PKPM程序学习的一些体会

PKPM程序学习的一些体会
学习时间：2003.2.25~2003.2.27
主要的内容：
1、PKPM的发展方向
2、空间计算程序部分
一、PKPM的发展方向
PKPM程序的发展方向主要有两个方面：
●一个方面就是计算，它的方向就是集成化、通用化。集成化大家都能感觉到，PKPM程序都是以PM程序所建数据为条件，以空间计算为核心，基础、后期的CAD出图都能采用前面的数据。所有这些都构成了程序集成化的雏形。程序的通用化主要表现在计算上，PKPM程序的计算程序由以前的平面计算（PK）---->三维空间杆件（TAT）---->空间有限元（SATWE）---->整体通用有限元程序（PMSAP）。能计算的结构类型有砖混、底框、钢筋混凝土结构、钢结构等。现在又在开发特种结构的计算程序：如高压塔架、巨型油罐等。在PM程序中就可以建立起这些结构的空间模型。当然现在的PKPM系列程序还不能计算。
●第二个方向就是开放计算参数的开关。有很多参数以前都是放在程序的“黑匣子”里的，设计人员不能干预。程序放开这些参数有两个原因，首先就是要让设计人员真正的掌握工程的设计过程，能够尽可能的控制设计过程。其次就是要把一些关键的责任交由设计人员来负，程序只能起到设计工具的作用，不能代替设计。所以就需要我们的结构设计人员充分的理解程序的适用范围、条件和校对结果的合理性、可靠性。如《高层建筑混凝土结构技术规程》的5.1.16条要求“对结构分析软件的计算结果，应进行分析结果判断，确认其合理、有效后方可作为工程设计的依据”。
二、空间计算程序部分
1、PKPM几个空间程序的不同（这是我们这次学习班一个学员提的问题）
现在，PKPM程序拥有的空间计算程序有三个，即TAT、SATWE、PMSAP
1）、TAT--它是一个空间杆件程序，对柱、墙、梁都是采用杆件模型来模拟的，特殊的就是剪力墙是采用薄壁柱原理来计算的，在它的单元刚度矩阵中多了一个翘曲自由度θ’，相应的力矩多了双力矩。因此，在用TAT程序计算框剪结构、剪力墙结构等含钢筋混凝土剪力墙的结构都要对剪力墙的洞口、节点做合理的简化，有点让实际工程来适应我们的计算程序的味道。作这种简化都是因为分析手段的局限所制（资料书的P129）。当然，在作结构方案时，对结构作这样的调整对建筑结构方案的简洁、合理有很大的好处。它的楼盖是作为平面内无限刚、平面外刚度为零的假设。在新版的TAT程序中，允许增设弹性节点，这种弹性节点允许在楼层平面内有相对位移，且能承担相应的水平力。增加了这种弹性节点来加大TAT程序的适用范围，使得TAT程序可以计算空旷、错层结构。
2）、SATWE--空间组合结构有限元程序，与TAT的区别在于墙和楼板的模型不同。SATWE对剪力墙采用的是在壳元的基础上凝聚而成的墙元模型。采用墙元模型，在我们的工程建摸中，就不需要象TAT程序那样做那么多的简化，只需要按实际情况输入即可。对于楼盖，SATWE程序采用多种模式来模拟。有刚性楼板和弹性楼板两种。SATWE程序主要是在这两个方面与TAT程序不同。
3）、PMSAP---是一个结构分析通用程序。当然，它是偏向于建筑的，但它是一个发展方向。现在的比较著名的通用计算程序有：SAP84、SAP91、SAP2000、ANSYS、ETABS等程序，这些程序各有特长。
2、程序的参数及选择开关
1）、PMCAD中的参数
（1）总信息：
●结构体系、结构主材：主要是不同的结构体系有不同的调整参数。
●地下室层数：必须准确填写，主要有几个原因，风荷载、地震作用效应的计算必须要用到这个参数，有了这个参数，地下室以下的风荷载、水平地震效应就没有往下传，但竖向作用效应还是往下传递。地下室侧墙的计算也要用到。底部加强区也要用到这个参数。
●与基础相连接的下部楼层数：要说明的是除了PM荷载和最下层的荷载能传递到基础外，其他嵌固层的基脚内力现在的程序都不能传递到基础。？？？？？？？？
（2）、材料信息：其他与老的程序一样填法，就是钢筋采用了新规范的新符号。
（3）地震信息
●设计地震分组：就是老的抗震规范的近震、远震。按抗震规范的附录A选择即可。内江的三县两区都是第一组，6度区，设计基本地震加速度为0.05g。
●场地类别：程序是“场地土类型”，按《地基基础规范》的3.0.3条的4款，应该是“场地类别”。《建筑抗震设计规范》的3.3.2、3.3.3条也是提的“建筑场地”，而不是“场地土”。一般的地质勘察报告要提出此参数的。
●计算震型个数：这个参数需要根据工程的实际情况来选择。对于一般工程，不少于9个。但如果是2层的结构，最多也就是6个，因为每层只有三个自由度，两层就是6个。对复杂、多塔、平面不规则的就要多选，一般要求“有效质量系数”大于90%就可以了，证明我们的震型数取够了。
这个“有效质量系数”最先是美国的WILSON教授提出来的，并且将它用于著名的ETABS程序。
《高层建筑混凝土结构技术规程》的5.1.13-2条要求B级高度的建筑和复杂的高层建筑“抗震计算时，宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应少于塔数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不少于总质量的90%”
● 周期折减系数：这个参数是根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.3.16条（强条）要求，按3.3.17条进行折减的。
框架：0.6~0.7
框剪：0.7~0.8
剪力墙：0.9~1.0
（4）风荷载：
修正后基本风压：根据《建筑结构荷载规范》的7.1.2条，对与高层、高耸以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。按《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.2.2条，对与特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，其基本风压应按100年重现期的风压值采用。按规范的解释，房屋高度大于60m的都是对风荷载比较敏感的高层建筑。
2）、TAT的参数及开关
（1）、用TAT程序计算建模应注意的几点：
●剪力墙必须要有洞口，不能形成封闭“口”字形。这样在构件截面上的剪力流才有进口和出口，否则，程序无法对构件进行计算。这是TAT程序对薄壁柱数学模型模拟的要求。
●剪力墙内的洞口要求要上下对齐，且要有规律性。如果不这样，那么内力的传递将通过节点间刚域来传递，这与实际有时很大差别，引起很大的计算误差。且洞口布置不规律，计算结果具有很大的突变性。



（2）、参数：在PM参数中说过的就不在说了。
●柱的计算长度：程序中增加了一个选项“柱长度系数按混凝土土规范的7.3.11-3计算。以前老程序是按表7.3.11-1和表7.3.11-2采用的。7.3.11-3条是新规范新增的。“当水平荷载产生的弯矩设计值占总弯矩设计值的75%以上时，框架柱的计算长度 lo 可按公式7.3.11-1和公式7.3.11-2计算结果的较小者取值。
这是因为近年来对框架结构二阶效应的研究表明，竖向荷载在有侧移的框架中引起的P-△效应只增大有水平荷载在柱端截面中引起的弯矩 Mh，而原则上不增大由竖向荷载引起的弯矩 Mv。因此，框架柱柱端考虑二阶效应后的总弯矩应是：
M=Mh+ηs*Mv（1-1）
式中ηs为反映二阶效应增大Mh幅度的弯矩增大系数。但在传统的η——lo法中，是用η同时增大Mv和Mh的，即：
M=η（Mh+Mv）（1-2）
因此，如果要使所求的总弯矩相等，那么必然有：
ηs>η
与ηs相应的lo也就必然比与η相应的lo取得大一点。
对于一般工程中的多层框架结构，（在 Mv/Mh为常见比例，即>1/3，框架节点的柱梁线刚度的比例也为常见值时）按规范表7.3.11-2的lo计算出的η再按1-2公式计算出的弯矩和按规范7.2.11-3条计算出的lo在按公式1-1算出的弯矩，两者差异不大。所以在一般多层框架，没有特殊的水平荷载和特殊的框架节点情况下，采用7.2.11-2和7.2.11-3计算的lo对计算结果没有大的影响。
但是，对于Mv/Mh<1/3或梁注线刚度相差较大的情况下，采用7.2.11-2条计算的lo对计算结果就很大的影响了，而且是偏于不安全的，所以在这种情况下就要求采用7.2.11-3计算。建议都采用7.2.11-3计算。
本来规范采用η——lo法就是不尽和理的，因此规范就在7.3.12条要求采用刚度折减法，这种方法也是国外通行的考虑二阶效应的计算方法，且也是准确的较为合理的计算方法，但遗憾的是这种方法在PKPM程序中还没有得到实现。
●竖向力计算信息：程序有四个选择
-----不计算竖向力：它的作用主要用于对水平荷载效应的观察和对比等。
-----&#61676;&#61676;&#61676;&#61676;&#61676;一次性加载计算：主要用于多层结构，而且多层结构最好采用这种加载计算法。因为施工的层层找平对多层结构的竖向变位影响很小，所以不要采用模拟施工方法计算。
-----模拟施工方法1加载：就是按一般的模拟施工方法加载，对高层结构，一般都采用这种方法计算。但是对于“框剪结构”，采用这种方法计算在导给基础的内力中剪力墙下的内力特别大，使得其下面的基础难于设计。于是就有了下一种竖向荷载加载法。
------模拟施工方法2加载：这是在“模拟施工方法1”的基础上将竖向构件（柱、墙）的刚度增大10倍的情况下再进行结构的内力计算，也就是再按模拟施工方法1加载的情况下进行计算。采用这种方法计算出的传给基础的力比较均匀合理，可以避免墙的轴力远远大于柱的轴力的不和理情况。由于竖向构件的刚度放大，使得水平梁的两端的竖向位移差减少，从而其剪力减少，这样就削弱了楼面荷载因刚度不均而导致的内力重分配，所以这种方法更接近手工计算。
但是我认为这种方法人为的扩大了竖向构件与水平构件的线刚度比，所以它的计算方式值得探讨。
所以，专家建议：在进行上部结构计算时采用“模拟施工方法1”；在基础计算时，用“模拟施工方法2”的计算结果。这样得出的基础结果比较合理。（高层建筑）
●&#61676;&#61676;&#61676;&#61676;&#61676;是否考虑P-△效应：选择否，就按规范的7.3.11条计算柱的计算长度系数，如果选择“是”，则柱的计算长度系数为1，再按程序的计算方法来计算P-△效应。
●是否考虑梁柱重叠的影响：
---&#61676;&#61676;&#61676;&#61676;&#61676;不考虑：对于普通的多层框架，一般都采用这种选择。
---考虑梁端弯矩折减：
M边=M中-Min（0.38*M中，B*V中/3）
---考虑梁端刚域的影响：
扣除梁梁端刚域后的梁计算长度为：
Lo=L-（Dbi+Dbj）
但计算荷载还是按节点间梁长来计算的。
●水平力与整体坐标的夹角：？？？？？？？？？？？？
--- 主要用于有斜向抗水平力结构榀时填写，在0~90之间。改写后，风荷载要变化，主要是受风面积变化、风荷载作用的坐标变化；抗侧力结构榀的刚度变化引起地震力的变化，所以要重新进行数检。
●回填土对地下室的相对刚度：
--- 根据程序编制专家的解释，填3大概为70%~80%的嵌固，填5就是完全嵌固，填在楼层数前加“-”，表示在所填楼层完全嵌固。到底怎样的土填3或填5，完全取决于工程师的经验。？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？
●是否考虑扭转藕连：
《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.3.2-2条，“质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响；”《建筑抗震设计规范》的5.1.1-3条，也与高规有相同的规定。
●地震设防烈度、设计地震分组、结构的抗震等级：
按结构的实际填入即可。
●竖向地震作用系数：程序取的是规范的计算值。
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.3.14条，这个数值的来源有：
Fevk=avmaxGeq
Geq=0.75Ge
avmax=0.6amax
所以有：
Fevk=0.75*0.6amax*Ge
由于高规的3.3.14-3要求“宜乘以增大系数1.5”。
所以最后
Fevk=1.5*0.75*0.65amax*Ge
=0.73125amax*Ge
填入的就是“0.73125amax”，也是程序给出的隐含值。
●楼层最小地震剪力系数：
参见《高层建筑混凝土结构技术规程》的表3.3.13；地震规范的表5.2.5同。程序对算出的“楼层最小地震剪力系数”如果不满足规范的要求，将给出是否调整地震剪力的选择。根据规范组的解释，如果不满足，就应调整结构方案，直到达到规范的值为止，而不能简单的调大地震力。
●双向水平地震作用扭转效应选择：如果选择，地震力将增大很多，所以在选用的时候要慎重。
●5%的偶然偏心：这是《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求，3.3.3条要求：“计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响”。计算双向地震作用时，可不考虑质量偶然偏心的影响。
●结构的阻尼比：按《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.3.8条“除专门规定外，钢筋混凝土高层建筑结构的阻尼比应取0.05”程序提供的参考值：钢结构：0.02；混合结构：0.03。这个阻尼值不但用于地震作用计算，也要用于风荷载的计算。
●水平、罕遇地震影响系数最大值：按《建筑抗震设计规范》的表5.1.4-1取。
●特征周期值：根据场地类别和地震分组按《建筑抗震设计规范》的表5.1.4-1选用。
在调整系数中，有以下的几个参数开关：
●0.2Qo（0.25Qo）调整：
这条是针对框架-剪力墙结构，主要要注意以下几点：
对于框架柱数量从下到上基本不变的规则建筑，Qo（Vo-规范表示）取得是“地震作用标准值的结构底部总剪力”。对于框架柱数量从下至上分段有规律的变化的结构，Qo（Vo-规范表示）取得是“每段最下一层的地震作用标准值的总剪力”对复杂结构框架的调整应专门研究框架剪力的调整方法。
框架剪力的调整必须满足规范规定的楼层“最小地震剪力系数（剪重比）”的前提下进行。
在设计过程中根据“计算结果”来确定调整层数。
●温度应力折减系数：程序一般推荐0.75或更低。《混凝土结构设计规范》的5.3.6条只是提出了原则性的要求。
材料信息就按实际情况填写即可。
设计信息：
●分项系数和组合系数：一般工程都采用程序给出的隐含值，不要去改动它。《建筑结构荷载规范》的3.2.5条“对于永久荷载效应控制的组合”永久荷载的分项系数应取1.35，但程序只给出了“有可变荷载效应控制的组合”的永久荷载分项系数1.2，按“程序编制组”的解释，他们已经在程序内部考虑了这种组合，所以不需要设计人员考虑，只需按一般情况填就可以了。
●活荷载重力荷载代表值系数：按《建筑抗震设计规范》的5.1.3条取。
●柱、墙荷载折减标志：要说明的是，在PM建摸中也有“荷载折减”，他们是叠加的，也就是PM中折减了，在空间程序计算中要在以前折减的基础上再折减。所以需要设计者在选用这项时特别慎重。
●柱配筋方式选择：有两种方式，单偏压和双偏压。单偏压程序就是按规范的公式进行配筋计算的。双偏压，程序是按数值积分法计算的，所以对于不同的“柱截面钢筋放置方式”就会得出不同的配筋计算结果。所以，建议整体计算还是按“单偏压”计算，在得出固定的“柱截面钢筋放置方式”后，再进行复核。



●结构基本自振周期：程序给出的隐含值是按《高层建筑混凝土结构技术规程》的附录B的公式：B.0.2计算的。最好是将程序计算的精确值反填回来，再计算。
（3）、TAT中的弹性节点：在TAT程序中也叫“特殊节点”，由于TAT程序采用的是“刚性楼板假定”所以，在同层中，各节点具有相同的位移，没有相对位移。弹性节点就是为了弥补这种假定对很多“空旷结构、错层结构”不合理模拟的补充。
3）、SATWE的参数及开关
总信息中：
●墙元侧向节点信息：这是剪力墙计算“精度和速度”取舍的一个选择。选择“内部节点”，那么剪力墙侧边的节点将作为内部节点而凝聚掉，但这样速度快，精度稍有降低；作为“外部节点”，那么剪力墙侧边的节点也将作为出口节点，这样墙元的变形协调性好，计算准确，但速度慢。
所以程序建议规则的结构可以选择“内部节点”，复杂的结构还是选择“外部节点”进行计算。
地震信息中：
●斜交抗侧力构件方向附加地震数：主要是针对“非正交的、平面不规则”的结构，这里填的是除了两个正交的，还要补充计算的方向角数。
●相应角度：就是除0、90这两个角度外需要计算的其他角度，个数要与“斜交抗侧力构件方向附加地震数”相同，且不得大于90和小于0。这样程序计算的就是填入的角度再加上0度和90度这些方向的地震力。
特殊构件：
●楼板的分类：
----刚性楼板：在程序中考虑为“平面内刚度无穷大，平面外刚度为零”
----弹性楼板3：假定平面内无限刚，真实的模拟楼板平面外刚度
----弹性楼板6：程序真实的计算楼板的平面内外的刚度
----弹性膜：程序真实的计算楼板平面内的刚度，楼板平面外的刚度不考虑。
●多塔定义：注意折线围区可以重叠，但同一构件不能同时属于两个不同的区域。最好是从最高楼层编起。
3、PKPM程序对底层-框架抗震墙的计算：
1）、模型数据的输入：
模型尽量按原型输入：即洞口、挑梁、砖墙等都要按原型输入。
节点尽量具有规律性：节点尽量上下一致，这样才能保证荷载传递的正确。
参数的输入要合理：
（1）、在“交互式”的设计参数输入中结构体系要选择相应的结构体系（砌体、底框抗震墙）。
（2）、在PM的“次梁楼板”输入中，要求把墙体材料选择为“砖”，混凝土抗震墙做个别修改。
（3）、楼面刚度类别：按《砌体结构设计规范》的表4.2.1中“屋盖或楼盖类别分为三类：整体式、装配整体式和装配式无棱体系钢筋混凝土屋盖或钢筋混凝土楼盖---刚性；装配式有棱体系钢筋混凝土屋盖、轻钢屋架和有密铺望板的木屋盖或木楼盖---刚柔性；瓦屋面的木屋盖和轻钢屋盖---柔性。
在这里要说明的是楼盖的“刚柔性”和房屋的静力计算方案的“刚弹性”是两回事，楼盖的“刚柔性”仅仅是确定房屋的静力计算方案的“刚弹性”的一个条件，还有房屋横墙间距这个条件。
（4）墙体材料的自重：对于机制砖，程序隐含为21Kn/m3，对于抹灰荷载、墙砖荷载，就在砌体容重中考虑。不要采用加厚墙体来体现，因为这样会增加墙体刚度，与墙体的实际刚度不符。
（5）、混凝土剪力墙等效系数：相当于混凝土墙与砖墙刚度的比值。对于底框-抗震墙结构的底部抗剪墙刚度计算及地震剪力分配中该值不起作用。
（6）、构造柱参与共同工作：首先构造柱要按普通柱输入，程序对构造柱参与工作的计算是按《砌体结构设计规范》的10.3.2条来计算的。
2）、PM程序对砖混底框的计算：
（1）、墙体的计算：
墙体的受压计算：是以墙段为计算单元的。一是门窗洞口间墙；一是两节点间的墙段；对于墙段长小于250的程序将忽略不记，这引起我们对小墙支强度的重视，程序根本没有计算，也没有给出警告，我们就认为他是满足要求的，就留下了隐患。而实际上这样的墙段也不能作为结构构件来使用的，要求我们在做结构时特别小心。
墙体高厚比计算：是将相邻有相交的墙肢支撑的墙段生成墙高厚比计算的单元，对墙长度小于1.9m的墙段单元不作高厚比计算。
墙体的局部受压计算：计算的条件是在该节点上支撑有一根在交互式输入中输入的梁，且有墙体，在节点位置没有柱，可以有垫块和圈梁。
（2）、底框的计算：
参数输入：
●底层框架的层数
●考虑墙梁作用上部荷载折减系数
《砌体结构设计规范》的7.3.6条有公式：
Mbi=Mli+am*M2i
Nbti=ηN*M2i/Ho
其中
am---为考虑墙梁组合作用的托梁跨中弯矩系数（支座也是am，但计算公式不同）
ηN--为考虑墙梁组合作用的托梁跨中轴力系数
按规范计算的折减系数是很小的。
有些资料有0.6的，有0.8的
程序的折减系数与规范的调整系数有差别，程序是针对墙梁以上的荷载。而程序是针对上部墙梁传递给框架梁的恒载和活载的。
●剪力墙侧移刚度考虑边框柱的作用：
边框柱对侧移刚度的贡献是按“面积等效”的方法计入的。
●底框的计算过程：
在PM程序中分为三步：
第一步：计算其它各层砖墙的抗震承载力，以及底框中混凝土抗震墙的剪力设计值，不考虑框架承担的地震作用，地震作用全部由抗震墙承担。这是《建筑抗震设计规范》的7.2.4-3条要求的。
第二步：计算底部各榀框架承受的侧向地震作用及各榀框架柱由地震倾覆力矩产生的附加轴力。分配按侧移刚度进行分配，但混凝土墙的刚度要乘以0.3的折减系数。这是《建筑抗震设计规范》的7.2.5-1条要求的。
第三步：根据混凝土墙的剪力、轴力、弯矩设计值进行墙的配筋计算。但没有进行梁柱的计算。对于底框的计算，最好采用空间程序的计算结果。
3）、空间程序对砖混底框的计算：
这里主要讲SATWE程序：SATWE程序对砖混底框的计算主要采用两种方式：
●一个就是“规范算法”：程序仅仅对底框进行空间分析，接PM地震分析后所生成的底框部分的地震剪力、上部砖房传递给底框部分的地震剪力、倾覆力矩、竖向荷载、以及竖向荷载的折减系数。
●有限元分析法：是将整个房屋包括底框和上部砖房部分作为一个整体来进行分析。这种分析是参照钢筋混凝土结构的分析方法的，有它的先进性和局限性。先进就是能整体分析，考虑上部砖房与底框的共同协调工作。但是程序把砌体做各向同性材料来进行分析是不符合砌体材料的实际情况的，我们所用的砌体材料一般都是各向异性的。而且这种计算方法超规范。所以只能作为参考。建议还是采用“规范算法”。