KM系列CAD軟件中砌體結(jié)構(gòu)的輔助設(shè)計(jì)

PKPM系列CAD軟件中砌體結(jié)構(gòu)的輔助設(shè)計(jì)摘要介紹了PKPM系列中砌體結(jié)構(gòu)CAD軟件的關(guān)鍵技術(shù)及主要功能和特點(diǎn)，并討論了工程應(yīng)用中若干常見的問題。該軟件采用圖形交互快速建立結(jié)構(gòu)模型；自動(dòng)導(dǎo)算荷載并生成設(shè)計(jì)所需的結(jié)構(gòu)信息；可完成砌體及底框結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算及靜力計(jì)算；繪制混凝土梁、柱、板及結(jié)構(gòu)平面施工圖及砌體圈梁、構(gòu)造柱和芯柱大樣圖；完成陽(yáng)臺(tái)、雨篷、墻梁及挑梁等混凝土構(gòu)件的計(jì)算和繪圖。1概述砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)是PKPM系列CAD軟件中研制開發(fā)最早且應(yīng)用最廣泛的功能之一。據(jù)調(diào)查，用戶中采用PKPM軟件設(shè)計(jì)砌體結(jié)構(gòu)工程的,約占30％。該軟件的主要功能及特點(diǎn)有：(1)利用圖形交互輸入快速高效建立砌體結(jié)構(gòu)模型。自動(dòng)導(dǎo)算荷載并生成荷載信息，自動(dòng)生成抗震計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的結(jié)構(gòu)信息。

(2)自動(dòng)完成砌體結(jié)構(gòu)及底框上磚房結(jié)構(gòu)抗震承載力驗(yàn)算及墻體靜力計(jì)算，完成底框結(jié)構(gòu)分析和施工圖設(shè)計(jì)。(3)計(jì)算現(xiàn)澆板的內(nèi)力及配筋，完成板配筋圖及結(jié)構(gòu)平面圖。自動(dòng)生成并繪制砌體圈梁、構(gòu)造柱及芯柱節(jié)點(diǎn)大樣圖。(4)完成砌體結(jié)構(gòu)中挑梁、墻梁及陽(yáng)臺(tái)、雨篷、挑檐等構(gòu)件的計(jì)算及繪圖。(5)將上部結(jié)構(gòu)平面布置及導(dǎo)算的荷載自動(dòng)傳給基礎(chǔ)，完成條基、獨(dú)基、彈性地基梁及樁基的設(shè)計(jì)及施工圖。上述功能形成了一個(gè)砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)的完整系統(tǒng)(見圖1)。2砌體結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算及受壓計(jì)算2.1主要依據(jù)及技術(shù)條件

砌體結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算所依據(jù)的主要規(guī)范有：

GBJ11-89《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》；

GBJ3-88《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》；

JGJ/T13－94《設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱多層磚房抗震技術(shù)規(guī)程》等。圖1PKPM系列軟件砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)過程圖主要技術(shù)條件有：(1)按底部剪力法計(jì)算結(jié)構(gòu)的總水平地震力和各樓層的地震力Fi，其中地震影響系數(shù)α取αmax，不考慮頂部附加地震作用。第i層地震剪力Vi按式（1）計(jì)算：(1)式中n為樓層總層數(shù)。(2)按樓面剛度特性將各層的地震剪力分配至各片墻上，有以下三種情況：◆對(duì)現(xiàn)澆或裝配整體式剛性樓蓋，按墻體的抗側(cè)力剛度分配：(2)式中：第i層第j片墻的抗側(cè)力剛度，按下述情況計(jì)算：當(dāng)高寬比ρ＝h/b≤1.0時(shí)，當(dāng)1.0＜ρ≤4.0時(shí)，當(dāng)ρ＞4.0時(shí)，＝0◆對(duì)開洞率很大或木樓蓋等柔性樓蓋，按墻體承受的重力荷載分配：(3)式中：第i層第j片墻體承受的重力荷載。◆對(duì)鋼筋混凝土裝配式剛?cè)嵝詷巧w，按剛度和重力荷載分配：(4)(3)砌體結(jié)構(gòu)抗震承載力驗(yàn)算，包括墻體抗震承載力驗(yàn)算及布置芯柱的混凝土小型砌塊墻體抗震承載力驗(yàn)算?！魤w抗震承載力，按式（5）驗(yàn)算：(5)(6)式中：：地震作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；：承載力抗震調(diào)整系數(shù)，對(duì)自承重墻取0.75，當(dāng)設(shè)置適當(dāng)構(gòu)造柱時(shí)取0.9，其他情況取1.0；

As、fy：配筋砌體層間豎向截面中，總的鋼筋截面面積及強(qiáng)度；

、：分別為砌體抗剪強(qiáng)度和抗震抗剪強(qiáng)度；

ξ：矩形截面剪應(yīng)力不均勻系數(shù)，取1.2；

:砌體在重力荷載代表值作用下的平均壓應(yīng)力；A:砌體截面面積。當(dāng)考慮構(gòu)造柱共同作用時(shí)，砌體截面面積由式（7）確定：(7)式中An、Ac:分別為砌體凈截面積和驗(yàn)算墻體中構(gòu)造柱總截面面積；

Ec、E:分別為構(gòu)造柱鋼筋混凝土及砌體的彈性模量；

ηc：構(gòu)造柱參與系數(shù)，取0.26～0.3。

◆布置芯柱的混凝土小型砌塊墻體抗震承載力，按式（8）驗(yàn)算：(8)式中Ac、fc――分別為芯柱總截面積和芯柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)；

As、fy――分別為芯柱插筋截面積及強(qiáng)度等級(jí)；

ζc――芯柱影響系數(shù)，按填空率取0～1.15。

2.2砌體抗震及受壓承載力自動(dòng)驗(yàn)算

首先由PMCAD軟件主菜單A、1和2建立砌體結(jié)構(gòu)全樓模型，包括樓層數(shù)及層高、地震信息、墻體、洞口、預(yù)制樓板等的布置。然后由PMCAD主菜單3和C完成荷載輸入、導(dǎo)算及校核。

在此基礎(chǔ)上，軟件將自動(dòng)生成每層中各片墻體以及墻段的信息，包括該墻承受的地震剪力及恒活荷載作用下的軸力，水平截面面積，構(gòu)造柱的數(shù)量及截面面積等。然后按式(5)驗(yàn)算整片墻體和各墻段的抗震承載力。

驗(yàn)算結(jié)果以墻體的抗力與荷載效應(yīng)之比值給出，將結(jié)果直接標(biāo)注在平面圖的每片墻和每個(gè)墻段上。當(dāng)墻體不滿足抗震承載力要求時(shí)(比值小于1.0)，軟件會(huì)在屏幕上用紅色提示，并計(jì)算出墻體水平配筋的面積，供用戶參考。在結(jié)果圖中還給出本層重力荷載代表值、水平地震力、地震剪力、砂漿強(qiáng)度等的信息。

自動(dòng)生成各墻體的受壓構(gòu)件截面特征并導(dǎo)算其荷載，計(jì)算它們的受壓承載力。

除抗震驗(yàn)算結(jié)果圖外，軟件還可根據(jù)用戶需要給出各層墻體的軸力圖、地震剪力圖等，供用戶做更細(xì)致的設(shè)計(jì)。3底層框架上磚房結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)3.1底層框架結(jié)構(gòu)地震作用分析

這類結(jié)構(gòu)的水平地震力及上部磚房的抗震承載力計(jì)算與普通砌體結(jié)構(gòu)類似。對(duì)底層框架的地震作用分析及設(shè)計(jì)，規(guī)范對(duì)此作了一些特別的規(guī)定。主要可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）底層地震剪力增大系數(shù)ηvηv=1.0+0.17(K2/K1)(1.2≤ηv≤1.5)(9)式中K1、K2――分別為底層與上層磚房的側(cè)移剛度。

（2）地震剪力的分配規(guī)范規(guī)定抗震墻應(yīng)能承擔(dān)全部的地震剪力，因此，應(yīng)按全部的地震剪力來(lái)計(jì)算底層混凝土剪力墻及磚填充墻承受的地震剪力，并按其側(cè)移剛度進(jìn)行分配。

底層框架承擔(dān)的地震力將通過框架、混凝土剪力墻及磚填充墻三者間的協(xié)調(diào)分配得到，在分配中對(duì)混凝土和磚墻的側(cè)移剛度要適當(dāng)折減。第i榀框架承受的地震力按式（10）計(jì)算：(10)式中Kfi――第i榀框架的側(cè)移剛度；

Kcw，Kmw――分別為混凝土剪力墻和磚填充墻的總側(cè)移剛度。（3）框架柱附加軸力地震作用下，上層磚房對(duì)底層結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的傾覆力矩，形成框架柱內(nèi)的附加軸力。總的傾覆力矩由框架和抗震墻共同承擔(dān)，第i榀框架承受的傾覆力矩由式（11）計(jì)算：(11)式中Ifi，Iw――分別為第i榀框架的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和墻體轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。

第i榀框架第j根柱的附加軸力按下式計(jì)算：(12)式中xij，Aij――分別為第i根柱離形心的距離和截面面積。

（4）抗震墻設(shè)計(jì)設(shè)置于底框結(jié)構(gòu)中的混凝土剪力墻承受軸力、彎矩和剪力，按偏心受力構(gòu)件計(jì)算；水平分布鋼筋根據(jù)水平地震剪力計(jì)算。

對(duì)磚填充墻，必須滿足規(guī)范對(duì)其構(gòu)造和施工所作的規(guī)定，如先砌墻后澆框架梁的施工順序，要設(shè)置足夠的拉結(jié)筋等。

軟件將上述計(jì)算所得的各榀框架的地震力、柱附加軸力、混凝土剪力墻內(nèi)力及配筋、磚填充墻抗震驗(yàn)算結(jié)果均標(biāo)在平面圖上，同時(shí)還給出經(jīng)調(diào)整后的底層總剪力、底框架層與相鄰層的抗側(cè)移剛度比、總傾覆力矩等信息。

3.2底層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成底框上磚房結(jié)構(gòu)的地震作用分析后，用PMCAD主菜單4生成底框PK文件，可自動(dòng)生成各榀框架結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)所需的全部數(shù)據(jù)，其中包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，上部磚房及本層樓面?zhèn)鬟f的恒、活荷載，水平地震力及柱附加軸力等。用PK軟件來(lái)完成框架的內(nèi)力分析、配筋計(jì)算及施工圖設(shè)計(jì)全過程。4磚混結(jié)構(gòu)平面及節(jié)點(diǎn)大樣輔助設(shè)計(jì)4.1結(jié)構(gòu)平面圖設(shè)計(jì)軟件可自動(dòng)完成現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的內(nèi)力及配筋計(jì)算，自動(dòng)選配板底及支座的鋼筋，并通過自動(dòng)布筋、通長(zhǎng)布筋、指定布筋及任意布筋等多種手段完成現(xiàn)澆板施工圖。

對(duì)預(yù)制樓板，可用板布置圖或板標(biāo)準(zhǔn)圖兩種方式表達(dá)。

軟件還提供了大量自動(dòng)的或交互的標(biāo)準(zhǔn)功能，如軸線、尺寸、中英文字等，可幫助用戶方便快速完成平面施工圖。

4.2圈梁及構(gòu)造柱節(jié)點(diǎn)大樣圖

根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和通用圖集，利用模型中圈梁、構(gòu)造柱、芯柱布置等信息，軟件自動(dòng)生成全部圈梁及構(gòu)造柱、芯柱的節(jié)點(diǎn)大樣圖，生成圈梁布置簡(jiǎn)圖及芯柱的布置圖。

圈梁大樣圖可反映其兩側(cè)是現(xiàn)澆或預(yù)制板、內(nèi)墻或外墻、板與梁頂或梁底平齊等各種情況。圈梁的截面有矩形和L形，縱筋和箍筋按構(gòu)造設(shè)置。各類大樣的信息都通過一組參數(shù)來(lái)定義描述，用戶可以通過交互修改參數(shù)的方式隨意修改大樣圖。

構(gòu)造柱大樣根據(jù)與其相交墻肢的情況自動(dòng)分類，墻肢可以是正交或斜交，柱內(nèi)配筋及拉結(jié)筋均按構(gòu)造自動(dòng)確定。柱大樣信息也通過參數(shù)化描述和修改。

芯柱大樣反映填孔數(shù)、插筋及拉結(jié)筋的詳細(xì)情況。

形成全部大樣信息后，軟件自動(dòng)進(jìn)行歸并整理，相同的大樣歸到一類。大樣圖的索引符號(hào)可在平面圖上自動(dòng)或交互標(biāo)出。大樣圖的布置也可自動(dòng)完成，用戶可任意拖動(dòng)各個(gè)圖塊。5若干常見問題討論（1）砌體抗震承載力不足。軟件的應(yīng)用使砌體結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算十分快捷簡(jiǎn)便，但隨著新的房屋形式和新的使用要求的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到抗震承載力不足的問題。造成承載力不足的主要原因有：

①半地下室結(jié)構(gòu)或頂層越層結(jié)構(gòu)，因房屋等效重力荷載增加，設(shè)計(jì)高度增加，使總水平地震力增大。

②為滿足外觀、采光及靈活大空間等使用上的要求，墻體數(shù)量減少，開洞率普遍增大，尤其是縱墻，常采用門連窗方式，墻體有效截面面積很小。采用復(fù)合夾心保溫墻后，外墻一般由一磚半減至一磚，削弱了承載力。

③在有些情況下，當(dāng)墻體的洞口或構(gòu)造柱布置不合理，使墻段內(nèi)剪力分配很不均勻，會(huì)出現(xiàn)整片墻體滿足承載力要求，個(gè)別墻段不滿足的現(xiàn)象，要求在設(shè)計(jì)中作適當(dāng)調(diào)整。

綜上因素，提高砌體抗震承載力的手段主要有：增加構(gòu)造柱或芯柱的數(shù)量和截面積；洞口設(shè)置應(yīng)盡可能使墻段受力均勻；采用配筋砌體；布置少量鋼筋混凝土剪力墻等等。

（2）砌體結(jié)構(gòu)中設(shè)置少量鋼筋混凝土剪力墻。現(xiàn)行規(guī)范對(duì)這類結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算尚未作具體規(guī)定，有關(guān)單位正在對(duì)其抗震機(jī)理進(jìn)行研究。計(jì)算的關(guān)鍵是兩種材料墻體間剪力的分配，若完全按彈性考慮，混凝土彈性模量約為砌體的10倍，大量地震剪力將由混凝土墻吸收，顯然與實(shí)際情況有差異。彈性模量比取多少合適，還需要作進(jìn)一步研究。在本軟件中提供一個(gè)混凝土墻彈性模量與砌體彈性模量的比值，由用戶選擇輸入。

（3）多層底框的地震作用分析。多層底框上磚房結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越多，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)這類結(jié)構(gòu)的地震分析方法沒有明確規(guī)定。在PKPM軟件中有兩種途徑來(lái)分析這類結(jié)構(gòu)，一種是參照規(guī)范對(duì)一層底框所作的計(jì)算規(guī)定來(lái)計(jì)算多層框架的水平地震力和柱附加軸力，這種方法計(jì)算過程與一層底框類似；另一可選的方法是采用PKPM系列中的空間分析軟件SATWE來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。分析中將梁柱作為空間桿件，混凝土墻和砌體墻作為空間有限元，再在靜力和地震作用下進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)彈性分析。但對(duì)多種材料結(jié)構(gòu)空間