PKPM在水利工程框架结构设计中的应用

糜凯华 於文欢 毕树根

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

随着社会经济的繁荣，水利工程对建筑结构的设计思想也在不断更新。在注重实用性的同时，还开始强调其精神功能，这种设计思想的转变，直接导致了泵站、水闸等上部建筑结构的多样化和体型、布置的复杂化。这样一来，如何准确地对这些特殊建筑结构进行分析，就成了合理设计的基本前提。

现阶段针对水利行业中框架结构的设计，许多研究者开发出了结构力学求解器、水利水电工程设计计算程序集、ZDM新浪潮工具箱、理正结构工具箱，遗憾的是这些结构设计软件均局限在二维层面，较难准确地描述构件的实际受力情况；而在工民建行业，则有PKPM[1]、YJK、SAP84、SAP2000[2]、ETABS[3]、Midas Gen等三维结构设计软件，特别是PKPM的应用最为广泛。工民建行业PKPM软件结构设计依据为国家标准，而水利行业结构设计依据为水利行业标准，尽管两类标准关于结构设计表达式及分项系数的选择上有所不同，但配筋计算的核心原理基本一致，并不影响PKPM在水利工程中的推广应用。

为提高水利工程设计效率，许多设计人员针对PKPM在水利工程框架结构的分析提出多种改进措施。文献[4-10]直接套用PKPM软件进行水利工程设计，忽略不同规范之间的差异性；文献[11]分析了周期折减系数、连梁刚度折减系数、中梁刚度放大系数对配筋量的影响；文献[12-13]提出在PKPM数据交互时，在每项荷载上事先乘以修正系数，再在计算出的配筋量上乘以一个修正系数；文献[14]通过调整软件参数，经多次试算使配筋结果与常规计算基本一致，最终选定合理的一组参数；文献[15]通过PKPM分析将配筋量乘以放大系数或折减系数。

以上改进措施无论是对荷载、参数或是配筋结果进行调整，其成果均不具备普遍性，不能完全适用于水利工程框架结构设计。本文将基于PKPM软件，结合多年使用经验介绍在其水利工程框架结构分析中的使用技巧，并以两个算例验证其正确性。

1 PKPM在水利工程中的使用技巧

我国各行业的混凝土结构设计规范基本上都采用以概率为基础的极限状态设计法。水利行业标准与国家标准中混凝土结构实用设计表达式不同之处在于：国家标准实用设计表达式中采用3个分项系数(荷载分项系数、材料分项系数和结构重要性系数)，而水利行业标准采用极限状态设计法进行设计，在多系数分析基础上，将几个系数合并为一个安全系数，采用安全系数K表达的方式进行设计。框架结构在两种标准下的荷载组合及实用设计表达式见表1。

表1 框架结构在不同标准下荷载组合及实用设计表达式对比

为使PKPM软件正确应用于水利行业标准，本文提出在PKPM中自定义组合及工况，将安全系数K整合到各工况荷载分项系数中。水利行业永久荷载分项系数γG1K取1.05、一般可变荷载分项系数γQ1K取1.2、偶然荷载分项系数γAK取1.0。通过对两种标准下的承载力极限状态实用设计表达式对比分析可知，将荷载效应组合设计值中每项荷载分项系数分别乘以安全系数K再除以结构重要性系数γ0，即可完成各工况下安全系数K的整合。各工况下荷载分项系数推导过程见表2。

表2 PKPM自定义组合荷载分项系数推导

在PKPM分析和设计参数补充定义对话框中，选择荷载组合，组合信息，增加荷载组合及修改荷载分项系数，根据PKPM中自定义组合及工况表的格式，将表3中推导的荷载分项系数输入，即可保证PKPM计算出来的结构内力及配筋基本符合水利行业标准。值得一提的是，输入自定义组合及工况表中荷载分项系数可以通过组合按钮导出名为LOADCOM.pm的文件，再次进行水利工程框架结构设计时，通过导入自定义组合按钮导入该文件，可大幅度提高设计效率，将设计人员从烦琐的数据输入工作中解脱出来。

表3 PKPM自定义组合荷载分项系数

续表

2 算 例

本算例为重力坝坝顶人行道，横向由两块预制实心板铺设在坝体伸出悬臂梁上而成(见图1)，每块板的标志宽度750mm，板厚100mm。

图1 坝顶人行道简图(单位：mm)1—预制板；2—坝体；3—悬臂梁

板上人群荷载标准值3.0kN/m2。采用C25混凝土与HRB335钢筋，保护层厚度25mm，人行道安全级别为Ⅲ级，基本组合承载力安全系数K=1.15，结构重要性系数γ0=0.9。均布永久荷载(板自重)：gk=0.1×0.75×25=1.88kN/m；均布可变荷载(人群荷载)qk=3×0.75=2.25kN/m。

常规计算：荷载效应组合设计值为

截面抵抗矩系数为

相对受压区计算高度为

受拉钢筋面积为

PKPM程序荷载效应组合设计值计算时，按照本文提出的PKPM自定义组合及工况，将恒载分项系数取1.3417、活载分项系数取1.5333，计算得弯矩包络图(见图2)，跨中最大弯矩为5.8kN·m；PKPM程序配筋计算时，按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)实用设计表达式，将跨中最大弯矩乘以结构重要性系数γ0=0.9，得γ0M=5.2kN·m，此值与《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)中KMs基本吻合，计算得配筋包络图见图3，跨中截面配筋面积为312mm2，相比手算配筋面积大6.4%，这是由于不同计算程序对截面有效高度h0取值的不同导致的，但总体来说PKPM程序计算成果基本上能满足水利行业框架结构设计的要求。

图2 弯矩包络(单位：mm)

图3 配筋包络(单位：mm2)

在二跨三层框架结构中，安全级别为Ⅱ级，基本组合承载力安全系数K=1.2，结构重要性系数γ0=1.0。结构立面简图、恒载图、活载图、风载图见图4～图7。

图4 框架立面

图5 框架恒载

图6 框架活载

对两跨三层框架结构分别用结构力学法和PKPM程序计算结构内力，采用结构力学法计算时，恒载均乘以1.26分项系数，活载均乘以1.44分项系数；采

图7 框架左风荷载

用PKPM自定义组合及工况计算时，恒载分项系数取1.26，活载分项系数取1.44。两种计算方法所得弯矩设计值见图8和图9。

图8 PKPM计算弯矩包络(单位：kN·m)

图9 结构力学法计算弯矩(单位：kN·m)

从图8、图9可以看出，两种算法梁各跨中及端部弯矩值相差较小，基本在7%以内，主要原因是用结构力学方法计算结构内力时，未考虑垂直于框架方向的梁系对框架的约束作用，而PKPM计算程序则考虑了垂直于框架梁系的约束作用，这样必然增加平面内梁柱节点部位的刚度，使得PKPM计算出来的边跨端部弯矩较结构力学法计算值大；这也说明PKPM与实际结构受力状态更为接近，同时验证了PKPM自定义组合及工况计算程序应用于水利工程框架结构计算的准确性和适用性。

3 结 语

水利工程设计人员往往因理论知识掌握深度不足，对规范理解不到位，在应用PKPM软件进行水利工程框架结构分析时，完全依赖于计算软件，忽略了软件的适用范围及功能特性，最终导致设计成果不能完全满足安全、经济、适用、美观的效果。本文介绍使用PKPM软件进行水利工程框架结构分析的使用技巧，同时给出算例展示PKPM软件分析水利工程框架结构问题的合理性、可靠性，以促进PKPM软件在水利工程泵站、水闸等上部框架结构分析中的应用。