土木工程毕业设计框架结构电算分析.docx

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土木工程毕业设计框架结构电算分析

第7章框架结构电算分析

本章介绍在建筑结构设计中十分常用的软件：

PKPM系列软件。

具体步骤为；首先利用PMCAD对主楼建模；然后利用PK对某一榀横向框架进行计算分析，接着利用SATWE进行三维有限元计算，配筋，验算。

最后将电算结果同手算结果比较，从而对软件、手算过程进行评估。

7.1框架结构建模

7.1.1计算参数

某大学生科技活动中心结构平面布置图见图7-1，建筑立面图见图7-20建筑总高26.4m，总长63.6m，总宽35.7m。

基本风压：

W=0.35kN/m2，基本雪压S0=O.30kN/m2；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，拟建场地士类型为中软场地士，Ⅱ类建筑场地，设计地震分组为第一组。

楼盖、屋盖均采用现浇钢筋混凝土结构，各层梁、柱、板混凝土强度均采用C30，纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋，其余钢筋采用HPB300级钢筋。

（1）屋面、楼面均布活荷载标准值

上人屋面均布活荷载：

2.00kN/m2

一般楼面均布活荷载：

2.00kN/m2

档案库、书库、储藏室均布活荷载5.00kN/m2

电梯机房均布活荷载：

7.00kN/m2

楼梯均布活荷载：

3.50kN/m2

走廊均布活荷载:

3.50kN/m2

（2）屋面雪荷载标准值

屋面雪载标准值为Sk=µrS0＝0.30kN/m2

柱截面尺寸采用600mm×600mm；板厚为120mm。

梁截面尺寸为：

横向框架长跨梁b×h=300mmX700mm

横向框架短跨梁（2400mm）:

bXh=300mm×500mm

纵向框架梁：

bXh=300mm×550mm

次梁：

b×h=300mm×500mm

框架计算简图如图7-3所示。

图7-1结构平面布置图

7.1.2PKPM电算

电算采用的PKPM软件为基于2010版新规范的PKPM2010版（2011.9.30）。

1.建筑模型与荷载输入

电算前，新建好工作目录（可以是中文，也可以是英文），进入PKPM主程序，在第一行模块选择里面选“结构飞点左边第一个按键“PMCAD”，再双击“建筑模型与荷载输入”。

（1）轴线输入及网格生成

在右侧“轴线输入”按键下面利用“正交轴网”命令输入定位轴线；然后在“网格生成”按键下利用“轴线显示”命令可以检查轴线是否跟图纸给的轴线尺寸相符合，点击形成网点”命令，使轴线交点自动生成网点，网点的连线为网格线。

在网点上可以布置柱，在网格线上可以布置梁。

若有需要，还可以利用按键“轴线命名”来对已有轴线进行命名。

在这一步可以灵活运用“两点直线”及“平行直线”来布置局部洞口及次梁。

（2）楼层定义

在“楼层定义”按键下，双击“柱布置”，定义600mm×600mm这一种截面的柱，然后按照图纸上布置好。

双击“主梁布置”或者“次梁布置”，需要定义300mm×700mm、300mm×500mm、300mm×550mm”这3种截面的梁（包括主梁和次梁）。

建模的时候需要考虑偏心等具体问题。

柱和梁都布置好后，点“楼板生成”按键，点“生成楼板”命令。

在此按键下面还可以修改板厚、布置或删除悬挑板及预制板。

用“楼层定义下面的楼梯布置”命令，把设计好的楼梯按实际参数输进去布置好。

楼梯的板厚需改为0。

电梯间处需要开“全房间洞”。

外墙处的梁可以选择“偏心对齐”下面的柱齐”。

（3）荷载输入

在荷载输入按键下面“恒活设置”下面设置整个楼面的恒荷载和活荷载，然后可以在“楼面荷载”下面对局部不同的永久荷载和可变荷载进行修改。

楼面永久荷载为4.40kN/m2（也可仅输入粉刷层及地砖自重1.4kN/m2，同时句选“自动计算现浇楼板自重”，下同），屋面永久荷载为6.85kN／m2时，可变荷载为2.0kN／m2时，走廊处可变荷载为2.5kN／m2时，楼梯间可变荷载为3.5kN／m2时，电梯机房可变荷载为7.0kN/m2点击“梁间荷载”，在梁荷定义下面定义梁荷载的类型和大小，然后在“永久荷载”输入”或“可变荷载输人”里面输入梁间荷载，最后可以通过“数据开关”来查看梁间荷载加得是否正确。

检查的时候需要点“永久荷载输入”或“可变荷载输入”（视需要查看哪种荷载而“定）。

根据计算结果，需要在梁间荷载里面定义荷载。

其中，1～7层，横向、纵向承受外墙荷载的梁为12.47kN/m，横向、纵向承受内墙荷载的梁为9.74kN/m，第2层局部、第4层局部、第6层局部和第7层需要考虑周边加的女儿墙荷载为3.94kN/m。

（4）设计参数

设计参数”按键下面对标准层中的构件信息、计算参数等进行确定。

以上面定义的第一结构标准层为例，需输入以下主要信息：

结构类型：

框架结构；

结构主材：

钢筋混凝土；

结构重要性系数：

1.0;

地下室层数：

0;

与基础相接的最大楼层号：

1;

梁钢筋的混凝土保护层厚度：

35mm;柱钢筋的混凝土保护层厚度：

40mm;

框架梁端负弯矩调幅系数0.85;

梁、柱箍筋类别：

HPB300;

地震信息：

7度抗震（0.10g）；二级框架；二类一组场地；周期折减系数：

0.65；计算振型个数采用21个（一般不大于3倍的楼层数且为3的倍数）；

风载信息：

基本风压0.35kN/m2；

场地粗糙类型：

C类场地；

体型系数：

1.3

这样，就将第一结构标准层建立起来了。

同理，利用“添加新标准层”命令建立其余标准层。

可以选择“复制标准层”等选项来建新标准层。

根据实际情况，需要建立5个结构标准层，分别建好：

一层、二层、三～五层、六层、七层。

注意到主楼、副楼同→层层高不同，且主楼、副楼之间有变形缝，主楼、副楼可以分别用PKPM单独建模。

（5）楼层组装：

回到主菜单后，点击“楼层组装”按键下面的“楼层组装”命令，将标准层及层高结合起来组成整楼。

可以在“整楼模型”命令下看组装完成后的效果。

利用PMCAD三维建模的工作便结束，存盘退出，在弹出的“选择后续操作”窗口里面点“确定”。

在组装时，需要注意的是，底层的层高为基础顶面至第一层柱的顶面的高度，简记为的高度。

（6）平面荷载显示校核

在PMCAD里面，第二个选项“平面荷载显示校核”可以用来检查平面荷载输入是否正确。

（7）画结构平面图

在这个选项里面，可以看到板的挠度、裂缝、钢筋计算面积及配筋。

如果板的挠度不满足要求（挠度的数值变为红色，说明不满足要求）的话，可以选择把板厚加大。

楼板一般可以加到120mm，屋面板可以加到150mm。

若加大板厚后，板的挠度依然不满足要求，则需要考虑用次梁将大板分割为小板。

经比较可以发现，加横向次梁的效果比加纵向次梁的效果好。

（8）形成PK文件

在PMCAD里面，双击第四个选项形成PK文件”，形成PK文件，方便在后面SATWE里面计算。

双击进去后，点框架生成”，在命令框询问需要计算哪一榀框架时，输入数字“7”。

然后点退出”。

退出后可以看到框架的荷载图，在这一步就可以进行荷载简阁的比较，详细内容见后文。

点击右下角的退出”，退出此模块。

这一步也可以不输入，因为在SATWE里面有一个选项“接PM生成SATWE数据”。

2.SATWE计算

（1）生成SATWE数据文件

根据PMCAD的建模与信息输入，SATWE可以提取数据用于形成自己的数据文件。

该文件即PMCAD与SATWE的数据接口。

PKPM主菜单左侧的第二个按键SATWE双击“接PM生产SATWE数据”。

分别选择1和6两个必须运行的选项然后点应用数据生产完毕后点右下角“退出”。

在“1”这个选项下面可以输入建筑物的风压体型系数、地面粗糙度等风荷载信息以及设计地震分组、抗震设防烈度、场地类别、抗震等级等地震信息。

本建筑高26.4m，是框架结构。

查《建筑抗震设计规范》GB500112010的表6.1.2及《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的表11.1.3均可知，此框架结构的抗震等级为二级。

（2）结构内力、配筋计算

双击第二个选项“结构内力，配筋计算”进行计算。

（3）PM次梁内力及配筋计算

双击第三个选项PM次梁内力及配筋计算”之后提示的梁端弯矩调幅系数设为0.85。

然后退出。

（4）分析结果图形与文本显示

双击第四个选项“分析结果图形与文本显示”。

根据需要选择“图形文件输出”及文本文件输出”，然后获取需要的信息。

7.2计算结果的分析与判断

7.2.1位移比、层间位移比验算

（1）规范条文

《高层建筑混凝土结构设计技术规程》JGJ32010（下文简称《高规》的第3.4.5条规定，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移角，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍；且不应大于该楼层平均值的1.5倍。

在工作目录下找到结构位移输出文件（WDISP.OUT）（或者在SATWE结果显示里面的“文本文件输出”里面双击第三项“结构位移”，可以发现：

注：

Ratio-（x），Ratio-（Y）：

最大位移与层平均位移的比值；

Ratio-Dx,Ratio-Dy：

最大层间位移与平均层间位移的比值

由上表可知，最大水平位移及层间位移角与该楼层平均值的比值最大为1.29，满足要求。

《高规》第3.7.3条规定，高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比（即最大层间位移角）△u/h应满足要求;框架的△u/h限值为1/550。

在结构位移输出文件（WDISP.OUT）（或者在SATWE结果显示里面的“文本文件输出”里面双击第三项“结构位移”）里面还可以看到各种工况作用下的层间位移角计算结果。

工况7情况下的层间位移角最大，为1/899，小于1/550，满足要求。

在SATWE的“图形文件输出”的第9个选项“水平力作用下结构各层平均位移”里面可以得到地震作用和风荷载作用下的最大位移及最大层间位移角及层间位移角分布：

图7-4地震作用下的最大层间位移角

由上图可以看到地震作用下最大层间位移角为1/1005，这个图形输出中的层间位移角仅供直观参考，以结构位移输出文件（WDISP.OUT）中各种工况下最大层间位移角为准。

风荷载作用下的位移和层间位移角均比较小，故不列出。

（2）电算结果的判别与调整要点

1）若位移比（层间位移角）超过1.2，则需要在总信息参数设置中考虑双向地震作用；

2）验算位移比需要考虑偶然偏心作用，验算层间位移角则不需要考虑偶然偏心；

3）验算位移比应选择强制刚性楼板假定，但当凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时尚应计及扭转影响；

4）最大层间位移、位移比是在刚性楼板假设下的控制参数。

构件设计与位移信息不是在同一条件下的结果（即构件设计可以采用弹性楼板计算，而位移计算必须在刚性楼板假设下获得），故可先采用刚性楼板算出位移，而后采用弹性楼板进行构件分析；

5）因为高层建筑在水平力作用下，几乎都会产生扭转，故楼层最大位移一般都发生在结构单元的边角部位。

7.2.2周期比验算

（1）规范条文

《高规》第3.4.5条规定，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9;B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。

《抗规》中没有明确提出该概念，所以多层时该控制指标可以适当放松，但一般不应大于1.0。

对于通常的规则单塔楼结构，如下验算周期：

1）根据各振型的平动系数大于0.5，还是扭转系数大于0.5，区分出各振型是扭转振型还是平动振型；

2）通常周期最长的扭转振型对应的就是第一扭转周期Tt，周期最长的平动振型对应的就是第一平动周期T1;

3）对照“结构整体空间振动简图”，考察第一扭转／平动周期是否引起整体振动，如果仅是局部振动，不是第一扭转／平动周期。

需再考察下一个最长周期（第二长的周期，余下的依此类推）

4）考察第一平动周期的基底剪力比是否为最大；

5）计算Tt/T1，看是否超过0.9（0.85）。

在周期、地震作用与振型输出文件（WZQ.OUT）里面可以找到:

地震作用最大的方向为0.302度；X方向的有效质量系数为99.50%;Y方向的有效质量系数为99.50%；均大于90%。

说明无需再增加振型计算，取21个振型参与计算能满足要求。

结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比:

0.9599/1.1610=0.8268<0.9，满足要求。

（2）电算结果的判别与调整要点

1）对于刚度均匀的结构，在考虑扭转藕连计算时，一般来说前两个或几个振型为其主振型，但对于刚度不均匀的复杂结构，上述规律不一定存在。

总之在高层结构设计中，使得扭转振型不应靠前，以减小震害。

SATWE程序中给出了各振型对基底剪力贡献比例的计算功能，通过参数Ratio（振型的基底剪力占总基底剪力的百分比〉可以判断出哪个振型是X方向或Y方向的主振型，并可查看以及每个振型对基底剪力的贡献大小。

2）振型分解反应谱法分析计算周期，地震力时，还应注意两个问题，即计算模型的选择与振型数的确定。

一般来说，当全楼作刚性楼板假定后，计算时宜选择“侧刚模型”进行计算。

而当结构定义有弹性楼板时则应选择“总刚模型”进行计算较为合理。

至于振型数的确定，应按高规要求（高层建筑结构计算振型数不应小于9，抗震计算时，宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应，振型数不小于15，对于多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%）执行，振型数是否足够，应以计算振型数使振型参与质量不小于总质量的90%作为唯一的条件进行判别。

（藕联取3的倍数，且≤3倍层数，非搞联取≤层数，直到参与计算振型的有效质量系数≥90%）需要提醒的是，并不是振型数取得越大越好。

若振型数取得太大，则PKPM会报错，提醒“有效质量自由度数小于指定分析振型数”。

这时就需要适当减少参与计算的振型数。

即使PKPM没有报错，参与计算的振型数取得太大，也会增大计算机的内存和CPU开销，还会增大用于计算的时间开销。

这样做就比较浪费。

3）如同位移比的控制一样，周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。

即周期比控制不是在要求结构足够结实，而是在要求结构承载布局的合理性。

考虑周期比限制以后，以前看来规整的结构平面，从新规范的角度来看，可能成为“平面不规则结构”。

一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。

周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，总的调整原则是要加强外圈结构刚度、增设抗震墙、增加外围连梁的高度、削弱内筒的刚度。

4）扭转周期控制及调整难度较大，要查出问题关键所在，采取相应措施，才能有效解决问题，通常有以下要点：

扭转周期大小与刚心、形心之间的偏心距大小无关，只与楼层抗扭刚度有关；

剪力墙全部按照同一主轴两向正交布置时，较易满足；周边墙与核心筒墙成斜交布置时要注意检查是否满足；

当不满足周期限制时，若层间位移角控制潜力较大，宜减小结构竖向构件刚度，增大平动周期；

当不满足周期限制时，且层间位移角控制潜力不大，应检查是否存在扭转刚度特别小的层，若存在应加强该层的抗扭刚度；

当不满足扭转周期限制，且层间位移角控制潜力不大，各层抗扭刚度无突变，说明核心筒平面尺度与结构总高度之比偏小，应加大核心筒平面尺寸或加大核心筒外墙厚，增大核心筒的抗扭刚度；

当计算中发现扭转为第一振型，应设法在建筑物周围布置剪力墙，不应采取只通过加大中部剪力墙的刚度措施来调整结构的抗扭刚度。

7.2.3层刚度比验算

（1）规范条文

1）《抗规》附录E.2.1条规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2;2）《高规》第3.5.2条第1款规定，对于框架结构，楼层与相临上层侧向刚度比不宜小于0.7，与相临上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8;3）《高规》第3.5.2条第2款规定，对于框架-剪力墙、板柱-剪力墙、框架-核心筒结构、筒中筒结构，与相临上层侧向刚度比不宜小于0.9；当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1；对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5倍。

在建筑结构的结构设计信息（WMASS.OUT）中可以查到最小层刚度比。

X方向最小刚度比为1.0000（第7层），y方向最小刚度比1.0000（第7层）。

均大于0.8，满足要求。

（2）电算结果的判别与调整要点

1）规范对结构层刚度比和位移比的控制一样，也要求在刚性楼板假定条件下计算。

对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次，在刚性楼板假定条件下计算层刚度比并找出薄弱层，然后在真实条件下完成其他结构计算。

2）层刚度比计算及薄弱层地震剪力放大系数的结果详见建筑结构的结构设计信息WMASS.OUT。

一般来说，结构的抗侧刚度应该沿高度均匀分布或沿高度逐渐减少，但对于框支层或抽空墙柱的中间楼层通常表现为薄弱层，由于薄弱层容易遭受严重震害，故程序根据刚度比的计算结果或层间剪力的大小自动判定薄弱层，并乘以放大系数，以保证结构安全。

当然，薄弱层也可在调整信息中通过人工强制指定。

3）对于上述三种计算层刚度的方法，应根据实际情况进行选择：

对于底部大空间为一层时或多层建筑及砖混（砌体）结构应选择“剪切刚度”；对于底部大空间为多层时或有支撑的钢结构应选择“剪弯刚度”；而对于一般工程来说，则可选用第三种规范建议方法，此法也是SATWE程序的默认方法。

7.2.4层间受剪承载力之比验算

《高规》第3.5.3条规定，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%;B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。

在结构设计信息（WMASS.OUT）中可以找到：

注：

Ratio-Bu，表示本层与上一层的承载力之比。

X方向最小楼层抗剪承载力之比为0.80;

Y方向最小楼层抗剪承载力之比为0.77。

X方向最小楼层抗剪承载力之比为0.80，大于0.65，满足要求；

Y方向最小楼层抗剪承载力之比为0.77，大于0.65，满足要求。

说明没有薄弱层。

如果有薄弱层，则需要加强。

软件实现方法：

1）层间受剪承载力的计算与混凝土强度、实配钢筋面积等因素有关，在用SATWE软件接PK出施工图之前，实配钢筋面积是不知道的，因此SATWE程序以计算配筋面积代替实配钢筋面积。

2）目前的SATWE软件在《结构设计信息》（WMASS.OUT）文件中输出了相邻层层间受剪承载力的比值，该比值是否满足规范要求需要设计人员人为判断。

7.2.5刚重比验算

（1）规范条文

《高规》第5.4.4条规定，高层建筑结构的整体稳定性应符合下列规定：

1）剪力墙结构、框剪结构、筒体结构应符合下式要求：

2）框架结构应符合下式要求：

在WMASS.OUT文件下面可以找到结构整体稳定验算结果为：

该结构刚重比Di·Hi/Gi大于10，能够通过《高规》第5.4.4的整体稳定验算；

该结构刚重比Di•Hi/Gi大于20，可以不考虑重力二阶效应。

（2）电算结果的判别与调整要点

1）按照《高规》第5.4.1计算等效侧向刚度。

2）对于剪切型的框架结构，当刚重比大于10时，则结构重力二阶效应可控制在20%以内，结构的稳定已经具有一定的安全储备；当刚重比大于20时，重力二阶效应对结构的影响已经很小，故规范规定此时可以不考虑重力二阶效应。

3）对于弯剪型的剪力墙结构、框剪结构、筒体结构，当刚重比大于1.4时，结构能够保持整体稳定；当刚重比大于2.7时，重力二阶效应导致的内力和位移增量仅在5%左右，故规范规定此时可以不考虑重力二阶效应。

4）高层建筑的高宽比满足限值时，可不进行稳定验算，否则应进行。

5）当高层建筑的稳定不满足上述规定时，应调整并增大结构的侧向刚度。

7.2.6剪重比验算

（1）规范条文

《抗规》第5.2.5和《高规》第4.3.12条规定，抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力不应小于下表给出的最小地震剪力系数λ。

注：

1.基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构，应允许线性插入取值；2.7、8时括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。

剪重比即最小地震剪力系数k，主要是控制各楼层最小地震剪力，尤其是对于基本周期大于3.5s的结构，以及存在薄弱层的结构，出于对结构安全的考虑，规范增加了对剪重比的要求。

在WZQ.OUT文件里面可以得到：

《抗规》第5.2.5条要求的X向楼层最小剪重比＝1.60%（0.016），满足要求。

Y向楼层最小剪重比＝1.60%（0.016），满足要求。

（2）电算结果的判别与调整要点

1）对于竖向不规则结构的薄弱层的水平地震剪力应增大1.15倍，即上表中楼层最小剪力系数A应乘以1.15倍。

当周期介于3.5s和5.0s之间时，可对于上表采用插入法求值。

2）对于一般高层建筑而言，结构剪重比底层为最小，顶层最大，故实际工程中，结构剪重比由底层控制，由下到上，哪层的地震剪力不够，就放大哪层的设计地震内力。

3）各层地震内力自动放大与否在调整信息栏设开关；如果用户考虑自动放大，SATWE将在WZQ.OUT中输出程序内部采用的放大系数。

的六度区剪重比可在0.7%～1%之间取。

若剪重比过小，均为构造配筋，说明底部剪力过小，要对构件截面大小、周期折减等进行检查。

若剪重比过大，说明底部剪力很大，也应检查结构模型，参数设置是否正确或结构布置是否太刚。

7.2.7轴压比及挠度验算

（1）规范条文

《混凝土规》第11.4.16条、《抗规》第6.3.6条、《高规》第6.4.2条同时规定：

柱轴压比不宜超过下表中限值。

柱（墙）轴压比N/（fcA）指柱（墙）轴压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。

它是影响墙柱抗震性能的主要因素之一，为了使柱（墙）具有很好的延性和超能能力，规范采取的措施之一就是限制轴压比。

在图形文件输出的第3个选项里面可以找到轴压比的图形输出结果，也可以在混凝土构件配筋、钢构件验算输出文件（WPJ.OUT）里面找到轴压比的文本文件输出结果。

第一层的轴压比最大，第二层的轴压比的最大值见图7-5所示。

从图7-5可知，轴压比的最大值为0.78，大于规范规定的0.75这个限值，不满足要求。

提高混凝土等级、增大柱截面均可解决此问题。

（2）电算结果的判别与调整要点

1）抗震等级越高的建筑结构，其延性要求也越高，因此对轴压比的限制也越严格。

对于框支柱、一字形剪力墙等情况而言，则要求更严格。

抗震等级低或非抗震时可适当放松，但任何情况下不得小于1.050

2）限制墙柱的轴压比，通常取底截面（最大轴力处）进行验算，若截面尺寸或混凝土强度等级变化时，还验算该位置的轴压比。

SATWE验算结果，当计算结果与规范不符时，轴压比数值会自动以红色字符显示。