PKPM应用指南.docx

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PKPM应用指南

PKPM新规范计算软件

作者:

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 2007/9/2607:

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TAT、SATWE、PMSAP

应用指南

黄吉锋

目录

1.扭转耦联

2.双向地震扭转效应

3.偶然偏心

4.竖向地震作用

5.有效质量系数：

参与振型数够不够？

6.振型的侧振、扭振成分---判断一个振型是扭转振型还是平动振型？

7.多方向水平地震作用

8.最小地震剪力调整

9.竖向不规则结构地震作用效应的调整

10.0.2Q0调整

11.框支柱地震作用下的内力调整

12.设计内力调整（强柱弱梁,强剪弱弯）

13.位移比控制，层间位移比控制

14.周期比控制

15.层刚度比控制

16.框剪结构中框架承担的倾覆力矩计算

17.重力二阶效应

18.传给基础的上部结构刚度

19.弹性时程分析及地震波的选取

20.整体稳定验算

21.高位转换结构的刚度比验算

22.短肢剪力墙结构设计

23.转换层结构

24.柱墙活荷载折减系数的理解

25.梁活荷载折减的正确应用

26.梁弯矩放大系数的合理使用

27.框架剪力墙结构设计

28.剪力墙结构设计

29.总刚计算模型不过的主要原因

30.如何定义弹性楼板

1.扭转耦连

规范条文：

新高规3.3.4-1条规定，质量、刚度不对称、不均匀的结构，以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦连振动影响的振型分解反应谱法。

具体操作原则：

TAT、SATWE和PMSAP三个程序都具有考虑扭转耦连的功能。

程序考虑方式：

1）TAT,SATWE将该功能作为用户选项，考虑与否由用户自定

2）PMSAP计算时总是考虑扭转耦连

3）非耦联计算仅适用于平面结构以及能够解耦成平面结构的简单空间结构，对复杂空间结构可能造成错误结果。

4）耦联计算适用于任何结构，总是正确的。

5）耦联计算的结果不一定比非耦联计算的结果大（保守），二者没有必然关系。

6）建议总是选择耦联计算，不会出问题。

2.双向地震作用

规范条文：

新抗震规范5.1.1条规定，质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向地震作用下的扭转影响。

具体操作原则：

楼层位移比或者层间位移比超过1.2，考虑双向地震。

程序实现：

现在我们考虑某个地震反应参数S，该参数在X和Y地震作用下的反应分别为Sx和Sy，那么在考虑了双向地震扭转效应后：

Sx⇐S2x＋（0.85Sy）2

Sy⇐S2y＋（0.85Sx）2

这意味着对于X和Y地震作用都作不同程度的放大。

考虑双向地震时，内力组合不改变。

该功能作为用户选项，考虑与否由用户自定。

对于柱的弯矩和剪力，处理方法稍有不同，举例说明如下：

我们令S代表某个柱截面在某个方向上的弯矩或剪力：

X地震作用下的值Sx，Y地震作用下的值Sy，考虑双向地震后Sx，Sy改变成为S´x，S´y

IF（|Sx|＞|Sy|）THEN

S´x＝S2x＋（0.85Sy）2

S´y＝Sy

ELSE

S´x＝Sx

S´y＝S2y＋（0.85Sx）2

ENDIF

考虑双向地震对楼层位移、层间位移输出的影响：

TAT输出了考虑双向地震作用的地震位移；

SATWE,PMSAP暂时没输出位移的双向地震效应；

考虑双向地震对内力的影响：

TAT,SATWE均将原来的单向X、Y地震效应直接用双向地震作用效应替代，体现在内力文件NL*.OUT（TAT）和WNL*.OUT（SATWE）当中。

PMSAP在原来单向地震工况EX，EY的基础上增加两个新的对应于双向地震的工况EXY，EYX，文件输出时，同时将单向地震（EX,EY）和双向地震的（EXY,EYX）的内力输出。

考虑双向地震对配筋的影响：

一般平均增加5%-8%；单构件最大可能增加1倍左右。

考虑双向地震带来的配筋增大

1.规则框架例

规则框架单、双向地震（单偏压配筋）对比

柱类别轴力（kN）配筋率RASX方向配筋Asx（㎜2）Y方向配筋Asy（㎜2）配箍率RAv

角柱单震-23452.50257524400.85

双震-25532.85283828001.17

对比1.091.141.10211.14751.3765

边柱单震-24212.63212615021.3

双震-24353.07214120311.3

对比1.011.16731.00711.35221.00

中柱单震-30822.31226624021.01

双震-30882.32226624161.17

对比1.001.00431.001.00581.1584

2.框剪结构例

框剪结构单、双向地震（单偏压配筋）对比

柱类别轴力（kN）配筋率RASX方向配筋Asx（㎜2）Y方向配筋Asy（㎜2）配箍率RAv

角柱单震-2598.001.00001885.002351.001.16

双震-2776.001.13002291.002644.001.16

对比1.06851.13001.21541.12451.00

边柱单震-5263.003.32004432.005807.001.16

双震-5888.004.70006226.007975.001.30

对比1.11881.41571.40481.37331.1207

中柱单震-6016.000.86001229.001653.001.3

双震-7251.001.61002262.002592.001.68

对比1.20531.87211.84051.56811.2923

3.偶然偏心

规范条文：

新高规3.3.3条规定，计算单向地震作用时，应考虑

偶然偏心的影响，附加偏心距可取与地震作用方向垂直的建筑物

边长的5%。

具体操作原则：

1）验算结构位移比时，总是要考虑偶然偏心；

2）结构构件设计时，分下列两种情况处理:

A.如果位移比超过1.2，则考虑双向地震，不考虑偶然偏心；

B.如果位移比小于1.2，则不考虑双向地震，考虑偶然偏心。

程序考虑方式：

从理论上，各个楼层的质心都可以在各自不同的方向出现偶然偏心，从最不利的角度出发，我们在程序中只考虑下列四种偏心方式：

1）X向地震，所有楼层的质心沿Y轴正向偏移5%，记作EXP

2）X向地震，所有楼层的质心沿Y轴负向偏移5%，记作EXM

3）Y向地震，所有楼层的质心沿X轴正向偏移5%，记作EYP

4）Y向地震，所有楼层的质心沿X轴负向偏移5%，记作EYM

对内力组合的影响：

考虑了偶然偏心地震后，就在原有的未偏心X、Y地震EX、EY的基础上，新增加了四个地震工况EXP、EXM、EYP和EYM，在内力组合时，任一个有EX参与的组合，将EX分别代以EXP和EXM，将增加成三个组合；任一个有EY参与的组合,将EY分别代以EYP和EYM，也将增加成三个组合。

简言之，地震组合数将增加到原来的三倍。

使用要点：

1）该功能设有选项开关，考虑偶然偏心时可将开关打开。

2）SATWE、TAT的质心偏移值5%是固定的、按规范取用的；PMSAP偏移值可以X、Y向不同，由用户输入。

3）偶然偏心对位移输出的影响：

SATWE,TAT,PMSAP均输出四个偶然偏心地震EXP,EXM,EYP,EYM作用下结构的楼层位移、层间位移以及位移比；位移比验算应采用偶然偏心地震结果；层间位移角验算则不必采用偶然偏心地震结果。

SATWE:

WDISP.OUT

TAT:

TAT-4.OUT

PMSAP:

简单摘要文件（工程名TB.RPT）

4）偶然偏心地震作用下的构件内力输出：

构件增加了±5%X向偏心地震作用效应和±5%Y向偏心地震作用效应的计算，均可通过文本文件或图形文件查看。

构件内力文本文件中4组偶然偏心地震工况的标记如下：

a）X向地震，所有楼层的质心沿Y轴正向偏移5%，该工况记作：

EXP（PMSAP）、+5%（TAT）、X方向左偏心（SATWE）；

b）X向地震，所有楼层的质心沿Y轴负向偏移5%，该工况记作：

EXM（PMSAP）、-5%（TAT）、X方向右偏心（SATWE）；

c）Y向地震，所有楼层的质心沿X轴正向偏移5%，该工况记作：

EYP（PMSAP）、+5%（TAT）、Y方向左偏心（SATWE）；

d）Y向地震，所有楼层的质心沿X轴负向偏移5%，该工况记作：

EYM（PMSAP）、-5%（TAT）、Y方向右偏心（SATWE）；

偶然偏心的四种方式

实例：

偶然偏心对构件内力的影响

构件标准内力对比（FRAM1第8层）

梁支座弯矩比∶1.16

（2）1.01（24）AVER=1.06

梁剪力比∶1.16

（2）1.01（24）AVER=1.06

柱剪力Vx比∶1.17（23）1.01（6）AVER=1.06

柱剪力Vy比∶1.17（24）1.01

（2）AVER=1.07

柱轴力N比∶1.09（20）1.02

（2）AVER=1.05

柱底弯矩Mx比∶1.17（24）1.01

（2）AVER=1.07

柱底弯矩My比∶1.16（23）1.01（6）AVER=1.06

柱顶弯矩Mx比∶1.17（24）1.01

（2）AVER=1.07

柱顶弯矩My比∶1.17（24）1.01

（2）AVER=1.07

偶然偏心对配筋（平均）的影响：

柱梁

•15层框剪11.9%2.3%

•13层框剪（PJ2）0.4%1.7%

•33层框支0.8%

•8层框架7.7%3.9%

•21层框剪0.9%1.2%

•19层框剪1.3%1.2%

•18层框剪0.7%3.0%

•平均增加3.82%2.01%

偶然偏心对最大位移比的影响（最大/平均）：

•不考虑考虑增加

•15层框剪1.201.318.11%

•13层框剪（PJ2）1.821.956.99%

•33层框支1.051.530.32%

•8层框架1.762.3926.22%

•19层框剪1.571.7510.04%

•18层框剪1.432.0329.16%

•平均增加18.47%

4.竖向地震作用

规范条文：

新抗震规范5.3.1条规定，对于9度的高层建筑，其竖向地震作用标准值应按公式（5.3.1-1）和（5.3.1-2）计算，并宜乘以1.5的放大系数。

相当于重力荷载代表值的23.4%；新抗震规范5.3.3条规定，长悬臂和其它大跨度结构竖向地震作用标准值，8度、8.5度（0.3g）和9度时分别取重力荷载代表值的10%、15%和20%；新高规10.2.6条规定，带转换层的高层建筑结构，8度抗震设计时转换构件应考虑竖向地震影响。

应用竖向地震：

1）设立竖向地震的计算开关，由用户自行决定是否考虑竖向地震作用。

2）增设‘竖向地震作用系数’项，程序自动取规范规定值，允许用户修改此值，从而自己决定总竖向地震作用的大小。

SATWE按规范内定。

3）当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，用户应设置计算竖向地震作用。

4）尚不能单独计算转换构件的竖向地震作用。

用户需要，可整体考虑竖向地震作用。

5）尚不能单独计算连体结构的连接体的竖向地震作用。

用户需要，可整体考虑竖向地震作用。

5.有效质量系数：

振型数够不够？

概念来源：

WILSONE.L.教授曾经提出振型有效质量系数的概念用于判断参与振型数足够与否，并将其用于ETABS程序，他的方法是基于刚性楼板假定的，不适用于一般结构。

方法发展：

现在不少结构因其复杂性需要考虑楼板的弹性变形，因此需要一种更为一般的方法，不但能够适用于刚性楼板，也应该能够适用于弹性楼板。

出于这个目的，我们从结构变形能的角度对此问题进行了研究，提出了一个通用方法来计算各地震方向的有效质量系数，这个新方法已经实现于TAT、SATWE和PMSAP。

经验：

根据我们的计算经验，当有效质量系数大于0.9时，基底剪力误差一般小于5%。

在这个意义上我们称有效质量系数大于0.9的情形为振型数足够；否则称振型数不够。

规范：

高规（5.1.13）规定对B级高度高层建筑及复杂高层建筑有效质量系数不小于0.9；抗规（5.2.2）条文说明建议有效质量系数可取为0.9。

实现：

程序自动计算该参数并输出。

TAT输出在“TAT-4.OUT”文件中；

SATWE输出在“WZQ.OUT”文件中；

PMSAP则输出在详细摘要“工程名.ABS”文件中。

重要概念：

结构的固有振型总数-----参与振型数的上界

1）只有搞清楚这个概念，选择振型数才不会犯错误；

2）如何判断一个结构的固有振型总数：

离散结构的振型总数是有限的，振型总个数等于独立质量的总个数。

可以通过判断结构的独立质量数来了解结构的固有振型总数。

具体地说：

每块刚性楼板有三个独立质量Mx,My,Jz；

每个弹性节点有两个独立质量mx,my；

根据这两条，可以算出结构的独立质量总数，也就知道了结构的固有振型总数

3）若记结构固有振型总数是NM，那么参与振型数最多只能选NM个，选参与振型数大于NM是错误的，因为结构没那么多。

4）参与振型数与有效质量系数的关系：

a）参与振型数越多，有效质量系数越大；

b）参与振型数=0时，有效质量系数=0；

c）参与振型数=NM时，有效质量系数=1.0。

5）参与振型数NP如何确定？

a）参与振型数NP在1-NM之间选取；

b）NP应该足够大，使得有效质量系数大于0.9。

6）有些结构，需要较多振型才能准确计算地震作用，这时尤其要注意有效质量系数是否超过了0.9。

比如下面的结构：

八层钢框架，存在大量越层柱和弹性节点，这种情况往往需要很多振型才能使有效质量系数满足要求。

原因：

振型整体性差，局部振动明显

6.振型的侧振、扭振成分-判断一个振型是扭转振型还是平动振型

概念：

一个振型的反应能量可以分拆成平动能量和转动能量，它们各自占总能量的比例我们称为侧振成分和扭振成分。

这里借鉴了ETABS程序振型方向因子的概念。

如果某个振型的侧振成份大于50%，我们就把这个振型叫做侧移振型，反之如果某个振型的扭振成份大于50%，我们就把这个振型叫做扭振振型。

作用：

1）通过振型成份的输出，可以使用户方便地了解各个振型的性态；

2）同时，也可以作为判断结构第一扭转周期与第一侧振周期的依据。

7.多方向水平地震作用

规范条文：

抗震规范5.1.1条规定,有斜交抗侧力构件的结构,当相交角度大于15度时,应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。

程序实现：

针对这一条，程序增加了自动计算多方向水平地震作用的功能。

用户可以根据需要指定多个（最多允许12个）地震作用方向，程序对每一地震方向进行地震反应谱分析，计算相应的构件内力。

在构件设计阶段，也将考虑每一方向地震作用下构件内力的组合，这样不至于漏掉最不利情形，保证了结构设计的安全。

多方向地震的输出标记:

EX1,EY1；EX2,EY2；EX3,EY3；EX4,EY4；EX5,EY5；

（iCase）Shear-XShear-YAxialMx-BtmMy-BtmMx-TopMy-Top

--------------------------------------------------------------

N-C=1Node-i=488,Node-j=39,DL=6.000（m）,Angle=0.000

（1）28.413.1-31.8-25.555.3-52.8-115.0

（2）-5.740.644.7-78.9-11.1-165.022.9

（3）3.2-0.21.30.46.30.8-13.0

（4）-0.34.8-3.4-9.3-0.6-19.41.3

（5）-0.6-1.9-249.03.6-1.17.82.3

（6）1.2-0.4-97.10.62.41.9-5.1

EX127.412.6-33.0-24.653.4-50.9-111.1

EY1-9.340.843.9-79.2-18.2-165.637.6

EX220.326.239.0-50.939.6-106.5-82.4

EY2-20.633.738.7-65.4-40.2-136.683.4

EX312.934.942.8-67.725.1-141.6-52.3

EY3-25.924.634.4-47.9-50.5-99.8105.0

--------------------------------------------------------------

多方向地震作用工程例

序号工程名结构类型层数/高度（m）有否有斜向布置构件多方向地震输入角度

1E1框架10/30.0有45,-45

2Fram1框架10/30.0无30,60,-30,-60

3Exam7框架7/25.2无30,60,-30,-60

4Exam55框剪15/63.83有45,-45

5E213框剪18/57.85无30,60,-30,-60

6Zjsc框剪36/115.9有45,-45

无斜交抗侧力结构

无斜交抗侧力结构

有斜交抗侧力结构

无斜交抗侧力结构

有斜交抗侧力结构

多方向地震输入配筋增加量

工程名E1FRAM1（正交）EXAM7（正交）EXAM55E213（正交）ZJSC

柱1.89（1.03）1.0（1.0）1.30（1.004）1.74（1.05）1.24（1.002）1.19（1.01）

梁正筋1.69（1.06）1.0（1.0）1.21（1.001）1.84（1.004）1.09（1.001）1.64（1.008）

梁负筋1.62（1.12）1.0（1.0）1.16（1.01）1.84（1.02）1.07（1.001）1.61（1.001）

由本组例题可以看到：

1）对于正交、规则结构，是否考虑多方向地震对构件配筋结果影响很小，配筋平均增加不到1%；

2）对于存在明显斜交抗侧力构件的结构，考虑多方向地震对构件配筋结果影响较明显，配筋平均增加5%左右，最大增加90%；

3）这也从一个侧面证明了：

对于存在明显斜交抗侧力构件的结构，应该考虑多方向地震作用。

8.最小地震剪力调整

新抗震规范5.2.5条规定，抗震验算时，结构任一楼层的水平地震的剪重比不应小于表5.2.5给出的最小地震剪力系数λ。

类别7度7.5度8度8.5度9度

扭转效应明显或基本周期小于3.5s结构0.0160.0240.0320.0480.064

基本周期大于5.0s结构0.0120.0180.0240.0320.040

基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构，可插入取值。

调整前楼层剪重比调整后楼层剪重比

哪层的地震剪力不够，就放大哪层的设计地震内力

自动放大与否设开关；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：

文件WZQ.OUT:

各楼层地震剪力系数调整情况[抗震规范（5.2.5）验算]

层号X向调整系数Y向调整系数

11.3121.207

21.1971.122

31.0701.000

41.0001.000

51.0001.000

61.0001.000

71.0001.000

81.0001.000

9.竖向不规则结构地震作用效应调整

规范条文：

新抗震规范3.4.3条规定，竖向不规则的建筑结构，其薄弱层

的地震剪力应乘以1.15的增大系数；

新高规5.1.14条规定，楼层侧向刚度小于上层的70%或其上三层平均值的80%时，该楼层地震剪力应乘1.15增大系数；

新抗震规范3.4.3条规定，竖向不规则的建筑结构，竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25-1.5的增大系数。

程序处理：

1）针对这些条文，程序通过自动计算楼层刚度比，来决定是否采用1.15的楼层剪力增大系数；并且允许用户强制指定薄弱层位置，对用户指定的薄弱层也采用1.15的楼层剪力增大系数；（参数补充输入）

2）通过用户指定转换梁、框支柱来实现转换构件的地震内力放大。

（特殊构件补充定义）

WMASS.OUT:

楼层刚度比控制,薄弱层放大

FloorNo.1TowerNo.1

Xstif=45.9337（m）Ystif=6.6222（m）Alf=0.0000（Degree）

Xmass=46.8139（m）Ymass=7.1724（m）Gmass=1251.4342（t）

Eex=0.0476Eey=0.0316

Ratx=1.0000Raty=1.0000

Ratx1=0.9285Raty1=0.8851薄弱层地震剪力放大系数=1.15

RJX=8.4E6（kN/m）RJY=9.4E6（kN/m）RJZ=2.8E9（kN/m）

10.0.2Q0调整

规范条文：

新抗震规范6.2.13条规定，侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框—剪结构，任一层框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框—剪结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。

程序实现：

程序对框剪结构，将依据规范要求进行0.2Q0调整，用户可以指定调整楼层的范围，同时，由于0.2Q0调整可能导致过大的不合理的调整系数，所以TAT、SATWE程序都允许用户对数据文件中的调整系数进行手工修改。

调整系数的约定：

程序自动计算出的调整系数最大取2.0；用户手工修改的调整系数无限制。

SATWE程序0.2Q0调整系数的修改

用户在工作目录建立文本文件SATINPUT.02Q

该文件格式如下：

比如：

指定第2层x向调整系数

SATWE在文件WV02Q.OUT中输出0.2Q0系数

11.框支柱地震作用下的内力调整

规范条文：

新高规10.2.7条规定，框支柱数目不多于10根时:

当框支层为1—2层时各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，各层每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%。

；框支柱数目多于10根时，当框支层为1—2层时每层框支柱所承受剪力之和应取基底剪力20%，当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱所承受剪力之和应取基底剪力30%；框支柱剪力调整后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁的剪力、弯矩，框支柱的轴力可不调整。

程序实现：

TAT、SATWE在执行本条时，只对框支柱的弯矩剪力作调整，由于调整系数往往很大，为