某商城工程設(shè)計過程中幾種重要參數(shù)的控制

黃昌厚　李佩佩

摘要：為了使廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能正確理解規(guī)范對結(jié)構(gòu)幾種控制參數(shù)的意義，并且能正確運用PKPM軟件進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，文章以銀座商城工程為例，針對PKPM軟件中部分關(guān)系到整體計算結(jié)果的參數(shù)如何取值及如何調(diào)整，如何確定整體結(jié)構(gòu)的合理性，如何對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計等問題予以解決，使結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能夠在以后的設(shè)計中充分掌握PKPM軟件的計算步驟、設(shè)計要點和注意事項，以使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加趨于科學(xué)化、合理化。

關(guān)鍵詞：PKPM；結(jié)構(gòu)設(shè)計；科學(xué)化；合理化

PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件是中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)研制的工程設(shè)計軟件，雖然其結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算的精確性、穩(wěn)定性都得到了廣大設(shè)計人員的青睞，但很多結(jié)構(gòu)設(shè)計人員并未能正確使用PKPM軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計?，F(xiàn)以某商城工程的設(shè)計為例，對PKPM軟件正確的計算步驟和以及一些調(diào)整方法進行闡述。

1.工程概況

本商城項目為綜合商業(yè)建筑，地下一層，地上五層，結(jié)構(gòu)高度24.55米，東西寬62.5m，南北長為152m，建筑等級二級，設(shè)計使用年限為50年，建筑耐火等級為地下一級、地上二級，抗震設(shè)防烈度為七度，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防類別為乙類，框架抗震等級為二級。工程總建筑面積為56761.9m²（其中地上建筑面積為：44436.2m²，地下建筑面積為：12325.7m²）。

2.整體參數(shù)及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初步設(shè)定

計算開始以前，設(shè)計人員首先要根據(jù)新規(guī)范的具體規(guī)定和PKPM軟件手冊對參數(shù)意義的描述，以及建設(shè)方要求和工程地震安全性評價報告并結(jié)合工程的實際情況，對軟件初始參數(shù)和特殊構(gòu)件進行正確設(shè)置，本工程地面口以下為一層，是全埋式地下室，地上五層，設(shè)計時將建筑的嵌固部位設(shè)置在地下室頂板處。結(jié)結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，平面形狀較為規(guī)則，樓面有天井，形成樓板開洞較大，平面樓板局部不連續(xù)，但開洞面積均不超過樓層面積的30%；豎向上各層層高接近，豎向構(gòu)件連續(xù)，豎向剛度基本均勻，質(zhì)量和剛度沒有突變，看似并不復(fù)雜，但有幾個參數(shù)是關(guān)系到整體計算結(jié)果的，必須首先確定其取值，才能保證后續(xù)計算結(jié)果的正確性。

2.1振型組合數(shù)的取值

該值取值太小不能正確反映模型應(yīng)當(dāng)考慮的振型數(shù)量，使計算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費時間，還可能使計算結(jié)果發(fā)生畸變.一般而言，振型數(shù)的多少與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)自由度有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)層剛度突變較大時，振型數(shù)應(yīng)當(dāng)取的多些（如有彈性節(jié)點、多塔樓、轉(zhuǎn)換層等結(jié)構(gòu)形式）c振型組合數(shù)取值是否合理，可以參照軟件計算書中的x和y向的有效質(zhì)量系數(shù)是否大于0.9來確定。若小于0.9，則需增加振型個數(shù)，直到兩個方向的有效質(zhì)量系數(shù)都大于0.9為止。必須指出的是，結(jié)構(gòu)的振型組合數(shù)并不是越大越好，其最大值不能超過結(jié)構(gòu)的總自由度數(shù)。該工程為5層框架結(jié)構(gòu)，帶1層地下室，結(jié)構(gòu)質(zhì)點數(shù)為6，振型組合數(shù)輸入18（6x3=18），計算結(jié)果文件中x和Y向有效質(zhì)量系數(shù)分別為92.2%、93.2%，皆大于90%，說明這個取值是正確合理的。

2.2最大地震力作用方向

最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的大小也各不相同，那么必然存在某個角度使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)值最大、最不利的地震作用方向。設(shè)計軟件可以自動計算出最大地震力作用方向并在計算書中輸出，設(shè)計人員一旦發(fā)現(xiàn)該角度的絕對值大于15°時，應(yīng)將所得數(shù)值回填到軟件的“斜交抗側(cè)力構(gòu)件方向附加地震數(shù)，相應(yīng)角度”里并重新計算，以體現(xiàn)最不利地震作用方向的影響。該工程平面接近矩形，計算結(jié)果地震最大作用方向為1°<15°，所以無需重新填入選項中再計算。

2.3結(jié)構(gòu)基本周期

結(jié)構(gòu)基本周期是計算風(fēng)荷載的重要指標(biāo)，設(shè)計人員如果不能事先知道其準(zhǔn)確值，先期計算時可以保留軟件的缺省值，待計算后從計算書中讀取其值，填入軟件的“結(jié)構(gòu)基本周期”選項，對于計算結(jié)果為哪個方向的基本周期，可以由兩種方法確定：

（1）查看周期計算文件中平動系數(shù)項，此數(shù)值是由x和y兩項數(shù)值組成，x和y兩個數(shù)值可以視作x和y兩個方向，哪個數(shù)值大即本周期對應(yīng)哪個方向的基本周期，但要注意此周期不能是局部振動產(chǎn)生的周期。

（2）查看軟件的“結(jié)構(gòu)整體空間振動簡圖”，查看周期所對應(yīng)的振動方向以確定該周期為哪個方向的基本周期。

該工程經(jīng)反復(fù)計算后，結(jié)構(gòu)x向基本周期為1.1811，Y向基本周期為1.2495，將其結(jié)果回代人軟件的“結(jié)構(gòu)基本周期”選項即可。

3.整體結(jié)構(gòu)合理性的控制

整體結(jié)構(gòu)的合理性是新規(guī)范特別強調(diào)的內(nèi)容。新規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)有周期比、位移比、剛度比、剪重比等。

3.1周期比的確定

周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)，其目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不至出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)，也就是說，周期比不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是要求結(jié)構(gòu)布局合理。《高規(guī)》第3.4.5條對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt（扭轉(zhuǎn)周期）與平動為主的第一自振周期T1（平動周期）之比的要求給出了規(guī)定：A級高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高層建筑不應(yīng)大于0.85。該工程建筑高度為24.55m，屬于A級高層建筑。以下介紹周期比計算方法：

（1）扭轉(zhuǎn)周期與平動周期的判斷：從計算書中找出所有扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5的扭轉(zhuǎn)周期，按周期值從大到小排列。同理，所有平動系數(shù)大于0.5的平動周期值從大到小排列。

（2）第一周期的判斷：從列隊中選出數(shù)值最大的扭轉(zhuǎn)、平動周期，查看軟件的“結(jié)構(gòu)整體空間振動簡圖”，看該周期值所對應(yīng)振型的空間振動是否為整體振動，如果其僅僅引起局部振動，則不能作為第一扭轉(zhuǎn)、平動周期，要從隊列中取出下一個周期進行考察，以此類推，直到選出不僅周期值較大而且其對應(yīng)的振型為結(jié)構(gòu)整體振動的值即為第一扭轉(zhuǎn)、平動周期。

（3）周期比計算：將第一扭轉(zhuǎn)周期值除以第一平動周期即可。

如果周期比不滿足規(guī)范的要求，說明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度不足，設(shè)計人員需要增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。該工程體量較大，又因為工程平面長寬比較大（Y方向長度為152m，x方向?qū)挾葹?2.5m），結(jié)構(gòu)平面的扭轉(zhuǎn)的效應(yīng)必然會很明顯，經(jīng)過初步的計算得出周期比達(dá)到0.93，顯然不滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)需要調(diào)整，正如前面所說，設(shè)計者對結(jié)構(gòu)采取兩項調(diào)整措施：

（1）x方向兩端兩跨框架柱截面，框架柱截面由構(gòu)造的700X700改為800X800。

（2）將結(jié)構(gòu)的x方向框架梁的梁高加高50mm，寬度加大100mm。

經(jīng)過以上調(diào)整，得出本工程的周期、陣型輸出結(jié)果如下表所示：

根據(jù)以上結(jié)果可得出本工程的周期比為0.899<0.9，滿足規(guī)范要求。

3.2位移比的確定

位移比（層間位移比）是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)，其限值在《高規(guī)》中有明確的規(guī)定（A級高層建筑層間位移比不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5）c新規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出的，如果不考慮剛性樓板的假定，那么樓板薄弱的地方位移就會偏大，樓板強的地方位移就會偏小，這些都是局部的變化，此時算出來的位移比也是毫無意義的，不能反映出整個結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)情況，所以計算位移比時，應(yīng)該在剛性樓板假定的條件下進行，以便計算出正確的位移比。

3.3剛度比的確定

剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）和《高規(guī)》的要求，軟件提供了3種剛度比的計算方式，分別是剪切剛度、剪彎剛度和地震力與相應(yīng)的層間位移比。正確認(rèn)識這3種剛度比的計算方法和適用范圍是剛度比計算的關(guān)鍵，其計算方法和適用范圍：

（1）剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及對地下室嵌固條件的判定；

（2）剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；

（3）地震力與層間位移比是執(zhí)行《抗規(guī)》第3.4.2條和《高規(guī)》第3.3.5條的相關(guān)規(guī)定，通常絕大多數(shù)工程都可以用此法計算剛度比，這也是軟件的缺省方式。

該工程采用第3種剛度比計算方法。經(jīng)初步計算發(fā)現(xiàn)該工程縱橫向剛度相差較大，為了解決此種問題設(shè)計者采取了兩項措施：

（1）增大剛度較小方向的柱子截面寬度，提高整體該方向豎向構(gòu)件的剛度。

（2）增大剛度較小方向的主框架梁的線剛度，該方向框架梁的截面高度、寬度進行有意識的加大。

經(jīng)過以上調(diào)整結(jié)構(gòu)地上一層縱橫向的剛度比4.7252/4.2823=1.10（x方向剛度4.7252E+06（kN/m），Y方向剛度為4.2823E+06（kN/m）），其他樓層同理兩個方向剛度相差不超過15%，說明本工程兩個方向的剛度接近，滿足規(guī)范的要求。

3.4剪重比的確定

剪重比是抗震設(shè)計中非常重要的參數(shù)，規(guī)范之所以規(guī)定剪重比，主要是因為長周期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，由此計算出來的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。出于安全考慮，規(guī)范規(guī)定了各樓層水平地震力的最小值，該值如果不滿足要求，則說明結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位，必須進行調(diào)整。該工程x向樓層最小剪重比為3.25%，y向樓層最小剪重比為3.14%，均大于《抗規(guī)》第5.2.5條要求的最小剪重比1.6%。

經(jīng)過以上結(jié)構(gòu)整體洼主要指標(biāo)的控制，結(jié)構(gòu)的整體安全性就得到了保證，下面就可以對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行優(yōu)化調(diào)整了。

4.抗震措施

在施工圖設(shè)計階段，還必須滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《混規(guī)》）《高規(guī)》和《抗規(guī)》對結(jié)構(gòu)的構(gòu)造提出了非常詳盡的規(guī)定，這些措施是很多震害調(diào)查和抗震設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)，也是保證結(jié)構(gòu)安全的最后一道防線，設(shè)計人員不可麻痹大意。施工圖生成以后，該工程各種特殊或薄弱部位構(gòu)件的最小縱筋直徑、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密區(qū)長度、鋼筋搭接錨固長度、配筋方式等經(jīng)過逐一檢查均滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求（規(guī)范對這一部分的要求往往是以黑體宇寫出，屬于強制執(zhí)行條文，萬萬不可以掉以輕心）c對圖紙中的梁、板、柱、墻的尺寸配筋等也應(yīng)與計算結(jié)果逐一核對，防止出現(xiàn)浪費和配筋不足的情況，做到合理優(yōu)化。對于個別構(gòu)件因鋼筋歸并導(dǎo)致實際配筋與計算配筋相差較大而產(chǎn)生的超筋，需根據(jù)計算結(jié)果修改調(diào)整。

5.結(jié)語

設(shè)計人員在運用PKPM軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要根據(jù)工程的實際情況對軟件參數(shù)正確取值，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果的各項指標(biāo)在滿足規(guī)范要求的前提下，優(yōu)化構(gòu)件并將概念設(shè)計貫穿于整個設(shè)計當(dāng)中，使結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)化、合理化。