浅析小高层住宅结构设计时PKPM的应用.docx

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浅析小高层住宅结构设计时PKPM的应用

浅析小高层住宅结构设计时PKPM的应用

摘要：

目前，对于12～16层的小高层建筑，既可以保证结构的刚度、位移，又可以使室内空间方正合理的短肢剪力墙—一般剪力墙结构得以普遍应用。

短肢剪力墙—一般剪力墙结构的受力、变形特征，类似以框剪结构，它比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别也比框剪结构小，传给基础的荷载更均匀、合理。

它的结构布置方式灵活，墙肢可长可短，由于这种结构体系、结构布置不太规则，构件形式较多，因此一般均采用空间有限元分析软件SATWE计算。

　　本文根据《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》JGJ3-2002（以下简称《高规》）中的相关规定，并结合工程实际，对使用PKPM进行小高层住宅结构设计时的构件布置要点、输入参数要求及其计算结果分析做一个较为浅显的说明。

关键词：

小高层短肢剪力墙PKPM

1、短肢剪力墙的布置

　　《高层建筑钢筋砼结构技术规程》第7.1.2条对短肢剪力墙结构的设计做的八项规定，并在相关条文说明中指出：

“短肢剪力墙抗震性能较差，地震区应用经验不多。

”实际指的是缺少地震检验。

根据《高规》的具体要求及精神，

目前本地短肢剪力墙布置普遍遵循以下原则：

以短肢剪力墙（自振周期宜0.05n~0.10n，n为结构计算层数）为主，部分加一般剪力墙，短肢剪力墙肢长一般按不小于5倍墙厚控制，尽量避免异型柱和一字墙：

（1）剪力墙布置应尽量规整、均匀、对称，且贯通全高，使建筑物具备合理的双向刚度；并尽可能使结构的刚度中心和质量中心重合，以减少扭转。

（2）控制结构楼层层间最大位移与层高之比≦1/1000。

（3）剪力墙的竖向布置应自下而上逐渐减小，避免刚度突变，楼层的侧向刚度不宜小于相邻上一层的70%和其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%。

（4）楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%。

（5）筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。

当不能判断时，可控制第一振型下一般剪力墙底部地震剪力不应小于总剪力的50%。

（6）应尽量控制楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）不大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍；当不能控制在1.2倍以内时不应超过1.5倍，且此时空间计算模型应计及双向扭转影响。

（7）房间内不出现凸角，剪力墙的门窗洞宜上、下对齐。

（8）长墙应通过设置结构洞分成联肢墙以改善结构整体刚度并使刚度合理分布，不宜出现单肢短肢剪力墙。

（9）剪力墙的连梁上不应布置楼面主梁，否则应采取可靠的构造加强措施；

（10）剪力墙二侧楼板不宜同时开大洞。

2、在PKPM中应注意的问题

（1）力墙在PMCAD中的输入，一般来说：

当剪力墙洞口比较大时，即洞口连梁的跨高比不小于5时，洞口之间连梁部分以弯曲变形为主，则应在洞口两端各增加节点按框架梁方式输入；若剪力墙洞口不大，即洞口连梁的跨高比小于5时，洞口之间连梁部分以剪切变形为主，则应按剪力墙开洞方式输入。

（2）高规》第7.1.2条规定：

“注：

短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5~8的剪力墙，一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。

”同时，《高规》第7.2.5条规定：

“矩形截面独立墙肢的截面高度hw不宜小于截面厚度bw的5倍；当hw/bw小于5时，其在重力荷载代表值作用下的轴压力设计值的轴压比，一、二级时不宜大于本规程表7.2.14的限值减0.1，三级时不宜大于0.6；当hw/bw不大于3时，宜按框架柱进行截面设计，底部加强部位纵向钢筋的配筋率不应小于1.2%，一般部位不应小于1.0%，箍筋宜沿墙肢全高加密。

”因此，在PMCAD中，我们应尽量避免采用墙肢高厚比在3～5之间的剪力墙，当采用墙肢高厚比不大于3的剪力墙时，则应按柱的形式输入。

在此需要说明一下，目前较为一致的看法是：

“当剪力墙开洞后，洞口连梁跨高比不大于2.5，开洞后墙肢截面高厚比虽为5～8，可不作为短肢剪力墙，若墙肢高厚比小于5，则按高规7.2.5条执行。

”“L型、T型墙肢，当有一翼高厚比为5～8，而另一翼高厚比大于8，则此墙肢为普通剪力墙，仅将该翼（高厚比为5～8）墙肢按短肢剪力墙构造要求进行设计即可。

”

（3）SATWE前处理中，对于“结构体系”是应设定为“短肢剪力墙结构”还是设定为“剪力墙结构”，一般应需要进行一遍计算后查看SATWE后处理中的“框架柱倾覆弯矩及0.2Q0调整系数”（WV02Q.OUT）中的短肢墙部分承担的地震倾覆力矩。

若其不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%，则应将“结构体系”设定为“短肢剪力墙结构”，这也是判定短肢剪力墙结构的上限。

超过此上限说明短肢剪力墙占的比例太大，这种结构是不允许的，应减少短肢墙数量。

若短肢墙部分承担的地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的比例很小（一般认为小于15％），则应将“结构体系”设定为“剪力墙结构”，结构中不用区分短肢剪力墙还是一般剪力墙，一律按剪力墙处理。

将“结构体系”设置为“短肢剪力墙结构”后，程序自动将其中的短肢剪力墙，即墙肢高度和宽度之比不大于8的剪力墙的抗震等级提高一级，用提高后的抗震等级进行短肢剪力墙墙肢的轴压比控制和剪力设计值放大。

3、工程实例

苏地B—37地块（现名“理想城”）一期34#房工程总建筑面积8053m2，地上12层，地下1层，房屋总高度38.2m。

本工程建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，结构抗震等级为三级，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅲ类，地面粗糙度类别为B类，基本风压值取0.45KN/m2。

下页附图为本工程的剪力墙结构布置图。

4、计算结果分析

（1）、剪重比的控制

　　控制剪重比，是要求结构承担足够的地震作用，设计时不能小于规范的要求。

剪重比是反映地震作用大小的重要指标，它可以由“有效质量系数”来控制，当“有效质量系数”大于90%时，可以认为地震作用满足规范要求，此时，再考察结构的剪重比是否合适，否则应修改结构布置、增加结构刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求。

有效质量系数与振型个数有关，如果有效质量系数不满足90%，则可以通过增加振型数来满足。

　　本工程平面及竖向均比较规则，在SATWE中设计时选取了18个振型进行计算，在WZQ.OUT结果文件中查看X、Y向有效质量系数及楼层最小剪重比如下：

X方向的有效质量系数:

   99.50%

Y方向的有效质量系数:

   99.50%

X向楼层最小剪重比：

1.43%

Y向楼层最小剪重比：

1.46%

　　两个方向有效质量系数均超过90%，说明计算振型数够了。

两个方向的楼层最小剪重比均满足楼层最小剪重比0.80%（抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度为0.05g时）。

（2）、周期比的控制

　　验算周期比的目的，主要是限制结构的扭转效应。

国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中受到严重的破坏。

国内一些振动台模型试验结果也表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。

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，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。

所以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。

一句话，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。

本工程WZQ.OUT文件中自振周期结果如下：

振型号周期转角平动系数（X+Y）扭转系数

11.215160.550.93（0.22+0.71）0.07

21.1818148.220.98（0.71+0.27）0.02

30.996930.360.09（0.07+0.02）0.91

40.331073.470.92（0.07+0.85）0.08

50.3066156.850.86（0.73+0.13）0.14

60.280016.520.22（0.20+0.02）0.78

70.156678.700.91（0.04+0.87）0.09

80.1400156.670.70（0.59+0.11）0.30

90.133011.880.39（0.38+0.02）0.61

100.094783.240.90（0.01+0.88）0.10

110.0830165.100.85（0.80+0.06）0.15

120.080029.280.25（0.19+0.06）0.75

130.065386.820.88（0.00+0.88）0.12

140.0571174.250.98（0.97+0.01）0.02

150.054765.570.13（0.02+0.11）0.87

160.049189.630.88（0.00+0.88）0.12

170.0431179.801.00（1.00+0.00）0.00

180.040790.910.12（0.00+0.12）0.88

当平动系数大于0.5时，该振型为以平动为主的振型。

反之，当扭转系数大于0.5时，该振型为以转动为主的振型。

从上面结果中可以查得，结构以扭转为主的第一自振周期T3＝0.9969s，以平动为主的第一自振周期T1＝1.2151s，T3/T1＝0..82＜0.9，满足《高规》第4.3.5条的规定。

（3）、位移比的控制

　　位移比的大小同样反映了结构的扭转效应。

计算位移比时，如果楼层中产生“弹性节点”，应选择“强制刚性楼板假定”；同时还应选择“偶然偏心”，以满足《高规》第4.3.5条规定：

“在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，……”。

　　在SATWE后处理中查看本工程结构位移文件WDISP.OUT，结果如下：

a）、最大值层间位移角

X方向最大值层间位移角：

1/2188

Y方向最大值层间位移角：

1/2033

满足《高规》4.6.3条最大值层间位移角≤1/1000的规定。

b）、最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值

X方向最大位移与层平均位移的比值:

1.08

X方向最大层间位移与平均层间位移的比值：

1.07

Y方向最大位移与层平均位移的比值:

1.17

Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值：

1.16

满足《高规》4.3.5条最大位移层间位移和与层平均值的比值A级高度高层建筑不宜大于1.2，不应大于1.5的规定。

（4）、刚度比的控制

　　按《高规》7.1.2条规定，抗震设计的一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。

　　本工程底部短肢墙地震倾覆弯矩百分比如下：

           短肢墙倾覆弯矩    墙倾覆弯矩   短肢墙倾覆弯矩百分比

3层X向地震:

8711.212570.040.93%

3层Y向地震:

8636.512689.340.50%

2层X向地震:

9682.614342.140.30%

2层Y向地震:

9868.314250.340.92%

1层X向地震:

10754.216397.339.61%

1层Y向地震:

11359.215764.741.88%　　

很明显，本工程短肢墙倾覆承受的底部地震倾覆弯矩均小于总底部地震倾覆弯矩的50%。

5、总结

本文主要以剪力墙结构中的落地短肢剪力墙为例，简单介绍了在SATWE软件中应注意的问题以及对设计结果进行分析。

对于PKPM中的TAT软件，它采用的是三维空间模型，对剪力墙采用薄壁柱的原理计算，对梁柱采用空间杆系原理计算，当连梁跨高比大于4时，采用这种模型计算误差很小，但实际工程往往并非如此，因此短肢剪力墙一般采用SATWE计算。

另外，在采用SATWE软件进行短肢剪力墙结构小高层结构计算时，部分较主要的计算总信息及调整参数如下：

1）地震作用计算方法

SRSS+考虑质量偶然偏心（规则结构）

CQC+考虑质量偶然偏心（不规则结构）

CQC+考虑双向地震作用扭转效应（质量和刚度明显不对称、不均匀结构）

2）周期折减系数：

0.85

3）结构阻尼比：

5%

4）结构的地震反应分析方法，宜采用“总刚分析方法”。

其余不再述及。

综上所述，对于一个结构设计者来说，首先应对其设计计算的软件功能有切实的了解，其次应选取符合结构实际工作情况的计算模型及符合现行规范要求的计算方法，最后还应对计算结果进行正确的判别，确认其合理有效后方可在设计中应用。