某商城工程设计过程中几种重要参数的控制

黄昌厚　李佩佩

摘要：为了使广大结构设计人员能正确理解规范对结构几种控制参数的意义，并且能正确运用PKPM软件进行建筑结构设计，文章以银座商城工程为例，针对PKPM软件中部分关系到整体计算结果的参数如何取值及如何调整，如何确定整体结构的合理性，如何对结构构件进行优化设计等问题予以解决，使结构设计人员能够在以后的设计中充分掌握PKPM软件的计算步骤、设计要点和注意事项，以使结构设计更加趋于科学化、合理化。

关键词：PKPM；结构设计；科学化；合理化

PKPM结构设计软件是中国建筑科学研究院开发研制的工程设计软件，虽然其结构设计、计算的精确性、稳定性都得到了广大设计人员的青睐，但很多结构设计人员并未能正确使用PKPM软件进行结构设计。现以某商城工程的设计为例，对PKPM软件正确的计算步骤和以及一些调整方法进行阐述。

1.工程概况

本商城项目为综合商业建筑，地下一层，地上五层，结构高度24.55米，东西宽62.5m，南北长为152m，建筑等级二级，设计使用年限为50年，建筑耐火等级为地下一级、地上二级，抗震设防烈度为七度，钢筋混凝土框架結构，抗震设防类别为乙类，框架抗震等级为二级。工程总建筑面积为56761.9m²（其中地上建筑面积为：44436.2m²，地下建筑面积为：12325.7m²）。

2.整体参数及结构构件的初步设定

计算开始以前，设计人员首先要根据新规范的具体规定和PKPM软件手册对参数意义的描述，以及建设方要求和工程地震安全性评价报告并结合工程的实际情况，对软件初始参数和特殊构件进行正确设置，本工程地面口以下为一层，是全埋式地下室，地上五层，设计时将建筑的嵌固部位设置在地下室顶板处。结结构形式为框架结构，平面形状较为规则，楼面有天井，形成楼板开洞较大，平面楼板局部不连续，但开洞面积均不超过楼层面积的30%；竖向上各层层高接近，竖向构件连续，竖向刚度基本均匀，质量和刚度没有突变，看似并不复杂，但有几个参数是关系到整体计算结果的，必须首先确定其取值，才能保证后续计算结果的正确性。

2.1振型组合数的取值

该值取值太小不能正确反映模型应当考虑的振型数量，使计算结果失真；取值太大，不仅浪费时间，还可能使计算结果发生畸变.一般而言，振型数的多少与结构层数及结构自由度有关，当结构层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数应当取的多些（如有弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式）c振型组合数取值是否合理，可以参照软件计算书中的x和y向的有效质量系数是否大于0.9来确定。若小于0.9，则需增加振型个数，直到两个方向的有效质量系数都大于0.9为止。必须指出的是，结构的振型组合数并不是越大越好，其最大值不能超过结构的总自由度数。该工程为5层框架结构，带1层地下室，结构质点数为6，振型组合数输入18（6x3=18），计算结果文件中x和Y向有效质量系数分别为92.2%、93.2%，皆大于90%，说明这个取值是正确合理的。

2.2最大地震力作用方向

最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用，结构地震反应的大小也各不相同，那么必然存在某个角度使得结构地震反应值最大、最不利的地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出，设计人员一旦发现该角度的绝对值大于15°时，应将所得数值回填到软件的“斜交抗侧力构件方向附加地震数，相应角度”里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。该工程平面接近矩形，计算结果地震最大作用方向为1°<15°，所以无需重新填入选项中再计算。

2.3结构基本周期

结构基本周期是计算风荷载的重要指标，设计人员如果不能事先知道其准确值，先期计算时可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，对于计算结果为哪个方向的基本周期，可以由两种方法确定：

（1）查看周期计算文件中平动系数项，此数值是由x和y两项数值组成，x和y两个数值可以视作x和y两个方向，哪个数值大即本周期对应哪个方向的基本周期，但要注意此周期不能是局部振动产生的周期。

（2）查看软件的“结构整体空间振动简图”，查看周期所对应的振动方向以确定该周期为哪个方向的基本周期。

该工程经反复计算后，结构x向基本周期为1.1811，Y向基本周期为1.2495，将其结果回代人软件的“结构基本周期”选项即可。

3.整体结构合理性的控制

整体结构的合理性是新规范特别强调的内容。新规范用于控制结构整体性的主要指标有周期比、位移比、刚度比、剪重比等。

3.1周期比的确定

周期比是控制结构扭转效应的重要指标，其目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至出现过大的扭转，也就是说，周期比不是要求结构足够结实，而是要求结构布局合理。《高规》第3.4.5条对结构扭转为主的第一自振周期Tt（扭转周期）与平动为主的第一自振周期T1（平动周期）之比的要求给出了规定：A级高层建筑不应大于0.9，B级高层建筑不应大于0.85。该工程建筑高度为24.55m，属于A级高层建筑。以下介绍周期比计算方法：

（1）扭转周期与平动周期的判断：从计算书中找出所有扭转系数大于0.5的扭转周期，按周期值从大到小排列。同理，所有平动系数大于0.5的平动周期值从大到小排列。

（2）第一周期的判断：从列队中选出数值最大的扭转、平动周期，查看软件的“结构整体空间振动简图”，看该周期值所对应振型的空间振动是否为整体振动，如果其仅仅引起局部振动，则不能作为第一扭转、平动周期，要从队列中取出下一个周期进行考察，以此类推，直到选出不仅周期值较大而且其对应的振型为结构整体振动的值即为第一扭转、平动周期。

（3）周期比计算：将第一扭转周期值除以第一平动周期即可。

如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转刚度不足，设计人员需要增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。该工程体量较大，又因为工程平面长宽比较大（Y方向长度为152m，x方向宽度为62.5m），结构平面的扭转的效应必然会很明显，经过初步的计算得出周期比达到0.93，显然不满足规范要求，结构需要调整，正如前面所说，设计者对结构采取两项调整措施：

（1）x方向两端两跨框架柱截面，框架柱截面由构造的700X700改为800X800。

（2）将结构的x方向框架梁的梁高加高50mm，宽度加大100mm。

经过以上调整，得出本工程的周期、阵型输出结果如下表所示：

根据以上结果可得出本工程的周期比为0.899<0.9，满足规范要求。

3.2位移比的确定

位移比（层间位移比）是控制结构平面不规则性的重要指标，其限值在《高规》中有明确的规定（A级高层建筑层间位移比不宜大于1.2，不应大于1.5）c新规范中规定的位移比限值是按刚性板假定作出的，如果不考虑刚性楼板的假定，那么楼板薄弱的地方位移就会偏大，楼板强的地方位移就会偏小，这些都是局部的变化，此时算出来的位移比也是毫无意义的，不能反映出整个结构的扭转情况，所以计算位移比时，应该在刚性楼板假定的条件下进行，以便计算出正确的位移比。

3.3刚度比的确定

刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标，根据《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）和《高规》的要求，软件提供了3种刚度比的计算方式，分别是剪切刚度、剪弯刚度和地震力与相应的层间位移比。正确认识这3种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键，其计算方法和适用范围：

（1）剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定；

（2）剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构；

（3）地震力与层间位移比是执行《抗规》第3.4.2条和《高规》第3.3.5条的相关规定，通常绝大多数工程都可以用此法计算刚度比，这也是软件的缺省方式。

该工程采用第3种刚度比计算方法。经初步计算发现该工程纵横向刚度相差较大，为了解决此种问题设计者采取了两项措施：

（1）增大刚度较小方向的柱子截面宽度，提高整体该方向竖向构件的刚度。

（2）增大刚度较小方向的主框架梁的线刚度，该方向框架梁的截面高度、宽度进行有意识的加大。

经过以上调整結构地上一层纵横向的刚度比4.7252/4.2823=1.10（x方向刚度4.7252E+06（kN/m），Y方向刚度为4.2823E+06（kN/m）），其他楼层同理两个方向刚度相差不超过15%，说明本工程两个方向的刚度接近，满足规范的要求。

3.4剪重比的确定

剪重比是抗震设计中非常重要的参数，规范之所以规定剪重比，主要是因为长周期作用下，地震影响系数下降较快，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。出于安全考虑，规范规定了各楼层水平地震力的最小值，该值如果不满足要求，则说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位，必须进行调整。该工程x向楼层最小剪重比为3.25%，y向楼层最小剪重比为3.14%，均大于《抗规》第5.2.5条要求的最小剪重比1.6%。

经过以上结构整体洼主要指标的控制，结构的整体安全性就得到了保证，下面就可以对结构构件进行优化调整了。

4.抗震措施

在施工图设计阶段，还必须满足规范规定的抗震措施要求。《混凝土结构设计规范》（以下简称《混规》）《高规》和《抗规》对结构的构造提出了非常详尽的规定，这些措施是很多震害调查和抗震设计经验的总结，也是保证结构安全的最后一道防线，设计人员不可麻痹大意。施工图生成以后，该工程各种特殊或薄弱部位构件的最小纵筋直径、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密区长度、钢筋搭接锚固长度、配筋方式等经过逐一检查均满足规范规定的抗震措施要求（规范对这一部分的要求往往是以黑体宇写出，属于强制执行条文，万万不可以掉以轻心）c对图纸中的梁、板、柱、墙的尺寸配筋等也应与计算结果逐一核对，防止出现浪费和配筋不足的情况，做到合理优化。对于个别构件因钢筋归并导致实际配筋与计算配筋相差较大而产生的超筋，需根据计算结果修改调整。

5.结语

设计人员在运用PKPM软件进行结构设计时，需要根据工程的实际情况对软件参数正确取值，合理调整结构使结构整体计算结果的各项指标在满足规范要求的前提下，优化构件并将概念设计贯穿于整个设计当中，使结构设计科学化、合理化。