PKPM有限元軟件在不規則框架結構力學計算中的應用

吳桂芬

(中國華電工程(集團)有限公司，北京 100035)

0 引言

框架結構的民用建筑結構布置一般比較規整，各樓層層高相差較小，樓板開孔不大，因此，一般民用建筑框架柱截面大小通常由層高和層數決定。對工業建筑來說，為滿足工藝設備布置的要求，結構層高往往不均勻，甚至可能相差幾倍，樓板開孔也較大，開孔率有時可達60%。因此，工業建筑經常會布置成豎向和平面均不規則的框架結構。對不規則框架結構梁、柱的布置，特別是框架柱截面大小是否仍由軸壓比控制，需根據不同的結構布置進行計算分析。

1 工程概況

國投伊犁熱電(2×330 MW)工程位于新疆伊寧。廠區脫硫綜合樓采用框架結構，工程抗震設防烈度為7度，對應的設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第3組，抗震設防類別為丙類，抗震等級為3級。基本風壓為0.6kPa，基本雪壓為1.0kPa。

脫硫綜合樓采用框架結構，共5層，建筑面積1074 m2，建筑高度23.0 m。第1層層高5.5 m，第1層右側布置石膏庫，樓板開孔率45%，如圖1所示。第2層層高5.0 m，第3層3.0 m，樓板右側開孔，開孔率35%，如圖2所示。第4層4.0 m，第5層5.5 m，如圖3所示。1～4層建筑面積均為1 074 m2，第5層局部面積為168.5 m2。各樓層框架柱布置情況為:第1層、第2層柱截面為800 mm×800 mm，850 mm×850 mm，900 mm ×900 mm，1 000 mm ×1 000 mm;第3層柱截面為800 mm×800 mm;第4層柱截面為600 mm×800 mm，800 mm×800 mm;第5層柱截面為600 mm×800 mm。

2 計算分析

圖1 5.500 m層梁柱布置圖

2.1 柱軸壓比、層間受剪承載力比及位移角限值

按照GB 5011—2010《建筑抗震設計規范》的要求，軸壓比指柱的組合軸壓力設計值N與柱全截面面積A和混凝土軸心抗壓強度設計值fc乘積之比，即軸壓比為N/fcA。限制軸壓比來保證結構的延性。

圖2 13.500 m層梁柱布置圖

圖3 23.000 m層梁柱布置圖

按照GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標準》的要求，鋼筋混凝土結構樓層現有受剪承載力應按下式計算，此參數限制結構的豎向布置規則性，可用來判斷薄弱層。

式中:Fy為樓層現有受剪承載力;∑Fcy為框架柱層間現有受剪承載力之和;∑Fmy為磚填充墻框架層間現有受剪承載力之和;∑Fwy為抗震墻層間現有受剪承載力之和。

按照GB 5011—2010《建筑抗震設計規范》的要求，層間位移角按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比計算，用來限制正常使用下的水平位移，確保結構有足夠的剛度。

2.2 計算模型建立與參數選取

該工程采用PKPM(2010版)軟件進行計算分析，第1層計算層高6.15 m(基礎頂標高為－0.65 m)，第2層計算層高5.00 m，第3層計算層高3.00 m，第4層計算層高4.00 m，第5層計算層高5.50 m。混凝土強度等級為 C30，鋼筋主筋的等級為HRB335，箍筋等級為HPB300，梁柱保護層厚度20 mm。恒、活載荷為一次性加載，計算結構內力時地震載荷考慮偶然偏心和雙向地震的不利值，計算位移角時不考慮偶然偏心，不考慮雙向地震。根據GB 5011—2010《建筑抗震設計規范》確定梁剛度放大系數，柱配筋按單偏壓計算雙偏壓驗算(角柱按雙偏壓計算)。

2.3 計算結果分析

表1為樓層抗剪承載力和承載力比。通過分析表1中數據可知，5層X方向樓層承載力比最小，為1.00;2層Y方向最小樓層承載力比最小，為0.84，即樓層承載力比已接近規范限值。表2為Y方向地震作用下的樓層最大位移表，通過分析可知，Y方向地震作用下的樓層最大位移角最接近限值，最大位移角為0.103°。最小樓層承載力比和最大位移角均接近限值，說明在填充墻、混凝土等級不變的情況下，框架柱截面剛好滿足規范的要求。而計算得出的柱軸壓比最大為0.56，小于限值0.85，說明該工程框架柱的截面面積并非由軸壓比控制。

為分析框架柱截面變化的影響，將框架柱截面改為600 mm×600 mm后重新進行計算分析，此時柱底軸壓比最小為0.39，最大為0.82，接近限值。分析計算結果可知，X方向地震作用下的樓層最大位移角為0.130°(見表3);Y方向地震作用下的樓層最大位移角為0.194°(見表4)，遠大于規范限值0.104°。說明框架柱截面改變對位移角影響較大，而此時軸壓比仍在限值內，滿足了規范要求。

表1 樓層抗剪承載力及承載力比

表2 Y方向地震作用下的樓層最大位移

表3 X方向地震作用下的樓層最大位移

表4 Y方向地震作用下的樓層最大位移

3 結束語

(1)層間受剪承載力比在不滿足規范要求時，SATWE軟件“調整信息”中的“指定薄弱層個數”中填入該樓層層號，將該樓層強制定義為薄弱層，SATWE軟件按JGJ 3—2002《高層建筑混凝土結構技術規程》5.1.14的規定，將該樓層地震剪力放大1.15倍。如果還需人工干預，可適當提高該層構件強度(如增大配筋、提高混凝土強度或加大截面)以提高該層墻、柱等抗側力構件的抗剪承載力，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。幾個參數的調整涉及構件截面、剛度及平面位置的改變，在調整過程中可能相互關聯。

(2)在位移角不滿足規范要求時，可考慮增大梁柱截面;對于層高較大的樓層可增設層間梁。在滿足工藝設備布置要求的前提下，在框架柱之間布置框架梁，增加樓層剛度，從而減小位移角，使計算結果滿足規范要求。

(3)對不規則的框架結構，框架柱的截面面積往往不是由軸壓比控制，而是由層)間受剪承載力比或位移角限值控制。

［1］GB 5011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］朱炳寅.建筑抗震設計規范應用與分析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［3］GB 50023—2009，建筑抗震鑒定標準［S］.