1、淺談pkpm程序在框架-剪力墻結構設計中應注意的問題王 磊（中煤國際工程設計研究總院（北京華宇工程有限公司，北京，100120）摘要 論文根據高層建筑鋼筋混凝土結構技術規(guī)程jgj 3-2002(以下簡稱高規(guī))，建筑抗震設計規(guī)范gb50011-2001 (2008版) (以下簡稱抗規(guī))中的相關規(guī)定，結合工程實際對在pkpm中如何實現(xiàn)框架-剪力墻的控制點的應用及其計算結果進行分析。進一步認識高層框架剪力墻結構設計時相關的控制點:剛度比、位移比、周期比、剛重比等參數(shù)以及其調整過程中彼此相互關聯(lián)且涉及構件截面、剛度及平面位置的改變。通過合理控制以上指標，認真仔細比對結構方案和分析相應計算結果進行正確的

2、判別。關鍵詞 pkpm；satwe；框架-剪力墻0 引 言 在高層建筑結構設計中，框架- 剪力墻結構形式較為普遍。在框架結構中加設適量的剪力墻，二者通過樓蓋協(xié)同工作，以滿足建筑物的抗側要求，從而組成框架剪力墻結構體系。它的結構布置方式靈活，在對建筑物的使用功能影響不大的情況下，使結構的抗側剛度和承載力都有明顯提高，所以這種結構體系兼有框架和剪力墻結構的優(yōu)點，是一種適用性很廣的結構形式。本文根據高規(guī)及抗規(guī)中的相關規(guī)定，結合工程實際對在pkpm軟件中如何實現(xiàn)其計算結果進行分析。1 工程實例位于陜西彬長礦業(yè)集團有限公司小莊礦井工業(yè)場單身公寓，其包括主樓、裙樓兩大部分，建筑總面積約89604

3、.50m2。主樓(包括、區(qū)，、區(qū)反)：地下一層，地上二十八層,房屋總高度為96.4m。裙樓：地下一層，地上三層，房屋總高度為19.45m。本工程建筑結構的安全等級為二級；建筑抗震設防類別為標準設防類；主樓的框架及剪力墻抗震等級為三級；所在地區(qū)抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第三組；建筑場地類別為類；特征周期: tg =0.45sec；50年一遇的基本風壓值取0.35kn/m2；地面粗糙度類別為b類； 風載體型系數(shù)1.4。圖1為本工程局部(主樓區(qū))框架-剪力墻標準層結構布置圖。圖1主樓區(qū)框架-剪力墻標準層結構布置圖2 高層框架剪力墻結構設計主要控制點在pkpm

4、中應用及結果分析高層結構設計中往往花費許多時間在電算上，為使結構平面布置和豎向承重構件(柱、剪力墻等)的合理布置，設計過程中考慮控制的目標參數(shù)主要有如下幾個:2.1、框架柱傾覆彎矩及0.2q0調整系數(shù)(1)框架剪力墻結構中框架柱傾覆彎矩控制及計算:根據抗規(guī)第6.1.3條、高規(guī)第8.1.3條規(guī)定，框架-剪力墻結構在基本振型地震作用下，若框架部分承擔的地震傾覆力矩大于總地震傾覆力矩的50%，其框架部分的抗震等級應按框架結構確定，柱軸壓比限值宜按框架結構采用。本工程wv02q.out文件見表一數(shù)據得出: 框架部分承擔的地震傾覆力矩小于總地震傾覆力矩的50%，計算符合要求。表一框架柱地震傾覆彎矩百分比

5、柱傾覆彎矩墻傾覆彎矩傾覆彎矩百分比x向地震55482.4217351.9 20.34%y向地震100691.1189165.934.74% (2) 0.2q0調整對于框架剪力墻結構，一般剪力墻的剛度很大，剪力墻吸引了大量的地震力，而框架部分所承擔的地震力較小。根據抗規(guī)第6.2.13條規(guī)定，側向剛度沿豎向分布基本均勻的框架-剪力墻結構，任一層框架部分的地震剪力，不應小于結構底部總地震剪力的20%和按框架-剪力墻結構分析的框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍二者的較小值。本工程指定調整樓層為1至28層的范圍，在wv02q.out文件中0.2q0調整系數(shù)：0.2qox=772.95kn、1.5vx

6、max=756.89kn； 0.2qoy=735. 41kn、vymax=1502.02kn，本工程計算結果符合要求。2.2、周期比 周期比側重控制的是側向剛度與扭轉剛度之間的一種相對關系，它的目的是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理，使結構不致于出現(xiàn)過大(相對于側移)的扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響，見高規(guī)第4.3.5條及相應的條文說明。周期比不滿足要求，說明結構的抗扭剛度相對于側移剛度較小，扭轉效應過大，結構抗側力構件布置不合理，應調整改變結構布置，提高結構的抗扭剛度；總的調整原則是加強結構外圍墻、柱或梁的剛度，適當削弱結構中間墻、柱的剛度；利用結構剛度與周期的反比關系，合理布置

7、抗側力構件，加強需要減小周期方向(包括平動方向和扭轉方向)的剛度，或削弱需要增大周期方向的剛度。本工程wzq.out 文件中自振周期結果如下見表二：表二振型號周期轉角平動系數(shù)(x+y)扭轉系數(shù)12.531711.661.00 ( 0.96+0.04 )0.0022.3220102.460.91 ( 0.04+0.86 )0.093 1.594395.790.11 ( 0.00+0.10)0.8940.693344.910.90 ( 0.45+0.44)0.10當平動系數(shù)大于0.5時，該振型為以平動為主的振型。反之，當扭轉系數(shù)大于0.5時，該振型為以轉動為主的振型。從上面結果中可以查得，結構以扭

8、轉為主的第一自振周期tt=1.5943s，以平動為主的第一自振周期t1=2.5317s，tt/t1=0.620.9，滿足高規(guī)第4.3.5條的規(guī)定。2.3、位移比 主要為限制結構平面布置的不規(guī)則性，以避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應，見抗規(guī)第3.4.2條，高規(guī)第4.3.5條及相應的條文說明。位移比不滿足時應調整改變結構平面布置，減小結構剛心與形心的偏心距；首先應注意調整結構外圍對應位置抗側力構件的剛度，同時在設計中，應在構造措施上對樓板的剛度予以保證；其次利用程序的節(jié)點搜索功能在satwe的“分析結果圖形和文本顯示”中的“各層配筋構件編號簡圖”中快速找到位移最大的節(jié)點，加強該節(jié)點對

9、應的墻、柱等構件的剛度；也可找出位移最小的節(jié)點削弱其剛度，直到位移比滿足要求；再次應注意驗算位移比需要考慮偶然偏心，驗算層間位移角則不需要考慮偶然偏心，位移比超過1.2，需要考慮雙向地震。本工程wdisp.out, 結果如下:最大值層間位移角：x方向最大值層間位移角為1/2814，y方向最大值層間位移角為1/3317,滿足高規(guī)第4.6.3條最大值層間位移角1/800的規(guī)定；最大位移與層平均位移的比值、最大層間位移與平均層間位移的比值：x方向最大位移與層平均位移的比值為1.28，x方向最大層間位移與平均層間位移的比值為1.30，y方向最大位移與層平均位移的比值為1.29,y方向最大層間位移與平均

10、層間位移的比值為1.29，滿足高規(guī)第4.3.5條的規(guī)定。2.4、剪重比 主要為限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長的結構的安全，見抗規(guī)第5.2.5條，高規(guī)第3.3.13條及相應的條文說明。剪重比不滿足時應在satwe的“調整信息”中勾選“按抗規(guī)第5.2.5條調整各樓層地震內力”后， satwe按抗規(guī)第5.2.5條自動將樓層最小地震剪力系數(shù)直接乘以該層及以上重力荷載代表值之和，用以調整該樓層地震剪力，以滿足剪重比要求。同時還可按下列3種情況進行調整:1)當?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g側移角又偏大時，說明結構過柔，宜適當加大墻、柱截面，提高剛度。2)當?shù)卣鸺袅ζ蠖鴮娱g側移角又偏小時，說明結構過剛，宜

11、適當減小墻、柱截面, 降低剛度以取得合適的經濟技術指標。3)當?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g側移角又恰當時, 可在satwe的“調整信息”中的“全樓地震作用放大系數(shù)”中輸入大于1的系數(shù)增大地震作用，以滿足剪重比要求。本工程平面及豎向均比較規(guī)則，在satwe中設計時選取了30個振型進行計算，在wzq.out結果文件中查看x、y向有效質量系數(shù)及樓層最小剪重比如下: x方向的有效質量系數(shù)：99.50%；y方向的有效質量系數(shù): 99.60%。兩個方向有效質量系數(shù)均超過90%，說明計算振型數(shù)夠了，詳見高規(guī)第5.1.13條及相應的條文說明。由于本地區(qū)抗震設防烈度為6度，兩個方向的樓層最小剪重比，滿足高規(guī)第3.3.13

12、條的要求。2.5、剛度比 主要為限制結構豎向布置的不規(guī)則性，避免結構剛度沿豎向突變，形成薄弱層，見抗規(guī)第3.4.2條，高規(guī)第4.4.2條及相應的條文說明；對于形成的薄弱層則按高規(guī)第5. 1.14條予以加強。如果某樓層剛度比的計算結果不滿足要求, satwe自動將該樓層定義為薄弱層，并按高規(guī)第5.1.14條將該樓層地震剪力放大1.15倍。同時應加強抗震延性構造措施，提高結構的抗震等級、樓板加強、弱連接結構的加強等，從而加強薄弱部位。另外，還可按以下方法調整:1)適當降低本層層高，或適當提高上部相關樓層的層高。2)適當加強本層墻、柱和梁的剛度，或適當削弱上部相關樓層墻、柱和梁的剛度。各層剛心、偏心

13、率、相鄰層側移剛度比等計算信息見wmass.out結果文件，本工程滿足規(guī)范要求。2.6、受剪承載力比 主要為限制結構豎向布置的不規(guī)則性，避免樓層抗側力結構的受剪承載能力沿豎向突變，形成薄弱層，見抗規(guī)第3.4.2條和高規(guī)第4.4.3條及相應的條文說明；對于形成的薄弱層應按高規(guī)第5.1.14條予以加強。層間受剪承載力比不滿足時應在satwe的“調整信息”中的“指定薄弱層個數(shù)”中填入該樓層層號，將該樓層強制定義為薄弱層，satwe按高規(guī)第5.1.14條將該樓層地震剪力放大1.15倍。同時還可適當提高本層構件強度(如增大柱箍筋和墻水平分布筋、提高混凝土強度或加大截面)以提高本層墻、柱等抗側力構件的抗剪

14、承載力，或適當降低上部相關樓層墻、柱等抗側力構件的抗剪承載力。本工程在wmass.out 結果文件中，樓層抗剪承載力比值滿足規(guī)范要求。 2.7、剛重比 主要是控制在風荷載或水平地震作用下，重力荷載產生的二階效應不致過大，避免結構的失穩(wěn)倒塌，見高規(guī)第5.4.1條和第5.4.4條及相應的條文說明。剛重比不滿足要求，說明結構的剛度相對于重力荷載過?。坏珓傊乇冗^分大，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當減少墻、柱等豎向構件的截面面積。剛重比不滿足時應調整增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度。本工程wmass.out文件中，結構整體穩(wěn)定驗算結果：x向剛重比ejd/gh*2=5.58，y向剛重比ejd

15、/gh*2=7.39。該結構剛重比ejd/gh*2大于1.4，能夠通過高規(guī)(5.4.4)的整體穩(wěn)定驗算，該結構剛重比ejd/gh*2大于2.7，可以不考慮重力二階效應。為使高層建筑結構在水平和豎向荷載作用下，其地基壓應力不致過于集中，對基礎底面壓應力較小一端的應力狀態(tài)作了限制，見高規(guī)第12.1.6條及相應的條文說明。本工程wmass.out, 結果如下見表三:表三抗傾覆驗算結果抗傾覆彎矩mr傾覆彎矩mov比值mr/mov零應力區(qū)(%)x風荷載4222460.5329759.912.800.00y風荷載9611993.0154207.662.330.00x 地 震4222460.5289442.

16、914.590.00y 地 震9611993.0275494.534.890.002.8、軸壓比 主要為限制結構的軸壓比，保證結構的延性要求，規(guī)范對墻肢和柱均有相應限值要求，見抗規(guī)第6.3.7條和第6.4.6條，高規(guī)第6.4.2條和第7.2.14條及相應的條文說明。軸壓比不滿足要求，結構的延性要求無法保證，應增大該墻、柱截面或提高該樓層墻、柱混凝土強度；軸壓比過小，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當減少相應墻、柱的截面面積。本工程軸壓比均滿足規(guī)范要求。3、結 語本文主要以框架剪力墻結構為實例，通過探討高層框架剪力墻結構設計主要控制點在pkpm中應用及satwe輸出結果進行分析。進一步認識高層框架剪力墻結構設計時相關的控制點:剛度比、位移比、周期比、剛重比等參數(shù)以及其調整過程中彼此相互關聯(lián)且涉及構件截面、剛度及平面位置的改變；當然，還應根據規(guī)范及具體實際情況做些相應的加強措施。綜上所述，對于結構設計人員來說，先應對其設計計算的軟件功能有確切的了解，再選取切合實際情況使結構平、立面布置盡量規(guī)則以及抗震和抗風性能好的結構體系（即結構計算模型），并符合現(xiàn)行規(guī)范要求的計算方法，通過合理控制以上指標，認真仔細比對結構方案和分析相應計算結果進行正確的判別。使高層的結構在規(guī)范允許范圍內保證安全性、合理性，達到更好的效果；同時還要能降低造價，這也是我們今后設計有待于提高發(fā)展的