淺談如何解決PKPM軟件在框架結(jié)構(gòu)教學(xué)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題

摘要：通過(guò)對(duì)PKPM軟件介紹，結(jié)合相應(yīng)的規(guī)范規(guī)程、圖集、施工圖紙，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中梁板截面尺寸、縱筋箍筋直徑如何選擇及梁板內(nèi)力出現(xiàn)問(wèn)題如何解決，分別進(jìn)行了分析和探討。加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)理解的同時(shí)，也提高了解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：PKPM軟件； 內(nèi)力； 鋼筋直徑； 實(shí)際問(wèn)題

中國(guó)分類號(hào)：G642.0A

［定稿日期］2022-04-06

［作者簡(jiǎn)介］郭培成（1978—），男，碩士，副教授，主要從事土木工程專業(yè)的教學(xué)與研究工作。

1 PKPM軟件在土木工程專業(yè)課程中的背景

PKPM軟件是一門計(jì)算三維空間的課程，是土木工程專業(yè)的一門選修課，具有實(shí)踐性、綜合性的特點(diǎn)，一般在第七學(xué)期開設(shè)，其研究對(duì)象是房屋建筑工程方向的學(xué)生。課程以理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐操作相結(jié)合，本科階段主要以框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)應(yīng)用為主。該課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)相關(guān)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)也為后期畢業(yè)設(shè)計(jì)以及從事相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作服務(wù)。該課程為上機(jī)操作學(xué)習(xí)，與本科階段其它專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，應(yīng)用到具體工程進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。該課程的目標(biāo)是讓學(xué)生達(dá)到熟練操作軟件命令、熟悉建筑施工圖紙含義，在此基礎(chǔ)上建立三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，結(jié)合相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析處理。2 PKPM功能介紹

2.1 PKPM包含的模塊

PKPM軟件包括的內(nèi)容較多，基本覆蓋了土木工程所有的建筑設(shè)計(jì)。其中結(jié)構(gòu)建模、平面框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PK、多層及高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE、地基基礎(chǔ)建模與計(jì)算設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件、隔震結(jié)構(gòu)非線性設(shè)計(jì)分析、結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計(jì)軟件等在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)。本科教學(xué)主要以結(jié)構(gòu)建模、多層及高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE、地基基礎(chǔ)建模與計(jì)算、混凝土施工圖設(shè)計(jì)為主［1］。結(jié)構(gòu)建模主要是通過(guò)建筑平、立、剖面提供的信息，將二維建筑轉(zhuǎn)換成三維結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)軟件SATWE是最重要的一部分，大部分設(shè)計(jì)參數(shù)都與現(xiàn)行相應(yīng)的規(guī)范緊密結(jié)合，如：JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（簡(jiǎn)稱高規(guī)）、GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）、（GB 50010-2010）（2015年版）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)規(guī)范）、GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（簡(jiǎn)稱荷規(guī)）等。

2.2 PKPM結(jié)構(gòu)建模需要考慮的因素

首先，熟悉建筑施工圖，包括平面、立面、剖面，確定需要幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，一般對(duì)于教學(xué)中的5～6層建筑而言，可以分為3、4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層；其次，根據(jù)層數(shù)、層高、柱距、地震設(shè)防烈度的大小（一般分為6、7、8、9，設(shè)防烈度區(qū)且依次增大）、建筑抗震設(shè)防類別（一般分為甲、乙、丙、丁4類，抗震設(shè)防功能依次減弱），再結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)初步選定框架柱截面尺寸，考慮到便于施工方便，框架柱截面通常采用方形或矩形，圓形截面箍筋施工比較復(fù)雜使用的較少；最后分析樓面板、屋面板上的恒活荷載如何計(jì)算與布置？確定梁上填充墻體引起的荷載如何計(jì)算與布置？這些都是在建模型之前需要完成。

2.3 PKPM框架結(jié)構(gòu)建模的具體流程

根據(jù)教學(xué)進(jìn)度需要，一般授課過(guò)程中，按照順序由易到難進(jìn)行。第一部分是PMCAD，結(jié)合建筑施工圖給出的信息，初步確定框架柱、框架梁、非框架梁的截面尺寸，采用平行直線法形成軸線及節(jié)點(diǎn)；布置各類構(gòu)件至具體位置、結(jié)合建筑施工圖確定梁柱構(gòu)件的偏心對(duì)齊、樓板恒活均布面荷載與梁上恒線荷載輸入布置、樓面板板厚及錯(cuò)層的補(bǔ)充修改、本層信息的設(shè)置等；如前面所述，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)量對(duì)于層數(shù)不同的建筑物會(huì)采取相應(yīng)的變化，一般采用3～4個(gè)結(jié)構(gòu)模型標(biāo)準(zhǔn)層，不同標(biāo)準(zhǔn)層的主要區(qū)別是柱截面從下至上依次減小（主要是底部的作用效應(yīng)較大，截面一般較大），四周框架梁一般考慮立面效果與施工方便不做修改，內(nèi)部梁截面一般不做修改，但是上下層功能發(fā)生改變時(shí)，內(nèi)部梁的位置與截面尺寸會(huì)隨之改變；將之前完成的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行樓層組裝，由平面結(jié)構(gòu)形成三維模型，組裝時(shí)各層的結(jié)構(gòu)高度尤其是第一標(biāo)準(zhǔn)層，完全不同于建筑高度，它包括基礎(chǔ)頂部至室外地面、室外地面至2層樓面兩部分的高度之和，高度定義不準(zhǔn)確后期的結(jié)果計(jì)算會(huì)不真實(shí)，會(huì)影響到結(jié)構(gòu)安全或造價(jià)。第2部分是SATWE設(shè)計(jì)，這部分知識(shí)點(diǎn)與規(guī)范緊密結(jié)合，內(nèi)容較多且難度較大，也是考查學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)掌握的程度，主要涉及到結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義或選擇，如抗震等級(jí)的確定、結(jié)構(gòu)規(guī)則的判斷分析、雙塔如何設(shè)置、特殊梁及特殊柱、中梁剛度是否放大、周期折減系數(shù)、材料容重、烈度選擇、場(chǎng)地類別等。第三部分是SATWE結(jié)果，經(jīng)過(guò)PKPM軟件計(jì)算分析后，查看各部分指標(biāo)（軸壓比、周期比、位移比、剛度比、剪重比、位移角、剛重比、穩(wěn)定性、層間剪力比等）是否滿足規(guī)范要要求，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)結(jié)合規(guī)范或課本知識(shí)進(jìn)行調(diào)整，使結(jié)構(gòu)滿足承載力、剛度、延性和耗能的要求。

3 教學(xué)中遇到的問(wèn)題以及解決思路

大多數(shù)學(xué)生通過(guò)《混凝土結(jié)構(gòu)原理》《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》等課程的學(xué)習(xí)后，對(duì)框架結(jié)構(gòu)概念有了一定的理解。通過(guò)具體建筑施工圖與軟件結(jié)合時(shí)，面臨首要問(wèn)題是梁板柱構(gòu)件的尺寸不知如何確定。造成這樣的原因很多，如課本知識(shí)與相應(yīng)規(guī)范聯(lián)系不夠緊密、學(xué)生平時(shí)缺少對(duì)周圍建筑構(gòu)件的觀察、缺少接觸工程圖紙的機(jī)會(huì)等。

3.1 非框架梁的定義、作用、截面尺寸的合理選擇

非框架梁是指其兩端被其它梁所支撐，通常用L表示，分為單跨和多跨連續(xù)梁，工程設(shè)計(jì)中盡可能實(shí)現(xiàn)多跨，有利于構(gòu)建更好地受力。非框架梁的作用主要有2方面，其一是用來(lái)分隔樓板，降低樓板跨度，減小樓板厚度，從而降低造價(jià)，改善其裂縫和撓度變形，提高使用功能；其二是考慮避免填充墻直接坐落在樓板上，導(dǎo)致受力不良，梁的設(shè)置用來(lái)支撐其上部墻體的荷載［2］。梁截面高度應(yīng)考慮該梁的跨度、跨數(shù)、梁上是否有填充墻等因素，一般在設(shè)計(jì)中采用（1/14～1/11）L，L為梁的跨度，跨度越大該系數(shù)越大；梁的截面寬度一般為200 mm，截面高度越大代表梁跨度越大，導(dǎo)致彎矩以及剪力內(nèi)力較大，因此當(dāng)梁的截面高寬比大于2.5左右時(shí)，便于縱向受彎鋼筋的布置，梁的寬度應(yīng)適當(dāng)加至250 mm、300 mm等。教學(xué)過(guò)程中為了便于學(xué)生理解，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，一般將梁跨度在5m以內(nèi)梁截面寬度取值定為200 mm，跨度在5～6.5 m之間寬度取值為250 mm。非框架梁對(duì)于抗震不起任何作用，僅僅是分割樓板與支撐非承重墻體，這一點(diǎn)不同于框架梁。

3.2 非框架梁與樓板受力鋼筋的選擇

學(xué)生在設(shè)計(jì)中常常遇到受力縱筋與箍筋的困惑是如何選擇鋼筋的直徑，一般來(lái)說(shuō)便于工程施工與購(gòu)買材料，在設(shè)計(jì)中盡量減少直徑的種類。樓板縱筋采用三級(jí)鋼HRB400（一級(jí)鋼HPB300）時(shí)，對(duì)于樓板短跨在4 m左右以內(nèi)，下部鋼筋直徑為6 mm、6.5 mm（8 mm），上部鋼筋直徑為8 mm（8 mm），隨著板跨度繼續(xù)增加鋼筋直徑也會(huì)相應(yīng)變化；下部鋼筋直徑小主要是因?yàn)榭缰袕澗匦∮谥ё鶑澗厍蚁虏夸摻顬橥ㄩL(zhǎng)布置；板厚度一般在100 mm左右，板中受力鋼筋直徑取值較小是考慮到保護(hù)層厚度以及鋼筋的凈距要求。

非框架梁截面尺寸較框架梁偏小，縱向鋼筋直徑一般選擇12、14、16、18，內(nèi)力越小直徑越小。箍筋一般不需要考慮抗震構(gòu)造措施，滿足抗剪要求即可，通常選擇6 mm，對(duì)于個(gè)別兩端剪力較大的梁可以適當(dāng)增加至8 mm。

3.3 非框架梁與樓板如何解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題

對(duì)于樓板設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題主要有撓度、裂縫、配筋率，一般來(lái)說(shuō)板下部配筋率都是構(gòu)造配筋率（最小配筋率）大于計(jì)算配筋率，取構(gòu)造面積進(jìn)行配置［3］；上部鋼筋配筋率一般計(jì)算配筋率大于構(gòu)造配筋率，取內(nèi)力計(jì)算面積進(jìn)行鋼筋布置。對(duì)于下部鋼筋配筋率大于構(gòu)造配筋率時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加板厚度，這樣對(duì)于板配筋來(lái)說(shuō)比較經(jīng)濟(jì)。撓度或裂縫的控制依據(jù)“設(shè)計(jì)規(guī)范”規(guī)定，若超出影響正常使用，有效的辦法是加大板厚度即可解決。

梁出現(xiàn)縱向鋼筋配筋率較大，主要原因是彎矩較大所致，有效的辦法為加大梁截面高度，降低配筋率。截面不要盲目加大太多，依次增加50 mm、100 mm等進(jìn)行修改，改變寬度效果不明顯（如果計(jì)算面積較大不利于布置可以適當(dāng)增加截面寬度）；剪力作用下配箍率較大，應(yīng)調(diào)整截面寬度或適當(dāng)增加梁混凝土標(biāo)號(hào)。

3.4 框架梁的截面選擇

框架結(jié)構(gòu)的主梁截面高度可按計(jì)算跨度的1/10～1/18確定；梁凈跨與截面高度之比不宜小于4。梁的截面寬度不宜小于梁截面高度的1/4，也不宜小于200 mm［4］。一般在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合大量工程經(jīng)驗(yàn)參考，對(duì)于跨度6 m以內(nèi)，四周外部框架梁截面高度取計(jì)算跨度的1/10～1/11左右，內(nèi)部框架梁截面高度取計(jì)算跨度的1/12～1/13之間，框架梁寬度取250 mm；對(duì)于跨度6～8 m之間，四周外部框架梁截面高度取計(jì)算跨度的1/8～1/10之間，內(nèi)部框架梁截面高度取計(jì)算跨度的1/10～1/12之間，框架梁寬度取300 mm。對(duì)于層高較大、設(shè)防烈度區(qū)較高、樓層數(shù)量較多的情況可以適當(dāng)增加取值系數(shù)。

3.5 解決框架梁在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題

框架梁KL是指兩端或一端與框架柱剛性連接，與框架柱形成整體共同承受外力［5］。內(nèi)力主要有彎矩與剪力，彎矩較大引起的縱筋偏多不利于布置，可增加截面高度解決，縱筋直徑一般選擇16、18、20、22，優(yōu)先選擇直徑較小的鋼筋，直徑不宜太大避免部分位置受力過(guò)大或增加浪費(fèi)。配箍比較大時(shí)需要調(diào)整截面尺寸，尤其是寬度。總之改善截面高度可有效改變受彎狀態(tài)，改善寬度或混凝土強(qiáng)度等級(jí)可以有效改變受剪狀態(tài)，這一點(diǎn)類似于非框梁。在不影響建筑功能的情況下，所有框架柱在不同方向都應(yīng)布置框架梁，這樣可以形成多余約束，利于建筑物在地震狀態(tài)下的耗能設(shè)計(jì)。框架梁上活荷載是否考慮折減，取決于梁的從屬面積［6］。

4 結(jié)束語(yǔ)

首先，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，不僅要熟悉軟件命令、操作，更重要的要多理解規(guī)范、建筑圖紙、結(jié)構(gòu)圖紙的表達(dá)含義；其次，多觀察身邊建筑的框架柱、框架梁、非框架梁的截面尺寸，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，初步選擇和布置構(gòu)件尺寸；最后，學(xué)習(xí)軟件要多思考，對(duì)于出現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)從概念出發(fā)，找到最有效的方法解決。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張宇鑫， 劉海成， 張星源. PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用［M］.2版. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社， 2010.

［2］ 卿科.剪力墻數(shù)量與空間位置對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué).2007： 15-18.

［3］ 中華人民社共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB50011—2010［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］ 中華人民社共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程： JGJ3-2010［S］. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2010.

［5］ 中華人民社共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范： GB50011—2010［S］. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］ 中華人民社共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) .建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范： GB5009—2012［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.