PKPM课程教学中重要参数的调整与控制

丰正伟

(厦门大学嘉庚学院土木工程系 福建漳州 363105)

PKPM课程教学中重要参数的调整与控制

丰正伟

(厦门大学嘉庚学院土木工程系 福建漳州 363105)

针对PKPM教学中学生对设计参数运用存在的问题，对各类计算参数进行总结和规类，介绍了振型数、周期折减系数和偶然偏心的原理、取值及对计算结果的影响，分析SATWE后处理输出文本中的周期比、位移比和轴压比的内涵和意义，并基此提出了控制和调整方法。

振型数；周期折减系数；偶然偏心；周期比；位移比

0 引言

PKPM是我国自主开发的结构设计软件，国内大部分建筑设计院均在使用。为了能更好地体现教学与实践结合，让学生毕业后更快适应工作岗位，大部分高校土木工程专业的毕业设计采用PKPM软件进行建模和计算，并开设该课程，培养学生用所学专业知识解决实际问题的能力。

PKPM软件可以分成PMCAD前处理模块(建模)、分析模块(设计参数及特殊构件定义)、后处理模块(检查图形及文本)和施工图的绘制。在进行结构分析及计算时要合理选择PKPM有关参数，结合工程实际，配合程序使用才能得出合理的计算结果。若设计参数选择不准确或错误,将会影响计算结果的精度、可靠性和实用性, 严重的还会影响所设计建筑物的安全[1]。

课程教学中把计算参数分成两类，一类是模型计算前SATWE设计参数的输入；另一类是计算完成后结果中参数的控制。本文拟结合多高层建筑规范，介绍重要参数的基本含义和取值，分析SATWE几个重要参数输入对计算结果的影响，并对SATWE后处理输出文本中的参数提出控制和调整方法。

1 教学过程中存在的问题

课程教学为建模和结构计算两部分内容，建模部分由于软件的可操作性较强，学生较容易掌握，学习积极性高；结构计算涉及到参数的输入控制和后期计算完之后参数的调整，需结合规范条文、专业知识，信息较多，学生掌握起来难度较大。

对第一类参数，大部分学生自学查阅规范条文，但对有些复杂的参数不理解其真正含义导致对计算结果的影响；第二类参数只知道“照葫芦画瓢”去模仿数据的输入，计算结果不理想，不知道怎么去调整，对后期问题处理能力较差。

2 SATWE设计参数的设置

计算开始前，首先要根据规范及工程实际，对初始参数进行正确合理地选取和对特殊构件进行定义。SATWE前处理程序中的“分析与设计参数补充定义”包含项目和需要输入的参数较多，如图1所示。

图1 计算参数信息示意图

参数的信息量大，学生学习和掌握起来很困难，结合课程教学，可以把结构及构件计算参数按使用性质分成4类：

(1)按规范条文查找：如材料容重、风荷载信息、活荷载折减系数、地震分组、地震烈度及阻尼比等相关参数；

(2)实际工程信息中已给出：如地下室层数、结构体系、薄弱层设置等；

(3)需要多次计算才能得到：在计算前难以估计，需要经过试算才能得到，如最大地震力作用方向、振型数、结构基本周期等；

(4)需选择性考虑的参数：如刚性楼板假定、周期折减系数、偶然偏心及双向地震、梁端负弯矩调幅系数、中梁刚度放大系数等。

可以通过规范和实际工程读取的参数，对学生而言相对简单，比较容易查找和掌握；但有些参数会关系到整体计算的结果，必须取值合理，才能保证后续计算结果的正确性，但学生由于概念不清导致不会用或会用不理解的困境，如振型数、周期折减系数、偶然偏心及双向地震等参数的设置。

2.1 振型数

大部分学生在设置该参数时，都是直接取3倍层数，而对该参数的含义及参数取值对计算结果的影响并不清楚。

在计算地震力时，振型个数的选取应是振型参与质量要达到总质量90%以上所需要的振型数。振型数的多少与结构层数及结构形式有关，一般取3乘以层数，多层建筑≥3个，高层建筑至少取9；当考虑扭转耦联计算时，振型数≤3倍总层数；多塔结构则振型数≥塔楼数的9倍[2]。对此，应注意以下3点：

(1)1层最多3个有效动力自由度，所以1层最多3个振型，振型个数不能超过结构固有的振型总数，如超过则会造成地震力计算异常。

(2)进行耦联计算的结构，振型数>9，多塔结构应更多些，但应是3的倍数。

(3)保证有效质量系数>90%，意味着计算振型足够，否则应增加振型数重新计算。

结构计算振型数增加，水平地震作用效应增大。振型数取少，后续振型产生的地震作用效应未能计入，导致计算结果不安全；振型数取多，导致运算时间过长，并对计算机内存要求大，多余的高振型对结构地震作用贡献不大[3]。

一般的多高层建筑中，振型数取3倍层数计算不会出问题。学生设置该参数后，应注意查看计算结果中有效质量系数是否>90%；如果是多塔，振型数≥塔楼数的9倍，同时查看有效质量系数。

2.2 周期折减系数

学生对周期折减系数选择大多还是参考规范的数据，而忽略了填充墙的材料组成，《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]中给出折减系数取值，但主要针对实心粘土砖墙，对于目前广泛应用的加气混凝土填充墙、 普通混凝土和轻骨料混凝土空心砌块填充墙、粘土空心砌块填充墙等并未给出，如还按照规范取值将和实际工程的真实结果有一定的差距。

周期折减系数与填充墙的刚度成反比，填充墙总体的刚度越大，周期折减系数越小。参数设置过程中，周期折减系数取值偏大，会使结构物的地震作用偏小，设计偏于不安全；但取值偏小，会造成结构物的地震作用偏大，造成不经济[5]。填充墙的材料类型、截面及竖向布置均会影响其刚度，间接影响周期折减系数取值。

因此，合理取值非常必要，实心粘土砖和加气混凝土填充墙的周期折减系数按《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]取值，各种混凝土空心砌块填充墙对于框架结构可取0.9，框剪结构可取0.95，剪力墙结构取1.0，各类粘土空心砌块填充墙可按0.95～1取值[5]。

2.3 偶然偏心

学生在“考虑偶然偏心”和“考虑双向地震作用”选项的时候，是否该选择，选与不选对后面计算结果的影响不清楚，基本概念掌握不牢。

考虑偶然偏心计算时，地震组合数增加，位移比增大约18%；对结构构件(梁、柱)的配筋增大约2%。可见是否考虑对计算结果中的位移比影响很大，对配筋影响较小。有些学生遗漏偶然偏心的选择，显示的计算结果满足要求，其实是人为地减弱了地震产生的影响，会使结构偏于不安全。只在计算地震作用的时候才存在是否考虑偶然偏心的问题，可总结为“两考虑三不考虑”，即计算单向地震作用和位移比时，考虑；计算层间位移角、双向地震作用和周期比计算时，可不考虑。

3 计算结果中参数分析调整

经过建模和参数设置，计算完成后，分析计算结果文字数据与图形数据，如图2所示。通过数据分析对结果进行判断和调整，确保模型及计算结果的正确、经济与合理。

图2 SATWE后处理文本文件示意图

大部分学生计算完成之后，软件操作到此并没有结束，接下来要做的就是分析计算的结果。如有问题，需调整后重新计算；没有问题，可以出图和计算书，一般不可能一次计算成功，需多次反复地调整和重新计算，直到所有指标均满足要求。

PKPM结构设计中的控制指标，即计算结果的文本和图形数据。图形文件可查看模型质量与刚度中心的位置、柱轴压比、各工况下结构空间变形简图、结构整体空间振动简图及梁柱的超配筋情况等。

文本内容较多，其中用于控制结构整体性的指标有：轴压比、周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比，需要学生理解每个参数的具体含义，在文本中的具体位置、规范限值等，而文本结果中有些参数需首要查看最容易出问题或不满足、最难掌握和调整，如周期比、位移比、轴压比。

基此，下文将分析这3个参数的控制原理和调整方法。

3.1 周期比

多层一般可不考虑周期比，控制位移比和刚度比即可，高层需考虑周期比。学生课堂练习中多层、较规则的结构居多，但计算结果中也存在很多问题，当平动周期中的扭转比重过大时，学生不会查看周期文本文件中的参数，不知道如何修改，如第一振型中平动系数0.58，扭转系数0.42。

这个计算结果不合理，第一振型为平动振型，平动中的扭转比重大，抗震效果差，应该调整。即把平动系数调大，扭转系数调小，调整的原则是加强周边构件的刚度，削弱中间墙体，周边均匀、对称，让结构的质量中心与刚度中心尽量接近。规范对平动系数取多少才算是纯粹的平动没有明确的规定，一般简单、规则的多层结构大于0.8就完全可以，但有的学生平动系数为0.5，经查看为模型建模出错所致。

PKPM输出文件中未直接给出周期比，需自行计算。一般单塔结构，第一、第二周期为平动周期，第三周期为第一扭转周期。平动系数和扭转系数相加等于1，如平动系数大于0.5，该振型为平动振型；扭转系数大于0.5，为扭转振型[6]。对一些复杂的结构还应结合“结构整体空间振动图”信息来进行判断。

多塔结构应分成多个单塔，按多个结构分别计算、验算周期比。周期比不满足要求时,说明结构扭转刚度较侧移刚度偏小需要给予调整。

调整方法如下：

(1)通过调整整体结构布置，加强结构外围墙、柱或梁的刚度(减小第一扭转周期)。

(2)适当削弱结构中间墙、柱的刚度(增大第一平动周期)。

(3)主轴方向上周期短的，就减小该方向上的抗侧构件刚度；周期长的，就加大该方向的抗侧构件刚度，同时注意各层位移比。

(4)周边布置要均匀、对称、连续，有较大凹凸的部位加拉梁等(减少变形)。

3.2 位移比

位移比主要用于控制结构平面的规则性，位移比过大，说明结构平面规则性差，结构的刚度中心和质量中心偏移距离较大，容易形成结构的扭转效应，对结构造成不利影响。

学生课程练习中，问题最多的就是位移比，当位移比不满足时，不知如何重新调整和设置结构。首先要明确,位移比仅考虑柱、墙顶节点的位移，是在刚性楼板假定下计算的；注意位移比不满足的楼层，明确调整的位置和目标，局部调整比整体调整更有效更经济。调整方式如下：

(1)找出最大最小位移节点的位置和数据：最大位移比往往出现在结构的四角，可以搜索SATWE“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度[7]。

(2)也可找出位移最小的节点削弱其刚度。

(3)考虑偶然偏心时位移比容易出现超限现象，查找位移比在哪里超限，结合结构变形图找出X和Y方向。X+、X-、Y+和Y-4个方向，右为X正方向，上为Y正方向，哪个方向超限，就可以调整其附近柱或梁的截面。

注意位移角计算时不考虑偶然偏心，因偶然偏心的工况结果较标准地震工况的结果偏大。但教学过程中，大部分学生计算位移比和位移角时均考虑了偶然偏心，这样就会使结构在其它指标都合适的情况下加大构件，造成不经济。

3.3 轴压比

轴压比在图形文件输出中查看，轴压比超限，结构延性无法保证；轴压比过小，结构的经济性较差。

该参数学生较容易掌握，当轴压比超限时，可加大柱、墙的截面或者提高该楼层混凝土的强度等级。但如果过小，轴压比具体算到多少较合适，大部分学生对经济性的范围把握不好，课程教学中让学生预留10%～20%的安全余量，如三级抗震的框架结构，柱轴压比限值0.85，柱子轴压比在0.6～0.8之间为宜。

4 结语

学生在学习PKPM软件过程中，不仅需要读懂建筑图、组建结构模型，更重要是能够合理设置计算参数和分析计算结果，以及对出现问题的合理解决。

PKPM软件中的分析模块和后处理模块涉及到设计参数的输入及调整等问题，该参数内容多而且学生掌握起来困难，教学中根据前处理和后处理把计算参数分成两大类。第一类计算前SATWE设计参数又分4类，重点介绍了振型数、周期折减系数、偶然偏心等参数，总结了第二类计算结果中周期比、位移比和轴压比的使用和调整方法，方便学生对该课程的学习、理解和记忆，起到一定的引导作用。

[1] 范小平.PKPM软件在建筑结构设计中应注意的问题[J].重庆建筑，2008(02):28-30.

[2] 欧泽霖.浅谈多层建筑结构设计中的几个问题[J].科技信息，2009(23):264-265.

[3] 陆湘昆,王东.应用PKPM结构设计软件应重视的问题[J].四川建筑科学研究，2005(05):39-41.

[4] JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5] 张敬书,姜丽娜,冯立平,等.周期折减系数合理取值的探讨[J].建筑技术，2010(01):49-51.

[6] 赵海燕.应用结构设计软件SATWE进行计算的参数选取[J].四川建材，2014(06):73-74.

[7] 张宇鑫,刘海成,张星源.PKPM结构设计应用(第2版)[M].上海:同济大学出版社,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

丰正伟(1983.10- )，男，讲师，工程师。

E-mail:21584743@qq.com

2017-02-16

TU3

A

1004-6135(2017)06-0145-04