淺談如何解決PKPM軟件在框架結構教學應用中出現的問題

摘要：通過對PKPM軟件介紹，結合相應的規范規程、圖集、施工圖紙，對設計過程中梁板截面尺寸、縱筋箍筋直徑如何選擇及梁板內力出現問題如何解決，分別進行了分析和探討。加強學生對專業知識理解的同時，也提高了解決實際問題的能力。

關鍵詞：PKPM軟件； 內力； 鋼筋直徑； 實際問題

中國分類號：G642.0A

［定稿日期］2022-04-06

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

1 PKPM軟件在土木工程專業課程中的背景

PKPM軟件是一門計算三維空間的課程，是土木工程專業的一門選修課，具有實踐性、綜合性的特點，一般在第七學期開設，其研究對象是房屋建筑工程方向的學生。課程以理論教學與上機實踐操作相結合，本科階段主要以框架結構體系設計應用為主。該課程的教學目的是培養學生綜合應用所學相關專業知識解決實際問題，同時也為后期畢業設計以及從事相關的結構設計工作服務。該課程為上機操作學習，與本科階段其它專業知識相結合，應用到具體工程進行分析設計。該課程的目標是讓學生達到熟練操作軟件命令、熟悉建筑施工圖紙含義，在此基礎上建立三維空間結構計算模型，結合相應規范進行簡單的結構設計和分析處理。2 PKPM功能介紹

2.1 PKPM包含的模塊

PKPM軟件包括的內容較多，基本覆蓋了土木工程所有的建筑設計。其中結構建模、平面框架結構設計PK、多層及高層建筑結構分析與設計軟件SATWE、地基基礎建模與計算設計、鋼結構設計軟件、隔震結構非線性設計分析、結構工程量統計軟件等在設計過程中經常出現。本科教學主要以結構建模、多層及高層建筑結構分析與設計軟件SATWE、地基基礎建模與計算、混凝土施工圖設計為主［1］。結構建模主要是通過建筑平、立、剖面提供的信息，將二維建筑轉換成三維結構；設計軟件SATWE是最重要的一部分，大部分設計參數都與現行相應的規范緊密結合，如：JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》（簡稱高規）、GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設計規范》（簡稱抗規）、（GB 50010-2010）（2015年版）《混凝土結構設計規范》（簡稱設計規范）、GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》（簡稱荷規）等。

2.2 PKPM結構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，確定需要幾個標準層，一般對于教學中的5～6層建筑而言，可以分為3、4個標準層；其次，根據層數、層高、柱距、地震設防烈度的大小（一般分為6、7、8、9，設防烈度區且依次增大）、建筑抗震設防類別（一般分為甲、乙、丙、丁4類，抗震設防功能依次減弱），再結合工程經驗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算與布置？確定梁上填充墻體引起的荷載如何計算與布置？這些都是在建模型之前需要完成。

2.3 PKPM框架結構建模的具體流程

根據教學進度需要，一般授課過程中，按照順序由易到難進行。第一部分是PMCAD，結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點；布置各類構件至具體位置、結合建筑施工圖確定梁柱構件的偏心對齊、樓板恒活均布面荷載與梁上恒線荷載輸入布置、樓面板板厚及錯層的補充修改、本層信息的設置等；如前面所述，結構標準層數量對于層數不同的建筑物會采取相應的變化，一般采用3～4個結構模型標準層，不同標準層的主要區別是柱截面從下至上依次減小（主要是底部的作用效應較大，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，內部梁截面一般不做修改，但是上下層功能發生改變時，內部梁的位置與截面尺寸會隨之改變；將之前完成的各個標準層進行樓層組裝，由平面結構形成三維模型，組裝時各層的結構高度尤其是第一標準層，完全不同于建筑高度，它包括基礎頂部至室外地面、室外地面至2層樓面兩部分的高度之和，高度定義不準確后期的結果計算會不真實，會影響到結構安全或造價。第2部分是SATWE設計，這部分知識點與規范緊密結合，內容較多且難度較大，也是考查學生對專業知識掌握的程度，主要涉及到結構參數的定義或選擇，如抗震等級的確定、結構規則的判斷分析、雙塔如何設置、特殊梁及特殊柱、中梁剛度是否放大、周期折減系數、材料容重、烈度選擇、場地類別等。第三部分是SATWE結果，經過PKPM軟件計算分析后，查看各部分指標（軸壓比、周期比、位移比、剛度比、剪重比、位移角、剛重比、穩定性、層間剪力比等）是否滿足規范要要求，針對出現的問題應結合規范或課本知識進行調整，使結構滿足承載力、剛度、延性和耗能的要求。

3 教學中遇到的問題以及解決思路

大多數學生通過《混凝土結構原理》《建筑結構抗震設計》《高層建筑結構設計》等課程的學習后，對框架結構概念有了一定的理解。通過具體建筑施工圖與軟件結合時，面臨首要問題是梁板柱構件的尺寸不知如何確定。造成這樣的原因很多，如課本知識與相應規范聯系不夠緊密、學生平時缺少對周圍建筑構件的觀察、缺少接觸工程圖紙的機會等。

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梁，工程設計中盡可能實現多跨，有利于構建更好地受力。非框架梁的作用主要有2方面，其一是用來分隔樓板，降低樓板跨度，減小樓板厚度，從而降低造價，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，導致受力不良，梁的設置用來支撐其上部墻體的荷載［2］。梁截面高度應考慮該梁的跨度、跨數、梁上是否有填充墻等因素，一般在設計中采用（1/14～1/11）L，L為梁的跨度，跨度越大該系數越大；梁的截面寬度一般為200 mm，截面高度越大代表梁跨度越大，導致彎矩以及剪力內力較大，因此當梁的截面高寬比大于2.5左右時，便于縱向受彎鋼筋的布置，梁的寬度應適當加至250 mm、300 mm等。教學過程中為了便于學生理解，結合工程經驗，一般將梁跨度在5m以內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，這一點不同于框架梁。

3.2 非框架梁與樓板受力鋼筋的選擇

學生在設計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，一般來說便于工程施工與購買材料，在設計中盡量減少直徑的種類。樓板縱筋采用三級鋼HRB400（一級鋼HPB300）時，對于樓板短跨在4 m左右以內，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），隨著板跨度繼續增加鋼筋直徑也會相應變化；下部鋼筋直徑小主要是因為跨中彎矩小于支座彎矩且下部鋼筋為通長布置；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，內力越小直徑越小。箍筋一般不需要考慮抗震構造措施，滿足抗剪要求即可，通常選擇6 mm，對于個別兩端剪力較大的梁可以適當增加至8 mm。

3.3 非框架梁與樓板如何解決設計中出現的問題

對于樓板設計中出現的問題主要有撓度、裂縫、配筋率，一般來說板下部配筋率都是構造配筋率（最小配筋率）大于計算配筋率，取構造面積進行配置［3］；上部鋼筋配筋率一般計算配筋率大于構造配筋率，取內力計算面積進行鋼筋布置。對于下部鋼筋配筋率大于構造配筋率時，應適當增加板厚度，這樣對于板配筋來說比較經濟。撓度或裂縫的控制依據“設計規范”規定，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等進行修改，改變寬度效果不明顯（如果計算面積較大不利于布置可以適當增加截面寬度）；剪力作用下配箍率較大，應調整截面寬度或適當增加梁混凝土標號。

3.4 框架梁的截面選擇

框架結構的主梁截面高度可按計算跨度的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］。一般在設計過程中，結合大量工程經驗參考，對于跨度6 m以內，四周外部框架梁截面高度取計算跨度的1/10～1/11左右，內部框架梁截面高度取計算跨度的1/12～1/13之間，框架梁寬度取250 mm；對于跨度6～8 m之間，四周外部框架梁截面高度取計算跨度的1/8～1/10之間，內部框架梁截面高度取計算跨度的1/10～1/12之間，框架梁寬度取300 mm。對于層高較大、設防烈度區較高、樓層數量較多的情況可以適當增加取值系數。

3.5 解決框架梁在設計中出現的問題

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大或增加浪費。配箍比較大時需要調整截面尺寸，尤其是寬度。總之改善截面高度可有效改變受彎狀態，改善寬度或混凝土強度等級可以有效改變受剪狀態，這一點類似于非框梁。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下的耗能設計。框架梁上活荷載是否考慮折減，取決于梁的從屬面積［6］。

4 結束語

首先，在學習過程中，不僅要熟悉軟件命令、操作，更重要的要多理解規范、建筑圖紙、結構圖紙的表達含義；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，結合專業知識，初步選擇和布置構件尺寸；最后，學習軟件要多思考，對于出現的問題應從概念出發，找到最有效的方法解決。

參考文獻

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

［2］ 卿科.剪力墻數量與空間位置對框架剪力墻結構抗震性能影響的研究［D］.長沙：湖南大學.2007： 15-18.

［3］ 中華人民社共和國國家標準.混凝土結構設計規范： GB50011—2010［S］.中國建筑工業出版社，2010.

［4］ 中華人民社共和國國家標準. 高層建筑混凝土結構技術規程： JGJ3-2010［S］. 中國建筑工業出版社， 2010.

［5］ 中華人民社共和國國家標準.建筑抗震設計規范： GB50011—2010［S］. 中國建筑工業出版社，2010.

［6］ 中華人民社共和國國家標準 .建筑結構荷載規范： GB5009—2012［S］.中國建筑工業出版社，2012.