的面內剛度很大，可以認為是平面內無限剛，其平面外的剛度是這類結構傳力的重要方面。因此，此類結構的厚板轉換層應定義為彈性樓板。應注意，7度、8度抗震設計時轉換厚板的應用缺乏設計使用經驗，需進一步進行研究。

    2.2.1.6多塔連體結構

    這類結構下部多為獨立的塔樓，在結構中部或上部通過連廊部分相連。連體結構的連接體剛度相對較弱，易形成薄弱部位，在地震力作用下易產生平面外的變形，甚至是容易引起扭轉反應，應定義為彈性樓板。

    2.2.1.7在外力作用下能夠產生彈性變形的樓板，如大底盤多塔結構的底盤頂層及相鄰(上下)樓層，及框支轉換結構中轉換層以上2層的樓板宜定義成彈性樓板。

    2.2.2設計中的注意事項

    設計人員常在PKPM軟件建模中輸入100mm X l00mm的虛梁。此虛梁在結構設計中是一種無剛度、無自重的梁，不參與結構計算。它的主要作用有以下三點：(1)為SATWE或 PMSAP軟件提供板的邊界條件；(2)傳遞上部結構的豎向荷載。如對于厚板轉換層結構中不落地的剪力墻和單根框支梁轉換兩片平行剪力墻的情況，都應在剪力墻下方布置虛梁；(3)為彈性樓板單元的劃分提供必要條件。

    以上是筆者在運用PKPM軟件過程中所遇到常見的有關結構變形問題的心得體會，望與廣大設計人員分享，本文不足之處，歡迎批評指正。

參考文獻:

[1]PKPM系列結構設計軟件用戶手冊及技術條件[R]．中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部．

[2]《建筑結構靜力計算手冊》(第二版)[M]．中國建筑工業出版社，1998．

[3]GB 50010--2002，混凝土結構設計規范[s]．

[4]JGJ3—2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S]．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)