PKPM課程教學中重要參數的調整與控制

豐正偉

(廈門大學嘉庚學院土木工程系 福建漳州 363105)

PKPM課程教學中重要參數的調整與控制

豐正偉

(廈門大學嘉庚學院土木工程系 福建漳州 363105)

針對PKPM教學中學生對設計參數運用存在的問題，對各類計算參數進行總結和規類，介紹了振型數、周期折減系數和偶然偏心的原理、取值及對計算結果的影響，分析SATWE后處理輸出文本中的周期比、位移比和軸壓比的內涵和意義，并基此提出了控制和調整方法。

振型數；周期折減系數；偶然偏心；周期比；位移比

0 引言

PKPM是我國自主開發的結構設計軟件，國內大部分建筑設計院均在使用。為了能更好地體現教學與實踐結合，讓學生畢業后更快適應工作崗位，大部分高校土木工程專業的畢業設計采用PKPM軟件進行建模和計算，并開設該課程，培養學生用所學專業知識解決實際問題的能力。

PKPM軟件可以分成PMCAD前處理模塊(建模)、分析模塊(設計參數及特殊構件定義)、后處理模塊(檢查圖形及文本)和施工圖的繪制。在進行結構分析及計算時要合理選擇PKPM有關參數，結合工程實際，配合程序使用才能得出合理的計算結果。若設計參數選擇不準確或錯誤,將會影響計算結果的精度、可靠性和實用性, 嚴重的還會影響所設計建筑物的安全[1]。

課程教學中把計算參數分成兩類，一類是模型計算前SATWE設計參數的輸入；另一類是計算完成后結果中參數的控制。本文擬結合多高層建筑規范，介紹重要參數的基本含義和取值，分析SATWE幾個重要參數輸入對計算結果的影響，并對SATWE后處理輸出文本中的參數提出控制和調整方法。

1 教學過程中存在的問題

課程教學為建模和結構計算兩部分內容，建模部分由于軟件的可操作性較強，學生較容易掌握，學習積極性高；結構計算涉及到參數的輸入控制和后期計算完之后參數的調整，需結合規范條文、專業知識，信息較多，學生掌握起來難度較大。

對第一類參數，大部分學生自學查閱規范條文，但對有些復雜的參數不理解其真正含義導致對計算結果的影響；第二類參數只知道“照葫蘆畫瓢”去模仿數據的輸入，計算結果不理想，不知道怎么去調整，對后期問題處理能力較差。

2 SATWE設計參數的設置

計算開始前，首先要根據規范及工程實際，對初始參數進行正確合理地選取和對特殊構件進行定義。SATWE前處理程序中的“分析與設計參數補充定義”包含項目和需要輸入的參數較多，如圖1所示。

圖1 計算參數信息示意圖

參數的信息量大，學生學習和掌握起來很困難，結合課程教學，可以把結構及構件計算參數按使用性質分成4類：

(1)按規范條文查找：如材料容重、風荷載信息、活荷載折減系數、地震分組、地震烈度及阻尼比等相關參數；

(2)實際工程信息中已給出：如地下室層數、結構體系、薄弱層設置等；

(3)需要多次計算才能得到：在計算前難以估計，需要經過試算才能得到，如最大地震力作用方向、振型數、結構基本周期等；

(4)需選擇性考慮的參數：如剛性樓板假定、周期折減系數、偶然偏心及雙向地震、梁端負彎矩調幅系數、中梁剛度放大系數等。

可以通過規范和實際工程讀取的參數，對學生而言相對簡單，比較容易查找和掌握；但有些參數會關系到整體計算的結果，必須取值合理，才能保證后續計算結果的正確性，但學生由于概念不清導致不會用或會用不理解的困境，如振型數、周期折減系數、偶然偏心及雙向地震等參數的設置。

2.1 振型數

大部分學生在設置該參數時，都是直接取3倍層數，而對該參數的含義及參數取值對計算結果的影響并不清楚。

在計算地震力時，振型個數的選取應是振型參與質量要達到總質量90%以上所需要的振型數。振型數的多少與結構層數及結構形式有關，一般取3乘以層數，多層建筑≥3個，高層建筑至少取9；當考慮扭轉耦聯計算時，振型數≤3倍總層數；多塔結構則振型數≥塔樓數的9倍[2]。對此，應注意以下3點：

(1)1層最多3個有效動力自由度，所以1層最多3個振型，振型個數不能超過結構固有的振型總數，如超過則會造成地震力計算異常。

(2)進行耦聯計算的結構，振型數>9，多塔結構應更多些，但應是3的倍數。

(3)保證有效質量系數>90%，意味著計算振型足夠，否則應增加振型數重新計算。

結構計算振型數增加，水平地震作用效應增大。振型數取少，后續振型產生的地震作用效應未能計入，導致計算結果不安全；振型數取多，導致運算時間過長，并對計算機內存要求大，多余的高振型對結構地震作用貢獻不大[3]。

一般的多高層建筑中，振型數取3倍層數計算不會出問題。學生設置該參數后，應注意查看計算結果中有效質量系數是否>90%；如果是多塔，振型數≥塔樓數的9倍，同時查看有效質量系數。

2.2 周期折減系數

學生對周期折減系數選擇大多還是參考規范的數據，而忽略了填充墻的材料組成，《高層建筑混凝土結構技術規程》[4]中給出折減系數取值，但主要針對實心粘土磚墻，對于目前廣泛應用的加氣混凝土填充墻、 普通混凝土和輕骨料混凝土空心砌塊填充墻、粘土空心砌塊填充墻等并未給出，如還按照規范取值將和實際工程的真實結果有一定的差距。

周期折減系數與填充墻的剛度成反比，填充墻總體的剛度越大，周期折減系數越小。參數設置過程中，周期折減系數取值偏大，會使結構物的地震作用偏小，設計偏于不安全；但取值偏小，會造成結構物的地震作用偏大，造成不經濟[5]。填充墻的材料類型、截面及豎向布置均會影響其剛度，間接影響周期折減系數取值。

因此，合理取值非常必要，實心粘土磚和加氣混凝土填充墻的周期折減系數按《高層建筑混凝土結構技術規程》[4]取值，各種混凝土空心砌塊填充墻對于框架結構可取0.9，框剪結構可取0.95，剪力墻結構取1.0，各類粘土空心砌塊填充墻可按0.95～1取值[5]。

2.3 偶然偏心

學生在“考慮偶然偏心”和“考慮雙向地震作用”選項的時候，是否該選擇，選與不選對后面計算結果的影響不清楚，基本概念掌握不牢。

考慮偶然偏心計算時，地震組合數增加，位移比增大約18%；對結構構件(梁、柱)的配筋增大約2%。可見是否考慮對計算結果中的位移比影響很大，對配筋影響較小。有些學生遺漏偶然偏心的選擇，顯示的計算結果滿足要求，其實是人為地減弱了地震產生的影響，會使結構偏于不安全。只在計算地震作用的時候才存在是否考慮偶然偏心的問題，可總結為“兩考慮三不考慮”，即計算單向地震作用和位移比時，考慮；計算層間位移角、雙向地震作用和周期比計算時，可不考慮。

3 計算結果中參數分析調整

經過建模和參數設置，計算完成后，分析計算結果文字數據與圖形數據，如圖2所示。通過數據分析對結果進行判斷和調整，確保模型及計算結果的正確、經濟與合理。

圖2 SATWE后處理文本文件示意圖

大部分學生計算完成之后，軟件操作到此并沒有結束，接下來要做的就是分析計算的結果。如有問題，需調整后重新計算；沒有問題，可以出圖和計算書，一般不可能一次計算成功，需多次反復地調整和重新計算，直到所有指標均滿足要求。

PKPM結構設計中的控制指標，即計算結果的文本和圖形數據。圖形文件可查看模型質量與剛度中心的位置、柱軸壓比、各工況下結構空間變形簡圖、結構整體空間振動簡圖及梁柱的超配筋情況等。

文本內容較多，其中用于控制結構整體性的指標有：軸壓比、周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比，需要學生理解每個參數的具體含義，在文本中的具體位置、規范限值等，而文本結果中有些參數需首要查看最容易出問題或不滿足、最難掌握和調整，如周期比、位移比、軸壓比。

基此，下文將分析這3個參數的控制原理和調整方法。

3.1 周期比

多層一般可不考慮周期比，控制位移比和剛度比即可，高層需考慮周期比。學生課堂練習中多層、較規則的結構居多，但計算結果中也存在很多問題，當平動周期中的扭轉比重過大時，學生不會查看周期文本文件中的參數，不知道如何修改，如第一振型中平動系數0.58，扭轉系數0.42。

這個計算結果不合理，第一振型為平動振型，平動中的扭轉比重大，抗震效果差，應該調整。即把平動系數調大，扭轉系數調小，調整的原則是加強周邊構件的剛度，削弱中間墻體，周邊均勻、對稱，讓結構的質量中心與剛度中心盡量接近。規范對平動系數取多少才算是純粹的平動沒有明確的規定，一般簡單、規則的多層結構大于0.8就完全可以，但有的學生平動系數為0.5，經查看為模型建模出錯所致。

PKPM輸出文件中未直接給出周期比，需自行計算。一般單塔結構，第一、第二周期為平動周期，第三周期為第一扭轉周期。平動系數和扭轉系數相加等于1，如平動系數大于0.5，該振型為平動振型；扭轉系數大于0.5，為扭轉振型[6]。對一些復雜的結構還應結合“結構整體空間振動圖”信息來進行判斷。

多塔結構應分成多個單塔，按多個結構分別計算、驗算周期比。周期比不滿足要求時,說明結構扭轉剛度較側移剛度偏小需要給予調整。

調整方法如下：

(1)通過調整整體結構布置，加強結構外圍墻、柱或梁的剛度(減小第一扭轉周期)。

(2)適當削弱結構中間墻、柱的剛度(增大第一平動周期)。

(3)主軸方向上周期短的，就減小該方向上的抗側構件剛度；周期長的，就加大該方向的抗側構件剛度，同時注意各層位移比。

(4)周邊布置要均勻、對稱、連續，有較大凹凸的部位加拉梁等(減少變形)。

3.2 位移比

位移比主要用于控制結構平面的規則性，位移比過大，說明結構平面規則性差，結構的剛度中心和質量中心偏移距離較大，容易形成結構的扭轉效應，對結構造成不利影響。

學生課程練習中，問題最多的就是位移比，當位移比不滿足時，不知如何重新調整和設置結構。首先要明確,位移比僅考慮柱、墻頂節點的位移，是在剛性樓板假定下計算的；注意位移比不滿足的樓層，明確調整的位置和目標，局部調整比整體調整更有效更經濟。調整方式如下：

(1)找出最大最小位移節點的位置和數據：最大位移比往往出現在結構的四角，可以搜索SATWE“分析結果圖形和文本顯示”中的“各層配筋構件編號簡圖”中快速找到位移最大的節點，加強該節點對應的墻、柱等構件的剛度[7]。

(2)也可找出位移最小的節點削弱其剛度。

(3)考慮偶然偏心時位移比容易出現超限現象，查找位移比在哪里超限，結合結構變形圖找出X和Y方向。X+、X-、Y+和Y-4個方向，右為X正方向，上為Y正方向，哪個方向超限，就可以調整其附近柱或梁的截面。

注意位移角計算時不考慮偶然偏心，因偶然偏心的工況結果較標準地震工況的結果偏大。但教學過程中，大部分學生計算位移比和位移角時均考慮了偶然偏心，這樣就會使結構在其它指標都合適的情況下加大構件，造成不經濟。

3.3 軸壓比

軸壓比在圖形文件輸出中查看，軸壓比超限，結構延性無法保證；軸壓比過小，結構的經濟性較差。

該參數學生較容易掌握，當軸壓比超限時，可加大柱、墻的截面或者提高該樓層混凝土的強度等級。但如果過小，軸壓比具體算到多少較合適，大部分學生對經濟性的范圍把握不好，課程教學中讓學生預留10%～20%的安全余量，如三級抗震的框架結構，柱軸壓比限值0.85，柱子軸壓比在0.6～0.8之間為宜。

4 結語

學生在學習PKPM軟件過程中，不僅需要讀懂建筑圖、組建結構模型，更重要是能夠合理設置計算參數和分析計算結果，以及對出現問題的合理解決。

PKPM軟件中的分析模塊和后處理模塊涉及到設計參數的輸入及調整等問題，該參數內容多而且學生掌握起來困難，教學中根據前處理和后處理把計算參數分成兩大類。第一類計算前SATWE設計參數又分4類，重點介紹了振型數、周期折減系數、偶然偏心等參數，總結了第二類計算結果中周期比、位移比和軸壓比的使用和調整方法，方便學生對該課程的學習、理解和記憶，起到一定的引導作用。

[1] 范小平.PKPM軟件在建筑結構設計中應注意的問題[J].重慶建筑，2008(02):28-30.

[2] 歐澤霖.淺談多層建筑結構設計中的幾個問題[J].科技信息，2009(23):264-265.

[3] 陸湘昆,王東.應用PKPM結構設計軟件應重視的問題[J].四川建筑科學研究，2005(05):39-41.

[4] JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5] 張敬書,姜麗娜,馮立平,等.周期折減系數合理取值的探討[J].建筑技術，2010(01):49-51.

[6] 趙海燕.應用結構設計軟件SATWE進行計算的參數選取[J].四川建材，2014(06):73-74.

[7] 張宇鑫,劉海成,張星源.PKPM結構設計應用(第2版)[M].上海:同濟大學出版社,2010.

The Control and Adjustment for The Important Parameters of PKPM Course Teaching

FENGZhengwei

(Department of Civil Engineering, Xiamen University Tan Kah Kee College,Zhangzhou 363105)

In view of the problems about the application of design parameters in PKPM teaching, the paper summarized and classified all kinds of calculation parameters. The principle, value and influence on the calculation results about the number of modes, the period shortening factor and occasional eccentricity were introduced. The connotation and significance of the period ratio, displacement ratio and axis compression ratio in the output text of SATWE post processing are analyzed, and the method of control and adjustment were proposed.

Mode number；Period shortening factor；Occasional eccentricity；Period ratio；Displacement ratio

豐正偉(1983.10- )，男，講師，工程師。

E-mail:21584743@qq.com

2017-02-16

TU3

A

1004-6135(2017)06-0145-04