PKPM 上部結構設計軟件V2.1版改進要點簡介

黃吉鋒 張廷全 肖 麗 肖 川 王雁昆 聶 祺 萬福磊

(建研科技股份有限公司設計軟件事業(yè)部，北京100013)

1 引言

2010年以來，主要結構設計規(guī)范相繼頒布實施了新版本。PKPM2010新規(guī)范版結構分析設計軟件采用了全新的研發(fā)模式，對方案設計、研發(fā)、測試、用戶試用等環(huán)節(jié)進行了全新的策劃和有效實施，已經(jīng)相繼推出了2011年3月31日版、2011年9月30日版和2012年6月30日版本，經(jīng)過用戶兩年多的使用，反饋良好。

隨著大型結構、復雜結構的日益增多，計算規(guī)模增大、計算效率提高以及精細化分析的需求不斷被提出，同時對軟件使用上的便捷性也提出了更高要求。如果說2010版前三個版本針對的是規(guī)范的修訂更新，那么V2.1版本重點在于提高軟件的性能。

V2.1版上部結構軟件歷時半年多的集中開發(fā)與測試于2013年10月正式發(fā)布。V2.1版上部結構軟件的分析能力、效率都有非常大的提升，更貼近設計需求，軟件的界面與操作更加友好。

為了便于廣大設計人員了解V2.1版的改進，本文簡介了SATWE、PMSAP及新推出的包絡設計軟件等上部結構軟件的改進要點。

2 SATWE、PMSAP的技術改進

2.1 計算規(guī)模和效率的提升

V2.1版的SATWE與PMSAP開發(fā)了32位與64位兩個版本，增加了更為先進的并行求解器，除計算規(guī)模大幅增加之外，計算效率也有顯著提高。32位版的SATWE求解器采用了獨立進程技術，其計算規(guī)模較過去可以擴大一倍，計算規(guī)模對比可參見表1;64位版本由于內(nèi)存容量不受限制，計算規(guī)模可以達到千萬自由度以上，V2.1新版SATWE和PMSAP，求解規(guī)模和求解效率均有接近一個數(shù)量級的大幅度提高，從表2可以看出采用精細網(wǎng)格并全樓設置彈性板的超限工程也可以計算;通過近千個工程算例的計算比較，新求解器的正確性得到驗證;PKPM結構軟件正在向“高性能結構設計系統(tǒng)”的目標邁進。

圖1 SATWE求解器選擇按鈕

圖2 PMSAP求解器選擇按鈕

表1 新舊求解器規(guī)模對比

表2 新求解器計算效率情況統(tǒng)計

2.2 支持PMCAD新增的空間斜桿的分析與設計

對PMCAD中新增的空間斜桿類型，可在SATWE和PMSAP中指定相關的特殊構件屬性，如水平轉(zhuǎn)換、抗震等級、材料強度等，在“自定義構件施工次序”和“自定義活荷折減系數(shù)”菜單中也可以對空間斜桿進行相應指定，如圖3和圖4所示。

SATWE和PMSAP對PMCAD輸入的空間斜桿自動進行轉(zhuǎn)換，按照普通的支撐桿件進行內(nèi)力分析和配筋，輸出結果與普通支撐完全相同。

2.3 自定義構件施工次序

根據(jù)高規(guī)5.1.9條規(guī)定:復雜高層建筑結構及房屋高度大于150 m的其他高層建筑結構，應考慮施工過程的影響。V2.1以前版本提供了模擬施工1～模擬施工3共三種施工模擬算法，其中模擬施工3允許按層指定施工次序，可滿足大多數(shù)工程需求;V2.1版進一步增加了指定構件級施工次序的功能，如圖5所示，對于部分復雜結構，可以更為準確地進行施工模擬計算。

圖3 “特殊構件補充定義”→“空間斜桿”

圖4 “施工次序補充定義”→“空間斜桿”

2.4 自定義構件活荷效應折減系數(shù)

V2.1以前版本對于柱、墻可以自動搜索上部相連樓層數(shù)，并自動確定其折減系數(shù)，在配筋設計時對活荷效應進行折減;對于梁則只能在PM中直接對活荷載進行折減;V2.1版在SATWE、PMSAP中增加了對于梁活荷折減的全局設置，如圖6和圖7所示，同時新增了自定義構件活荷效應折減系數(shù)的功能，用戶可在程序自動判斷的默認值基礎上進行單構件指定。

圖5 指定樓層施工次序指定構件施工次序

圖6 SATWE指定構件折減系數(shù)

圖7 PMSAP指定構件折減系數(shù)

2.5 增加了鋼板剪力墻及鋼板連梁設計功能

如圖8及圖9所示，V2.1增加了鋼板墻和鋼板連梁的計算和設計功能，其屬性可以在“特殊墻”中指定。墻柱和墻梁的鋼板厚度和鋼號可以獨立定義。鋼板會影響墻和連梁的剛度、內(nèi)力以及結構周期、位移。承載力設計階段，鋼板參與正截面和斜截面的承載力計算以及剪壓比驗算。

圖8 SATWE鋼板剪力墻及鋼板連梁定義

圖9 PMSAP鋼板剪力墻及鋼板連梁定義

2.6 增加了轉(zhuǎn)換梁按殼元計算功能

V2.1版允許用戶按照剪力墻輸入工程中常見的超大梁轉(zhuǎn)換構件、箱式轉(zhuǎn)換構件、加強層的實體伸臂和環(huán)帶、懸挑層的實體伸臂等，這些用來“模擬水平轉(zhuǎn)換構件的剪力墻”，稱其為“轉(zhuǎn)換墻”，用戶可在特殊構件補充定義中進行指定，如圖10所示。

圖10 指定“轉(zhuǎn)換墻”

PMSAP早期的版本就提供了轉(zhuǎn)換墻分析和設計的功能，V2.1版中SATWE對“轉(zhuǎn)換墻”采用殼體有限元分析，通過應力積分得出梁式內(nèi)力，按照轉(zhuǎn)換梁做內(nèi)力調(diào)整，最終給出梁式配筋。

2.7 SATWE分方向指定風荷載體型系數(shù)

根據(jù)荷載規(guī)范表8.3.1第31項的規(guī)定，對于高度超過45m的矩形截面高層建筑，順風向背風面的體型系數(shù)與矩形截面兩邊長的比值相關，因此計算X，Y向風荷載時，體型系數(shù)(迎風面與背風面體型系數(shù)之和)可能不同。V2.1版SATWE中可對X、Y方向分別指定體型系數(shù)，如圖11所示。

圖11 設定風荷載體型系數(shù)

2.8 SATWE分方向指定鋼柱計算長度系數(shù)按有/無側(cè)移計算

確定鋼柱計算長度系數(shù)時，首先需判斷鋼框架是有側(cè)移還是無側(cè)移，在X、Y兩個方向有可能不同，舊版只能兩個方向統(tǒng)一指定，V2.1版則可以兩個方向分別指定，如圖12所示。

圖12 設定鋼柱計算長度系數(shù)

2.9 SATWE對剪力墻開洞方式建模的連梁指定設縫連梁

根據(jù)抗規(guī)6.4.7條，跨高比較小的高連梁，可設水平縫形成雙連梁、多連梁，V1.3版僅能在以框架梁方式建模的連梁上設縫，V2.1版增加了在按開洞剪力墻方式建模的連梁上設縫的功能，如圖13所示。

圖13 指定設縫連梁

2.10 自動計算最不利水平地震作用

SATWE“新增自動考慮最不利水平地震作用”功能，程序可將計算得到的最不利地震作用角度自動作為附加地震作用方向，無須用戶再將該角度值手工回填，如圖14所示。

圖14 設定自動考慮最不利水平地震作用

2.11 剪切剛度計算執(zhí)行高規(guī)附錄E

V2.1以前版本按01版抗規(guī)中的公式計算剪切剛度，較粗略。V2.1版中執(zhí)行高規(guī)附錄E的公式，計算結果更精確，如圖15所示。

圖15 高規(guī)附錄E公式

2.12 地下一層以下抗震構造措施的抗震等級逐層

抗降震低規(guī)范6.1.3-3條規(guī)定:當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y構的嵌固部位時，地下一層的抗震等級應與上部結構相同，地下一層以下抗震構造措施的抗震等級可逐層降低一級，但不應低于四級。

新版增加“地下一層以下抗震構造措施的抗震等級逐層降低”的參數(shù)，可自動實現(xiàn)上述有關構造措施抗震等級的調(diào)整，如圖16所示。

圖16 設定選項

2.13 SATWE分析與設計參數(shù)的細化

1)墻與板的網(wǎng)格尺寸分開控制

V2.1以前版本當樓板采用彈性板或彈性膜分析時，其網(wǎng)格劃分的最大尺寸與墻元相同，通常采用1m。新版中將樓板的網(wǎng)格劃分最大尺寸與墻分開控制，可適當降低計算規(guī)模，同時分析結果變化不大，如圖17所示。

圖17 墻元與樓板分別指定劃分尺寸

2)增加柱和支撐的臨界角度

V2.1以前版本SATWE內(nèi)定當斜桿與Z軸夾角小于等于20度時，按柱處理，大于20度時按支撐處理。V2.1增加“支撐臨界角”參數(shù)，可由用戶根據(jù)工程需要自行指定，如圖18所示。3)指定梁按壓彎構件設計的軸壓比

圖18 設定支撐默認角度

V2.1以前版本對梁的設計不考慮其軸壓力，直接按受彎構件進行計算。

V2.1版可由用戶進行指定，當梁的軸壓力設計值超過用戶指定限值時，自動按偏心受壓構件計算，如圖19所示。

4)可選擇不同規(guī)范確定構造邊緣構件尺寸

圖19 梁按壓彎構件計算的最小軸壓比

“混凝土規(guī)范”、“抗規(guī)”、“高規(guī)”關于構造邊緣構件尺寸的規(guī)定略有不同，V2.1版允許用戶自行選擇確定構造邊緣構件尺寸的規(guī)范依據(jù)，如圖20所示。

圖20 邊緣構件尺寸依據(jù)

5)實配鋼筋超配系數(shù)的分層指定

SATWE通過實配鋼筋超配系數(shù)放大計算配筋以進行樓層抗剪承載力的計算，V2.1版以前只能指定全樓統(tǒng)一的超配系數(shù)，V2.1版可分別指定柱、墻超配系數(shù)，并可自定義各樓層不同的超配系數(shù)，如圖21所示。

圖21 設定實配鋼筋超配系數(shù)

2.14 抗震構造措施的獨立控制

特殊構件補充定義中，增加了單構件指定抗震構造措施的抗震等級的功能，對于梁、柱、撐、墻的均可同時修改其抗震措施的抗震等級和抗震構造措施的抗震等級，如圖22所示。

圖22 指定單構件抗震構造措施

2.15 特殊構件的空間定義

V2.1以前版本只能進行特殊構件的平面定義，V2.1版增加了空間定義的功能，可在平面和空間方式下隨時進行切換，如圖23所示。

圖23 特殊構件的空間定義

2.16 指定人防構件

V2.1以前版本對于人防層均按人防構件進行設計，V2.1版增加了人防構件的指定功能，只有指定為人防構件才會按人防規(guī)范進行設計，如圖24所示。默認對于人防層的構件都判斷為人防構件。

圖24 指定人防構件

2.17 針對對廣東規(guī)程的相關功能及改進

SATWE和PMSAP新增加了廣東規(guī)程的設計要求，適應了廣東地區(qū)的設計需要，按照廣東規(guī)程重點進行了如下方面的開發(fā):

1)增加了扭轉(zhuǎn)不規(guī)則程度分類;

2)按廣東規(guī)程計算結構側(cè)向剛度;

3)按廣東規(guī)程考慮偶然偏心;

4)計算局部結構的水平方向質(zhì)量參與系數(shù);

5)豎向構件變形差產(chǎn)生附加彎矩的調(diào)幅;

6)按廣東規(guī)程進行性能設計;

7)按廣東規(guī)程進行剪重比調(diào)整;

8)按廣東規(guī)程判斷短肢剪力墻;

9)按廣東規(guī)程進行短肢剪力墻的設計;

10)按廣東規(guī)程控制剪力墻軸壓比;

11)按廣東規(guī)程進行約束邊緣構件設計;

12)按廣東規(guī)程進行0.2V0調(diào)整;

13)按廣東規(guī)程控制框筒結構軸壓比;

14)按廣東規(guī)程進行框筒結構剪力調(diào)整;

15)按廣東規(guī)程增加巨型框架-核心筒結構;

16)按廣東規(guī)程自動提高轉(zhuǎn)換層及相鄰層的抗震等級。

2.18 SATWE圖形和文本輸出的改進

1)WMASS.OUT中增加輸出橫風向風振的等效風荷載及扭轉(zhuǎn)風振的等效風荷載;

2)WZQ.OUT中輸出兩個方向地震作用下各振型的質(zhì)量參與系數(shù);

3)WMASS.OUT中增加了是否進行傳基礎剛度計算的標識;

4)最大限度地清理了分析過程中生成的占用較大硬盤空間的中間文件，以便拷貝。

2.19 PMSAP彈性板增加荷載組合下分析結果的輸出

V2.1以前版本對彈性板僅輸出單工況下的位移、應力結果，V2.1版增加了各荷載組合下的位移、應力結果顯示，并在應力結果中增加了剖面線的功能，如圖25-27所示。

圖25 菜單操作

圖26 等位移線

圖27 剖面線

2.20 PMSAP深化設計的特色功能

1)鋼-砼混合結構的精細分析(CCQC)功能

混合結構由兩種阻尼特性不同的材料組成，其抗震分析方法與由單一阻尼特性的材料組成的結構有本質(zhì)不同。采用統(tǒng)一指定的阻尼比分析混合結構具有近似性;

CCQC方法是目前求解非比例阻尼系統(tǒng)的最完善方法，PMSAP中實現(xiàn)了使用CCQC方法進行混合結構的地震分析，能夠完成混合結構的準確分析與設計。

2)具有剛度特性和阻尼特性的隔震減振通用支座分析

工程中各種隔震支座及彈性支座的應用日益廣泛，PMSAP提供了能夠適用于各類支座的建模、分析、設計功能，滿足工程需求。

3)針對復雜空間結構及建筑結構的豎向地震反應譜分析

大跨空間結構及部分高烈度地區(qū)的建筑結構應考慮豎向地震的影響，抗震規(guī)范中的簡化方法不能真實反映豎向地震引起的二次共振、豎向錯動等效應。PMSAP提供了完善的豎向地震的振型分解反應譜法。

4)針對梁、柱、墻、板的完善的溫度效應分析和設計

工程中超長超大平面結構、復雜連體結構日益增多，溫度應力分析需求很大。PMSAP提供的溫度分析及相關設計功能計算問題準確，考慮全面，能夠方便地用于實際工程設計。

5)對復雜結構中的樓板進行整體精細分析及設計

復雜結構中的某些樓板或斜板，存在顯著的面內(nèi)應力和變形，這些樓板應進行基于有限元分析的全樓整體設計，簡化設計方法可能存在安全隱患。PMSAP提供了各類板的各工況下的分析功能，能夠給出板的應力應變云圖，并進行配筋設計。

6)錯層墻、山墻、異型斜墻的分析和設計

PMSAP按照殼體有限元進行變形和應力分析，按照剪力墻的要求進行地震內(nèi)力調(diào)整、組合內(nèi)力調(diào)整，在邊界和形心各點處進行應力配筋，取包絡形成水平分布筋和豎向分布筋，同時考慮邊緣構件的構造要求。

7)對復雜結構的彈性穩(wěn)定性(BUCKLING)分析

非懸臂柱形式的高層結構及復雜空間結構，不能利用規(guī)范中的簡化方法進行剛重比計算，應采用BUCKLING分析方法;PMSAP提供了BUCKLING分析功能。

8)全新、完整的結構抗震性能化設計

老版本只提供單一功能的性能化設計方法，一次計算僅能計算一個全樓統(tǒng)一的性能水準。V2.1版中可以建立“結構性能水準”列表，定義各個構件的性能目標，一次性完成全樓的抗震性能設計。

3 新推出包絡設計軟件

PKPM-V2.1版推出全新的多模型包絡設計軟件，可對多個模型(不同模型方案或同一模型選擇不同設計參數(shù)、不同設計軟件)進行自動分析設計并提取配筋包絡結果。軟件提供多種自動形成多模型的方案，也可由用戶交互指定構件配筋采用的計算模型。

該軟件主要解決以下幾種常見工程設計需求:

1)多塔結構包絡設計，實現(xiàn)整體、分塔多模型的包絡設計;

2)多模型包絡設計，包括不同參數(shù)、不同模型的包絡設計;

3)多軟件包絡設計，同一模型，采用SATWE和PMSAP兩個軟件包絡設計;

4)多性能水準設計，可能分構件、分部位指定性能化目標，實現(xiàn)小震分析、中震分析、大震分析的自動完成，根據(jù)指定的性能化目標，分別采用對應的分析結果;

5)帶樓梯結構設計，解決帶樓梯、不帶樓梯模型的包絡設計。

V2.1版PKPM主界面中增加“包絡設計”的菜單，如圖28所示。

圖28 包絡設計主界面

包絡設計的基本流程如圖29所示。

圖29 包絡設計軟件使用流程

4 SLABCAD軟件增加功能

SLABCAD原求解器為LDLT求解器，對于大型樓蓋體系計算速度較慢。V2.1版增加VSS求解器，計算速度大大提升，經(jīng)對比測試計算速度提高達10倍以上。

求解器選擇參數(shù)對話框如圖30所示，SLABCAD提供了LDLT和VSS兩個求解器供用戶選擇。

圖30 求解器參數(shù)選擇

算例1，某小型地下車庫，采用無梁樓蓋體系，如圖31所示。采用LDLT求解器需要求解48s，采用VSS求解器需要求解2s，可見，求解速度大大提高。

圖31 算例1軸測圖

圖32 算例2軸測圖

算例2如圖32所示，某大型地下車庫，無梁樓蓋體系，采用 LDLT求解器需要求解91min，采用VSS求解器需要求解7s，求解速度大大提高。

5 結語

PKPMV2.1版上部結構軟件，引進了高性能并行求解器，增加了較多實用的分析和設計功能。大規(guī)模的測試和試用表明，在保證正確性的前提下，V2.1版顯著提升了結構分析的規(guī)模和效率，更貼近設計需求，操作更加便捷友好。結構軟件正在向“高性能結構設計系統(tǒng)”的目標邁進。

[1]中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.PKPM 2010新規(guī)范版本設計軟件功能特點[M].北京，2013.

[2]中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.SATWE多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件(墻元模型)用戶手冊[M].北京，2013.

[3]中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.PMSAP復雜多、高層建筑結構分析與設計軟件(廣義協(xié)調(diào)墻元模型)用戶手冊[M].北京，2013.