PKPM是中国建筑科学研究院开发的集平面空间于一体的功能强大的以建筑结构计算为主导的建筑软件,是目前国内应用最广泛,被绝大多数设计院所认可的建筑结构计算程序。在越来越多地依赖计算机程序计算工程任务的今天,如何正确理解和掌握PKPM程序的计算原理和使用方法,对于每一个结构设计者来说都显得尤为重要。以下就PKPM在空间模型计算程序的几个模块原理及适用范围、参数选用等几个方面展开讨论。
一、PKPM几个空间计算程序的比较
现在,PKPM程序拥有的空间计算程序有三个,即TAT、SATWE、PMSAP。
1、TAT———它是一个空间杆件程序,对柱、墙、梁都是采用杆件模型来模拟的,特殊的就是剪力墙是采用薄壁柱原理来计算的。在它的单元刚度矩阵中,多了一个翘曲的自由度θ’,相应的力矩多了双力矩。因此,在用TAT程序计算框剪结构、剪力墙结构等含钢筋混凝土剪力墙的结构,都要对剪力墙的洞口、节点做合理的简化。当然,在作结构方案时,对结构作这样的调整对建筑结构方案的简洁、合理有很大的好处。它的楼盖是作为平面内无限刚、平面外刚度不考虑的假设。在新版的TAT程序中,允许增设弹性节点,这种弹性节点允许在楼层平面内有相对位移,且能承担相应的水平力。增加了这种弹性节点来加大TAT程序的适用范围,使得TAT程序可以计算空旷、错层结构。
TAT适用于计算高层和多层的框架、框架-剪力墙、剪力墙结构,适用于平面和立面体型复杂的结构形式。而且能完成建筑结构在各种荷载作用下的内力计算和地震作用的计算,完成荷载效应组合,并对钢筋混凝土结构完成截面配筋计算,对钢结构进行稳定计算。
2、SATWE———空间组合结构有限元程序,与TAT的区别在于墙和楼板的模型不同。SATWE对剪力墙采用的是在壳元的基础上凝聚而成的墙元模型。采用墙元模型,在我们的工程建摸中,就不需要像TAT程序那样做那么多的简化,只需要按实际情况输入即可。对于楼盖,SATWE程序采用多种模式来模拟,有刚性楼板和弹性楼板两种。SATWE程序主要是在这两个方面与TAT程序不同。
SATWE适用于计算高层和多层的框架、框架-剪力墙、剪力墙结构,以及高层钢结构或钢-混凝土结构。SATWE考虑了多、高层建筑中多塔、错层、转换层及楼板局部开大洞等特殊结构形式。而且能完成建筑结构在各种荷载作用下的内力计算和地震作用的计算,完成荷载效应组合,并对钢筋混凝土结构完成截面配筋计算,对钢结构进行稳定计算。
3、PMSAP———是一个结构分析通用程序。当然,它是偏向于建筑的,但它是一个发展方向。现在的比较著名的通用计算程序有:ＳＡＰ84、ＳＡＰ91、ＳＡＰ2000、ＡＮＳＹＳ、ＥＴＡＢＳ等程序,这些程序各有所长。
二、地震力计算时的相关参数及地震力的调整
这里主要就新规范在相关问题上的一些调整进行讨论。
(一)地震作用计算
1、抗震设防烈度。新规范改变了抗震设防烈度与设计基本地震加速度值的对应关系,增加了7度(0.15ｇ〉和8度(0.30ｇ)两种情况(见新抗震规范表3.2.2)。
2、设计地震分组。新规范把直接影响建筑的设计特征周期Ｔｇ的设计近震、远震改为设计地震分组,分别为设计地震第一组、第二组和第三组。
3、特征周期值。比89规范增加了0.05ｓ以上,这在一定程度上提高了地震作用。
4、地震影响系数曲线。新规范5.1.5条,设计反应谱范围由原来的3ｓ延伸到6ｓ,分上升段、平台段、指数下降段和倾斜下降段四个区段。在5Ｔｇ以内与89规范相同,从5Ｔｇ起改为倾斜下降段,斜率为0.02。对于阻尼比ζ不等于0.05的结构,设计反应谱在阻尼比ζ等于0.05的基础上调整。
5、扭转耦连。新高规3.3条规定,质量、刚度不对称、不均匀的结构,以及高度超过100ｍ的高层建筑结构,应采用考虑扭转稿连振动影响的振型分解反应谱法。
6、双向地震作用。新抗震规范5.1.1条规定,质量和刚度分布明显不对称的结构,应计入双向地震作用下的扭转影响。
7、偶然偏心。新高规3.3.3条规定,计算地震作用时,应考虑偶然偏心的影响,附加偏心距可取与地震作用方向垂直的建筑物边长的5%。
8、竖向地震作用。新规范5.3.1条规定,对于9度的高层建筑,其竖向地震作用标准值应按公式5.3.1-1和5.3.14计算,并宜乘以1.5的放大系数,相当于重力荷载代表值的33.4%。新规范5.3.3条规定,长悬臂和其他大跨度结构竖向地震作用标准值,8度、8.5度和9度时分别取重力荷载代表值的10%、15%和20%。新高规10.2.3条规定,带转换层的高层建筑结构,8度抗震设计时转换构件应考虑竖向地震影响。
(二)地震作用调整
1、最小地震剪力调整。新规范5.2.5条规定,抗震验算时,结构任一楼层的水平地震的剪重比不应小于表5.2.5给出的最小地震剪力系数λ。对于竖向不规则结构的薄弱层,尚应乘以1.15的增大系数。
2、0.2Ｑ0调整。新规范6.2.13条规定,侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框—剪结构,任一层框架部分的地震剪力,不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框-剪结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。
3、边榀地震作用效应调整。新规范5.2.3条规定,规则结构不进行扭转祸连计算时,平行于地震作用方向的两个边桶,其地震作用效应应乘增大系数。一般情况下,短边可按1.15采用,长边可按1.05采用。当扭转刚度较小时,宜按不小于1.3采用。软件未执行这一条。
4、竖向不规则结构地震作用效应调整。新规范3.4.3条规定,竖向不规则的建筑结构,其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数。新高规5.1.14条规定,楼层侧向刚度小于上层的70%或其正二层平均值的80%时,该楼层地震剪力应乘1.15增大系数。新规范3.4.3条规定,竖向不规则的建筑结构,竖向抗侧力构件不连续时,该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25-1.5的增大系数。
5、转换梁地震作用下的内力调整。新高规10.2.23条规定,转换梁在特一级和一、二级抗震设计时,其地震作用下的内力分别放大1.8、1.5、1.25倍。
6、框支柱地震作用下的内力调整。新高规10.2.7条规定,框支柱数目不多于10根时,当框支层为1-2层时,各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的2%;当框支层为3层及3层以上时,各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%;框支柱数目多于10根时,当框支层为1-2层时,每层框支柱所承受剪力之和应取基底剪力20%;当框支层为3层及3层以上时,每层框支柱所承受剪力之和应取基底剪力3。当框支柱剪力调整后,应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩,框支柱的轴力可不调整。
三、对结构计算结果要整体控制的几个方面
1、位移控制。新高规的4.3.5条规定,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移角,Ａ、Ｂ级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍;且Ａ级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍;Ｂ级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑,不应大于该楼层平均值的1.3倍。
2、周期控制。新高规的4.3.5条规定,结构扭转为主的第一周期Ｔｔ与平动为主的第一周期Ｔ1之比,Ａ级高度高层建筑不应大于0.9;Ｂ级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.850。
3、层刚度比控制。新抗震规范附录Ｅ2.1规定,筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2;新高规的4.4.3条规定,抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不宜小于相临上部楼层侧向刚度的70%或其上相临三层侧向刚度平均值的80%;新高规的5.3.7条规定,高层建筑结构计算中,当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍;新高规的10.2.6条规定,底部大空间剪力墙结构,转换层上部结构与下部结构的侧向刚度,应符合高规附录Ｄ的规定。
4、层刚度比计算高规附录Ｄ.0.1建议的方法一剪切刚度 Ｋｉ=ＧｉＡｉ/ｈＩ高规附录Ｄ.0.2建议的方法一剪弯刚度 Ｋｉ=Ａｉ/Ｈｉ抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明中建议的计算方法: Ｋｉ=Ｖｉ/ＡＩｊｉ新规范软件中提供前两种算法。
5、框剪结构中框架承担的倾覆力矩计算。新抗震规范第6.1.3条、高规8.1.3条规定,框架—剪力墙结构,在基本振型地震作用下,若框架部分承担的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩的50%,其框架部分的抗震等级应按框架结构确定,柱轴压比限值宜按框架结构采用。抗震规范第6.1.3条的条文说明,给出了框架部分承担的倾覆力矩的计算方法。综上所述,在掌握计算程序PKPM的同时,严格对照规范相关条文,才能正确理解程序,得出准确合理的结构计算结果。
