PKPM有限元软件在不规则框架结构力学计算中的应用

吴桂芬

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

0 引言

框架结构的民用建筑结构布置一般比较规整，各楼层层高相差较小，楼板开孔不大，因此，一般民用建筑框架柱截面大小通常由层高和层数决定。对工业建筑来说，为满足工艺设备布置的要求，结构层高往往不均匀，甚至可能相差几倍，楼板开孔也较大，开孔率有时可达60%。因此，工业建筑经常会布置成竖向和平面均不规则的框架结构。对不规则框架结构梁、柱的布置，特别是框架柱截面大小是否仍由轴压比控制，需根据不同的结构布置进行计算分析。

1 工程概况

国投伊犁热电(2×330 MW)工程位于新疆伊宁。厂区脱硫综合楼采用框架结构，工程抗震设防烈度为7度，对应的设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第3组，抗震设防类别为丙类，抗震等级为3级。基本风压为0.6kPa，基本雪压为1.0kPa。

脱硫综合楼采用框架结构，共5层，建筑面积1074 m2，建筑高度23.0 m。第1层层高5.5 m，第1层右侧布置石膏库，楼板开孔率45%，如图1所示。第2层层高5.0 m，第3层3.0 m，楼板右侧开孔，开孔率35%，如图2所示。第4层4.0 m，第5层5.5 m，如图3所示。1～4层建筑面积均为1 074 m2，第5层局部面积为168.5 m2。各楼层框架柱布置情况为:第1层、第2层柱截面为800 mm×800 mm，850 mm×850 mm，900 mm ×900 mm，1 000 mm ×1 000 mm;第3层柱截面为800 mm×800 mm;第4层柱截面为600 mm×800 mm，800 mm×800 mm;第5层柱截面为600 mm×800 mm。

2 计算分析

图1 5.500 m层梁柱布置图

2.1 柱轴压比、层间受剪承载力比及位移角限值

按照GB 5011—2010《建筑抗震设计规范》的要求，轴压比指柱的组合轴压力设计值N与柱全截面面积A和混凝土轴心抗压强度设计值fc乘积之比，即轴压比为N/fcA。限制轴压比来保证结构的延性。

图2 13.500 m层梁柱布置图

图3 23.000 m层梁柱布置图

按照GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》的要求，钢筋混凝土结构楼层现有受剪承载力应按下式计算，此参数限制结构的竖向布置规则性，可用来判断薄弱层。

式中:Fy为楼层现有受剪承载力;∑Fcy为框架柱层间现有受剪承载力之和;∑Fmy为砖填充墙框架层间现有受剪承载力之和;∑Fwy为抗震墙层间现有受剪承载力之和。

按照GB 5011—2010《建筑抗震设计规范》的要求，层间位移角按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比计算，用来限制正常使用下的水平位移，确保结构有足够的刚度。

2.2 计算模型建立与参数选取

该工程采用PKPM(2010版)软件进行计算分析，第1层计算层高6.15 m(基础顶标高为－0.65 m)，第2层计算层高5.00 m，第3层计算层高3.00 m，第4层计算层高4.00 m，第5层计算层高5.50 m。混凝土强度等级为 C30，钢筋主筋的等级为HRB335，箍筋等级为HPB300，梁柱保护层厚度20 mm。恒、活载荷为一次性加载，计算结构内力时地震载荷考虑偶然偏心和双向地震的不利值，计算位移角时不考虑偶然偏心，不考虑双向地震。根据GB 5011—2010《建筑抗震设计规范》确定梁刚度放大系数，柱配筋按单偏压计算双偏压验算(角柱按双偏压计算)。

2.3 计算结果分析

表1为楼层抗剪承载力和承载力比。通过分析表1中数据可知，5层X方向楼层承载力比最小，为1.00;2层Y方向最小楼层承载力比最小，为0.84，即楼层承载力比已接近规范限值。表2为Y方向地震作用下的楼层最大位移表，通过分析可知，Y方向地震作用下的楼层最大位移角最接近限值，最大位移角为0.103°。最小楼层承载力比和最大位移角均接近限值，说明在填充墙、混凝土等级不变的情况下，框架柱截面刚好满足规范的要求。而计算得出的柱轴压比最大为0.56，小于限值0.85，说明该工程框架柱的截面面积并非由轴压比控制。

为分析框架柱截面变化的影响，将框架柱截面改为600 mm×600 mm后重新进行计算分析，此时柱底轴压比最小为0.39，最大为0.82，接近限值。分析计算结果可知，X方向地震作用下的楼层最大位移角为0.130°(见表3);Y方向地震作用下的楼层最大位移角为0.194°(见表4)，远大于规范限值0.104°。说明框架柱截面改变对位移角影响较大，而此时轴压比仍在限值内，满足了规范要求。

表1 楼层抗剪承载力及承载力比

表2 Y方向地震作用下的楼层最大位移

表3 X方向地震作用下的楼层最大位移

表4 Y方向地震作用下的楼层最大位移

3 结束语

(1)层间受剪承载力比在不满足规范要求时，SATWE软件“调整信息”中的“指定薄弱层个数”中填入该楼层层号，将该楼层强制定义为薄弱层，SATWE软件按JGJ 3—2002《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.14的规定，将该楼层地震剪力放大1.15倍。如果还需人工干预，可适当提高该层构件强度(如增大配筋、提高混凝土强度或加大截面)以提高该层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力，或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力。几个参数的调整涉及构件截面、刚度及平面位置的改变，在调整过程中可能相互关联。

(2)在位移角不满足规范要求时，可考虑增大梁柱截面;对于层高较大的楼层可增设层间梁。在满足工艺设备布置要求的前提下，在框架柱之间布置框架梁，增加楼层刚度，从而减小位移角，使计算结果满足规范要求。

(3)对不规则的框架结构，框架柱的截面面积往往不是由轴压比控制，而是由层)间受剪承载力比或位移角限值控制。

［1］GB 5011—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［3］GB 50023—2009，建筑抗震鉴定标准［S］.