淺談PKPM軟件有關(guān)連梁的兩種建模方式

摘要：高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元是剪力墻，剪力墻由墻肢和連梁兩種構(gòu)件組成。兩端與剪力墻墻肢在平面內(nèi)相連的梁為連梁。PKPM是目前國(guó)內(nèi)廣泛用于結(jié)構(gòu)計(jì)算的軟件，關(guān)于連梁的建模主要有兩種方式，對(duì)于不同的建模方式，程序以不同的計(jì)算方法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)及內(nèi)力等計(jì)算結(jié)果存在差異。

關(guān)鍵詞：剪力墻結(jié)構(gòu);連梁;建模方式;結(jié)果比較

目前PKPM關(guān)于連梁的建模方式有兩種：直接在剪力墻上布置洞口和按框架梁模擬計(jì)算。PKPM程序用殼單元模擬由剪力墻開洞形成的墻梁;用桿單元模擬框架梁。模擬方式不同會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在差異。本文以某高層建筑設(shè)計(jì)為例，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，已知標(biāo)準(zhǔn)層層高3000mm，共28層，抗震設(shè)防烈度為6度。分析討論連梁在不同建模方式下對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的影響。

首先將與墻肢相連的梁全部用框架梁模擬，并在程序中將兩端與墻肢在平面內(nèi)相連的梁定義為連梁。是否定義框架梁為連梁對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果有一定影響。以本設(shè)計(jì)中某連梁為例，PKPM程序?qū)⑵涠x為連梁（連梁剛度折減系數(shù)取0.6）時(shí)的計(jì)算受壓、受拉配筋面積為835mm2、776mm2;PKPM程序未將其定義為連梁，僅以框架梁模擬時(shí)的計(jì)算受壓、受拉配筋面積為964mm2、846mm2，差別不明顯。而當(dāng)抗震設(shè)防烈度為8度時(shí)，相同處連梁在PKPM程序?qū)⑵涠x為連梁（連梁剛度折減系數(shù)取0.5）時(shí)的計(jì)算受壓、受拉配筋面積為856mm2、759mm2;PKPM程序未將其定義為連梁，僅以框架梁模擬時(shí)的計(jì)算受壓、受拉配筋面積為1597mm2、1579mm2，差別明顯。所以，是否在PKPM程序中對(duì)將某些特定框架梁定義為連梁要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)所處自然環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式及平面布置等技術(shù)措施而定。

按照延性剪力墻強(qiáng)墻肢弱連梁的要求，在地震作用下，連梁應(yīng)先于墻肢屈服，形成塑性鉸，耗散地震能量，同時(shí)彎矩和剪力仍能通過塑性鉸繼續(xù)傳遞，對(duì)墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度。一般情況下，在結(jié)構(gòu)小震作用下的的抗震計(jì)算中，通過降低連梁的剛度來降低連梁的彎矩設(shè)計(jì)值，從而使連梁先于墻肢屈服。PKPM程序在計(jì)算中通過定義連梁剛度折減系數(shù)對(duì)連梁的剛度進(jìn)行折減，但是當(dāng)用框架梁模擬連梁進(jìn)行計(jì)算時(shí)，無論是位移還是內(nèi)力，程序都會(huì)按照參數(shù)定義中的剛度折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度偏小，影響計(jì)算結(jié)果。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“計(jì)算地震內(nèi)力時(shí)，抗震墻連梁剛度可折減;計(jì)算位移時(shí)，連梁剛度可不折減”。所以對(duì)于用框架梁模擬連梁的計(jì)算方法，應(yīng)分別計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。本設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)防烈度設(shè)為6度，取某連梁在剛度折減（剛度折減系數(shù)為0.6）與不折減情況下的計(jì)算受拉配筋為1091mm2、1094mm2;抗震設(shè)防烈度設(shè)為8度時(shí)，此連梁在剛度折減（剛度折減系數(shù)為0.5）與不折減情況下的計(jì)算受拉配筋為1685mm2、1902mm2。符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）中“僅在計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí)可以對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減，對(duì)如重力荷載、風(fēng)荷載作用效應(yīng)計(jì)算不宜考慮連梁剛度折減”的規(guī)定。

《高規(guī)》中規(guī)定“跨高比小于5的連梁按剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，跨高比不小于5的連梁宜按框架梁設(shè)計(jì)”。所以對(duì)于之前實(shí)例中將連梁全部用框架梁來模擬的方法并沒有嚴(yán)格按規(guī)范要求執(zhí)行。而且，即使對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減，依然無法滿足某些連梁的超筋超限問題。通過PKPM參數(shù)定義中“框架連梁按殼單元計(jì)算控制跨高比”，用剪力墻開洞的方式模擬連梁，與之前用框架梁模擬連梁的方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

可見，剪力墻開洞形成墻梁使結(jié)構(gòu)剛度顯著提高，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)有了很大改善，同時(shí)解決了之前部分連梁超筋超限的問題。目前實(shí)際工程中對(duì)于最大層間位移角普遍要求控制在1/1000～1/1100，用剪力墻開洞模擬連梁計(jì)算得出的最大層間位移角還有很大余量，從計(jì)算結(jié)果來看似乎可以通過大量減小剪力墻長(zhǎng)度達(dá)到更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

但是，《高規(guī)》中規(guī)定“兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁為連梁”、“當(dāng)墻肢的截面高度與厚度之比不大于4時(shí)，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)”。從計(jì)算結(jié)果可知，PKPM參數(shù)定義中“框架連梁按殼單元計(jì)算控制跨高比”是將所有跨高比小于5并與墻肢相連的梁按剪力墻開洞計(jì)算。對(duì)于某些一端與墻肢在平面內(nèi)相連，一端與墻肢在平面外相連的梁，程序?qū)⑵涠x為連梁并用剪力墻開洞模擬并不符合規(guī)范要求。對(duì)于截面高度與厚度之比不大于4的墻肢，在PKPM中是以框架柱建模還是以墻建模尚無規(guī)定，與此類構(gòu)件相連的梁是否可以按照剪力墻開洞也不能確定。所以，僅靠PKPM參數(shù)定義中“框架連梁按殼單元計(jì)算控制跨高比”為依據(jù)設(shè)計(jì)連梁會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度偏大，與實(shí)際情況不相符，以此為依據(jù)減小墻肢長(zhǎng)度也不合理。

綜上所述，本設(shè)計(jì)采用“僅對(duì)兩端與截面高度和厚度之比大于4的墻肢在平面內(nèi)相連的梁按剪力墻開洞模擬連梁，其余連梁按框架梁模擬”的方法進(jìn)行計(jì)算，與之前兩種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

可見，對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，相對(duì)于“將與墻肢相連的梁全部以剪力墻開洞方式進(jìn)行模擬”的計(jì)算方法，“僅對(duì)兩端與截面高度和厚度之比大于4的墻肢在平面內(nèi)相連的梁按剪力墻開洞模擬連梁，其余連梁按框架梁模擬”的計(jì)算方法更符合規(guī)范要求，也更接近實(shí)際情況。也能有效解決“全部用框架梁模擬連梁”的計(jì)算方法產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)剛度不足和某些連梁超限超筋的問題。需指出，本文僅對(duì)抗震設(shè)防烈度為6度的地區(qū)的某工程實(shí)例進(jìn)行分析，所得結(jié)論僅可對(duì)PKPM中關(guān)于連梁的建模方式提供參考，對(duì)于所處不同地區(qū)、不同結(jié)構(gòu)形式及不同平面布置的建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算還需具體分析。

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作者簡(jiǎn)介：白杰文（1991—），男，助理工程師，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（作者單位：中國(guó)聯(lián)合工程有限公司）