某商城工程設(shè)計過程中幾種重要參數(shù)的控制

1、    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

2、，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。現(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

3、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

4、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

5、=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

6、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

7、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

8、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，

9、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0.89

10、9<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

11、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

12、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

13、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?；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