2010年6月云南冶金Jun.2010
第39卷第3期(总第222期)YUNNANMETALLURGYVol139.No13(Sum222)
多层框架住宅的PKPM计算结果中
几个主要参数的控制及调整方式
陈 颢,侯可为,葛峻廷
(昆明冶金研究院,云南 昆明 650031)
摘 要:结合实际工程情况、对比计算结果,着重介绍该建筑PKPM工程计算软件的电算结果中4个主要参数(柱轴压比、剪重比、刚度比、有效质量比)的控制方式,分析控制原理,并对其人工合理化的原理及方式进行论述。
关键词:多层框架住宅;PKPM;柱轴压比;剪重比;刚度比;有效质量比
中图分类号:TU24117 文献标识码:A 文章编号:1006-0308(2010)03-0076-05ControlandAdjustmentWaysofSeveralMainParametersintheResults
CalculatedforMultilayerFrameHousebyPKPMSoftware
CHENHao,HOUKe-wei,GEJun-tin
(KunmingMetallurgyResearchInstitute,Kunming,Yunnan650031,China)
ABSTRACT:Bycombiningwiththepracticalengineeringsituationandcomparingcalculationresults,thecontrolwaysoffourmain
parameters(axialcompressionratio,shear-weightratio,stiffnessratio,effectivemassratio)inthecalculationresultsobtainedbyPKPMcalculationsoftwarewerefocusedon,andthecontrolprincipleswereanalyzed.Moreover,theartificialandrationalizedregulatoryprinciplesandmethodswerediscussed.
KEYWORDS:multilayer-framehouse;PKPM;axialcompressionratio;shear-weightratio;stiffnessratio;effectivemassratio
通过对PKPM工程计算软件在实际工程的计算结果中:柱轴压比、剪重比、刚度比、有效质量比4个主要控制参数的阐述。着重针对4个参数相应规范和实际工程数据,分析各个参数的控制原理和意义,并通过对实际数据的对比和分析,最终提出对4个参数的控制和调整方式。
防类别:丙类;基础形式:桩基;抗震设计基本参数:抗震设防烈度8度;设计基本地震加速度012g;设计地震分组第2组;建筑物场地土类别II类;用于小震作用下截面抗震验算和抗震变形验算的水平地震影响系数最大值和特征周期值为01160s及0130s。根据《抗》规4111及其条文说明
1 工程概况
工程位于昆明市马街镇生活区7号楼,建筑面
2
积2161m,总高度1912m。建筑结构的抗震等级:二级;设计合理使用年限:50a;建筑抗震设
地震影响系数最大值增大系数取112;风荷载取
2
值:基本风压取0130kN/m;雪荷载取值:基本雪
2
压取0130kN/m。
结构平面布置图见图1、图2。
3收稿日期:2010-03-29
作者简介:陈 颢(1980-),男,云南昆明人,助理工程师。
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陈 颢,等 多层框架住宅的PKPM计算结果中几个主要参数的控制及调整方式
本工程由于距离挡土墙较近,经计算采用112
倍的地震影响系数,同时,由于室外地面较高,故底层需要设楼板抬高室内地坪。层高表见表1。
分析。211 柱轴压比
柱轴压比:指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比(可不进行地震计算的结构,取无地震作用组合的轴压力设计值)。柱轴压比主要用于控制结构的延性,即立柱在轴向力作用下的延性,柱轴压比越小说明结构的延性越好,柱轴压比越大说明结构的刚度越大,结构的侧移越大抗震性能越
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2 参数分析和控制
在PKPM工程计算软件内建模计算,计算结果中的主要控制参数有:柱轴压比、剪重比、刚度比、有效质量比。
下面对各个参数的控制原理和调整方式进行
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表1 层高表
Tab11 Storeyheighttable
层号
标高/m
-11600
123456
01008。在计算时应注意《抗规》51215条,对于6度区可不要求该剪力系数,可详读该条的条文说
梁板混凝土标号
柱混凝土标号
层高/mm
明。即6度区按018%较好,这样对结构来说是更
安全的(类似于最小配筋率的概念)。在规范中,规定了剪重比的最小值,即要求各楼层都要承担足够的地震作用,设计时不能小于规范的要求,若出现竖向不规则结构的薄弱层,则该薄弱层的水平剪力增大1115倍;在抗震规范的抗震截面验算的条文说明中,也明确指出,剪重比是一个调整系数,即这不是一个指标,计算结果出来后,若剪重比大于规定的最小值,计算结果不作调整,若小于,应将地震剪力调大,使剪重比达到规定的最小值。对于一般多层结构,最小的剪重比值往往较容易满足,如:本工程为8度Ⅱ类,抗震规范要求的X向楼层最小剪重比等于3120%,抗震规范要求的Y向楼层最小剪重比等于3120%,本工程一至八层的剪重比分别为::X向:10193%、12146%、131%、15126%、16169%、18118%、19174%、24126%,Y向:10173%、12124%、13167%、15107%、16160%、18131%、20117%、25195%。
±01000
218005160081400111200141000161800191200
16002800280028002800280028002400
C35C35C35C30C25C25C25C25
C30C30C30C25C25C25C25C25
屋面顶层
差。详细的规范要求,见《抗规》(GB50011-2001)61317条。本工程的柱轴压比限值为018,
由于楼层数不多,且柱距不大,柱轴压比较容易控制。在轴压比不满足时,一般可采用:增大柱截面,提高柱混凝土强度等级,来加以改善;另外,如果轴压比超限不多,通过适当减小轴压比超限柱上的梁截面,将作用在超限柱上的过多荷载分散,并由周围的柱和超限柱来一起承担,以减少超限柱的轴压比。如果超限柱周围的柱轴压力已经较大或接近轴压比限值,说明柱距过大,过大的调大梁截面则不能满足“强柱弱梁”,调大柱截面很容易使柱的剪跨比大于2而形成短柱,是不可取的,应考虑增加柱来分担过多的荷载。212 剪重比剪重比:是反映地震作用大小的重要指标,它可以由“有效质量系数”来控制,当“有效质量系数”大于90%时,可以认为地震作用满足规范要求。此时,再考察结构的剪重比是否合适,否则应修改结构布置、增加结构刚度,使计算的剪重比能自然满足规范要求。有效质量系数与振型个数有关,如果有效质量系数不满足90%,则可以通过增加振型数来满足。剪重比也是地震剪力系数,由《抗规》(GB50011-2001)对51215条的条文说明可知,“对于扭转效应明显或基本周期小于315s的结构,剪力系数取012amax”,由此可据《抗规》表51114-1推算出各地震列度下的剪力系数:9度为012×0132=010,8度为012×0116(0124)=01032(01048),7度为012×0108(0112)=01016(01024),6度为012×0104=78
根据以上数据分析:第八层的剪重比突然增加的较多,主要原因是第八层为出屋面楼梯间,面积缩减很多,形成类似于竖向不规则薄弱层,则要求人为调大地震作用,在SATWE的数据前处理的调整信息中,人为地将顶塔楼地震作用放大系数调整为115,确保出屋面楼梯间能够承受足够的地震力。地震作用下影响建筑剪重比的内在原因是结构刚度,结构刚度过小,不能满足结构抗震要求,导致结构位移过大;结构刚度过大,吸收地震能量过多,不但造成材料的浪费,还容易形成应力集中的情况。结构刚度的大小可参考层间位移比,只要这个比值合适,一般来说剪重比值也会比较适中,根据目前许多工程的计算结果,截面尺寸、结构布置都比较正常的结构,其底部剪力大约在下述范围内:
8度,Ⅱ类场地土:Fek=(0103～0106)G7度,Ⅱ类场地土;Fek=(01015～0103)G式中:Fek为底部地震剪力的标准值;G为结构总重量。
剪重比不满足时的调整方法:1)程序调整:在SATWE的“调整信息”中勾选“按抗震规范51215调整各楼层地震内力”后,SATWE按《抗规》51215,自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值
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之和,用以调整该楼层地震剪力,以满足剪重比
要求。
2)人工调整:如果还需人工干预,可按下列3种情况进行调整:
①当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时,表明结构过柔,宜适当加大柱截面,提高刚度;
②当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时,表明结构过刚,宜适当减小墙、柱截面,降低刚度以取得合适的经济技术指标;
③当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时,可在SATWE的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数增大地震作用,以满足剪重比要求。213 刚度比刚度比:指的是建筑结构各层间的刚度比值(各层的刚度称为层刚度)。主要为控制结构整体竖向规则性。多层结构中,由于梁柱截面变化、混凝土标号的变化、板的开孔、跃层、退台等原因,造成竖向的各层之间的刚度突变,而形成的薄弱层。在地震作用下,薄弱层的侧向刚度和承载力不足,较容易发生破坏。正如《抗规》的31412条和《高规》的41413条所阐述,建筑的立面和竖向剖面宜规则,侧向刚度宜均匀变化,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变,楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。规范对结构各层之间的刚度比有严格的要求,判断各楼层刚度的大小,层刚度是否均匀变化,是否形成薄弱层,并根据刚度比对地震力进行放大。故层刚度计算的准确性、合理性比较重要。程序提供了3种计算方法:
方法1:楼层剪切刚度;
方法2:单层加单位力的楼层剪弯刚度;
方法3:楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度。
3种计算方法各有差异,应注意:当采用方法3计算层刚度时,如果结构平面中的洞口较多,这
进的水平尺寸大于相邻下一层的25%,则判定为薄弱层,该层的地震剪力应乘以1115倍的放大系数。各层刚度比见表2。
表2 楼层刚度比
Tab12 Storeys’Rigidityratio
层号
12345678
Ratx1311780114939114163113751114658114597118853112500
Raty13174821119115118114955115366115390118695112500
薄弱层地震剪力放大系数
11001100110011001100110011001100
注:Ratx1、Raty1:X、Y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者。以上数据分析:由于第一层层高较小、设有楼板、混凝土标号高、构件截面大,其刚度是上一层侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的3倍,可适当降低;第八层是出屋面楼梯间
(顶层),局部面积小,其刚度比应使用与下一层的刚度比来反映;当未出现薄弱层时,薄弱层地震剪力放大系数等于1100。
刚度比不满足时的调整方法:
1)程序调整:如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求,SATWE自动将该楼层定义为薄弱层,并按高规511114将该楼层地震剪力放大1115倍。
2)人工调整:如果还需人工干预,可按以下方法调整:
①适当降低本层层高,或适当提高上部相关楼层的层高;
②适当加强本层柱和梁的刚度,或适当削弱上部相关楼层柱和梁的刚度。214 有效质量比
样会造成楼层平均位移的计算误差增加,此时应选
择“强制刚性楼板假定”来计算层刚度。选择使用楼层剪切刚度法或单层加单位力的楼层剪弯刚度法时,程序默认楼层为刚性楼板。多层框架结构一般选用方法1:楼层剪切刚度,进行计算。计算除各层刚度后,再计算层刚度比,当某楼层的侧向刚度小于相邻上一层的70%,或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%;除顶层外,局部收
有效质量比:也称为有效质量系数,指由人为指定的抗震计算时考虑振型的数量与可能出现的振型的比值。则有效质量系数的大小由计算的振型个数决定,计算的振型个数值取值太小,不能正确反映模型应当考虑的振型数量,使计算结果失真;取
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值太大,不仅浪费时间,还可能使计算结果发生畸变。《高层建筑混凝土结构技术规程》511113-2条规定,抗震计算时,宜考虑平扭藕联计算结构的扭转效应,振型数不宜小于15,对多塔结构的振型数不应小于塔楼的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。一般而言,振型数的多少于结构层数及结构自由度有关,当结构层数较多或结构层刚度突变较大时,振型数应当取得多些,如:有弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式。振型组合数是否取值合理,可以看软件计算书中的X,Y向的有效质量系数是否大于019。具体操作是,首先根据工程实际情况及设计经验预设一个振型数计算后考察有效质量系数是否大于019,若小于019,可逐步加大振型个数,直到X,Y两个方向的有效质量系数都大于019为止。必须指出的是,结构的振型组合数并非越大越好,其最大值不能超过结构的总自由度数。例如对采用刚性板假定的单塔结构,考虑扭转藕联作用时,其振型不得超过结构层数的3倍。如果选取的振型组合数已经增加到结构层数的3倍,其有效质量系数仍不能满足要求,也不能再增加振型数,而应认真分析原因,考虑结构方案是否合理。另外,值得注意的是,满足有效质量系数还是前面提到过的几个地震力或位移量计算参数的必要条件,比如周期比的计算,要求有效质量系数在90%以上,计算出来的周期比才真实。本工程有效质量系数:X方向的有效质量系数等于92173%,Y方向的有效质量系数等于92175%,均以大于90%,满足规范要求。
1)整体兼顾局部。首先着眼点应在整体,整
体结构应满足抗倾覆、抗滑移、整体刚度和位移的协调;局部上应满足各构件的受力和变形,部分特殊构件还应构造加强。
2)综合。对计算结果中的几个主要控制参数的方式并非绝对,应根据规范,结合工程的实际情况进行判断,务求真实;几个主要控制参数之间存在相互联系,不可顾此失彼。
3)仔细计算,合理判断。对各个受力构件乃至整体的受力和力量传递路线情况应清晰明了,认真检查各构件的计算模型判断其合理性,对于一些构件还应该通过手算来进一步确定其受力状态的合理性。
4)注意检查前期各主要参数是否满足规范,特别是对程序中的重要参数的取值应仔细斟酌,认真校核,避免过分保守或偏于不安全。
5)概念入手,不可过分依赖计算程序,应加强对计算结果的判断分析,对计算程序不能解决的问题应辅以手算或其他可靠方法处理。
总之,无论计算的结果如何,仍需要设计人员通过认真仔细地判断其合理性,进行。所以,要求设计人员要有清晰正确的概念和丰富的工程经验,在遵循各种规范要求的前提下灵活调整控制,以达到安全、经济的目标。参考文献:
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3 结 语
由本工程的计算结果,我们可以看到,各参数的控制也非轻而易举,对于部分参数而言,由于其先决条件未能满足,得出的结论不一定与实际情况完全相符,有的参数也不是越大越好(如:刚度比)。所以我们在认真计算的基础上还应重视概念设计,采取有效的构造措施等等。综上所述个人总结了以下几点:
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