KPM讲义赵兵中国建筑科学研究院

PKPM系列软件在结构设计中 的应用与探讨 赵 兵 中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所 第一章 PKPM软件建模常见问题 第一节 利用变形图判断模型的正确性 一、 如何看变形图 1、地震和风荷载等引起的水平向变形图应 X、 Y两 个方向都看； 2、如果采用模拟施工计算，则竖向荷载变形图只看 活载的，若采用一次性加载计算，则恒、活载产 生的变形图看哪一个都可以； 3、变形图不仅要看整体变形是否合理，还要每一层 都看，尤其是复杂工程，因为有些局部变形错误 整体看有时很难看清楚。 4、务必认真检查主力构件的单工况内力是否合理。 变形图错误一 图 1 上图中，柱 1竖向变形明显高于其它框架柱， 说明此柱有悬空的可能，经查，在 PMCAD 建模中将柱 1下层的框架柱丢失了。 图 2 变形图错误二 某框支剪力墙结构，框支梁 1上托不在同一条直线上 的两道剪力墙，该框支梁 1在恒载作用下的变形图 下图所示 图 3 图 4 上图红色线框显示，框支梁 1上剪力墙出现一个端 点悬空，此梁在 PMCAD中的建模情况如下图所示 图 5 图 6 经过修改后的模型，其恒载作用下的变形图如下 图所示： 图 7 变形图错误三 图 8 顶层此柱悬空 变形图错误四 某些构件内力计算结果异常，往往是由于建模错 误引起的，因此当发现内力计算结果奇异时宜首 先通过变形图判断其建模的正确性。 比如某工程，梁在端部没有负弯矩（如图所示）： 图 9 梁设计弯矩包络图 图 10 恒载作用下梁的竖向变形图 图 11 PMCAD建模中缺少刚性梁 变形图错误五 合理的模型简化在工程设计中占有重要的地位， 有些设计人员在建模时刻意追求符合工程实际， 而忽略了程序在应用中所存在的局限性，从而造 成了计算结果的错误。 例如某体育馆工程，局部建模三维轴侧图如下： 图 12 梁 1、梁 2、梁 3节点连接三维轴侧图 图 13 第二标准层梁 2三维轴侧图 图 14 第一标准层梁 1、梁 3三维轴侧图 图 15 SATWE软件中梁 1、梁 2、梁 3的三维轴侧图 二、利用振动图判断模型的正确性 通过振动图查看模型的正确性，是非常重要 的，尤其是高位振型。当结构存在大量局部振动 时，有些局部振动很有可能是由于建模错误产生 的，因此要求每一阶振型都看。 工程实例一 某工程，振型数为 30，第 30振型作用下的第 12层 的振动图如下： 图 16 上图显示圆弧梁变形异常，经查，在 PMCAD中由于楼板丢失导致，如下图所示： 图 17 以梁 1为例，丢失板后的配筋计算结果如下： 补上楼板后，正确的计算结果如下： 第二节 楼层底标高的正确输入 对于 08版软件，一定要充分重视楼层底标高 在结构设计中的作用，因为一旦层底标高不对， 后面的计算结果也不可能正确。现对此参数产生 的常见问题分别介绍如下： 一、楼层底标高对上部结构计算的影响 1、楼层底标高错误引起结构构件关系混乱 工程实例一 某剪力墙结构，共 23层，结构平面布局基本对称， 结构三维轴侧图，第 7和第 8标准层平面图如图 1、 图 2和图 3所示： 图 1 结构三维轴侧图 图 2 第 7标准层结构平面图 图 3 第 8标准层结构平面图 在采用 SATWE软件计算后，其位移比计算结果如 下： 图 4 空间变形图原始构形 图 5 “楼层组装”对话框 图 6 修改后的楼层底标高对话框 楼层底标高修改正确后的计算结果如下： 以上计算结果显示，楼层底标高正确后，计算结 果也趋于正常。因此建议设计人员，对于每层的 楼层底标高，尽量人工复核一遍后再接后续软件 进行设计。 二、楼层底标高对基础设计的影响 08版 JCCAD软件取消了 05版的“一层上部结 构荷载作用点标高”选项，代之以 PMCAD软件中 的“首层层底标高”，因此使用 08版软件的设计 人员必须正确输入“首层层底标高”参数，否则 JCCAD软件无法正确读取上部结构荷载作用点位 置，尤其是剪力值，从而产生错误的计算结果。 工程实例三 已某框架结构为例，分别将首层输入为 0和 -2.5m， 采用独立柱基，基础底标高为 -4m，首层结构平 面图如图 7所示： 图 7 首层结构平面图 图 7所示柱 1的计算结果如下： 柱 1首层层底标高为 0时的计算结果 Load Mx(kN-m) My(kN-m) N(kN) 548 75.15 36.60 3532.56 柱 1首层层底标高为 -2.5m时的计算结果 Load Mx(kN-m) My(kN-m) N(kN) 548 48.99 20.79 3533.87 通过比较可知，不同的首层层底标高计算出来 的内力值并不一样，其原因在于在基础设计中， 剪力值要乘以基础高度后转化为弯矩，以柱 1为例， 当首层层底标高为 0时，由剪力值 V引起的基底弯 矩 M=4 V；当首层层底标高为 -2.5m时，由剪力 值 V引起的基底弯矩 M=（ 4-2.5） V=1.5 V， 所以首层层底标高为 0时的弯矩值大于首层层底标 高为 -2.5m时的弯矩值。 第二章 如何采用 08版软件的广义层 建立错层结构模型 过去 05版软件建立错层结构模型时，在错层处必 须将结构切开，按照镜面投影法建模，这种建模方法 的缺点是结构的标准层会增加很多，同时竖向构件也 会被切成数段，各种与层有关的指标如层间位移角等 都需要设计人员补充计算。为了解决这个问题， 08 版 PKPM系列软件引用了广义层概念，虽然可以较好 地解决上述建模问题，但也存在着如何与后续计算软 件相结合，合理搭建模型的问题。以下本文拟结合具 体的工程实例，对此问题做一些探讨。 一、广义层的概念 所谓广义层，就是通过在构件输入和楼层组装时 为每一个构件或楼层增加一个“柱（墙）底标高” 或“层底标高”参数来完成的，这个标高是一个 绝对值，对于一个工程来说所有的构件或楼层的 底标高只能有一个惟一的参照（比如 0）。有了 这个底标高后，此工程中每个构件或楼层在空间 上的位置已经完全确定，程序将不再需要依赖楼 层组装的顺序去判断构件或楼层的高低，而改为 通过楼层的绝对位置进行模型的整体组装。 二、广义层应用时产生的主要问题 1、层信息混乱 2、层刚度比、楼层受剪承载力、倾覆力矩的计算异 常 3、风荷载计算结果偏小 第三章 刚性梁的处理 一、刚性梁截面的大小 1、 SATWE旧 1000 2000mm 2、 SATWE 2000 2000mm 3、 PMSAP 自动取为刚域 4、相关问题 对于 PM-SATWE软件，当梁柱截面面积比较大时， 其刚性梁的刚度会明显不足，其后果是某些情况 下转换梁梁端没有负弯矩。如图 2、 3所示 二、刚性梁的识别 1、原则上讲，对于梁内和柱内的梁， PM-SATWE 和 SPAS-SATWE均能自动识别为刚性梁，但建议 设计人员在 PMCAD中人为布置刚性梁。 需要布置刚性梁的地方如图所示 图 4 单梁托双墙 图 5 局部错开的梁 图 6 柱内托转角墙的梁 2、 PMSAP由于对偏心转换构件可以自动增加刚域， 因此刚性梁布不布都可以。如图所示 图 7 图 8 三、单梁托双墙的建模 1、转换梁的布置 图 9 图 10 2、对于框支梁上局部布置剪力墙的结构， SATWE 程序将剪力墙的荷载传递到剪力墙两端的节点上， 中间没有均布荷载，因此当剪力墙比较长时，建 议设计人员相应增加刚性梁。 3、框支柱尽量与转换梁布置在同一条轴线上，这样 可以避免由于刚性梁悬挑而引起的计算误差。 第四章 斜墙模型的建立与计算 一、模型的建立 对于上图所示的斜剪力墙，其建模过程如下： 1、剪力墙周边构件布置成框架梁或虚梁，墙体按照 楼板布置，并通过降节点高形成斜板 2、斜板厚度与斜剪力墙相同，即用斜板模拟斜剪力 墙 图 2 二、结构计算 1、软件选择 PMSAP软件 PMSAP软件对斜剪力墙的处理 （ 1）在 PMSAP软件中，如果不定义弹性楼板，程 序自动将斜板定义为弹性膜，对于此工程，由于 此斜板兼作斜剪力墙的功能，因此需要定义为弹 性板 6。 （ 2） PMSAP对斜剪力墙进行有限元划分，正确计 算其刚度对结构的影响。 图 3 （ 3）对于斜梁和斜板，程序自动按照纯弯、压弯和 拉弯进行截面设计，并按照最不利情况作为最终 配筋面积 图 4 第五章 结构位移比的调整 第一节 结构位移比的调整方法 一、前言 由于结构位移比的大小是控制结构扭转效应 的重要指标，因此无论是 建筑抗震设计规范 （ GB50011-2001） 【 1】 （以下简称 抗震规 范 ），还是 高层建筑混凝土结构技术规程 （ JGJ3-2002） 【 2】 （以下简称 高规 ），对 位移比的控制都有明确的规定。 二、工程实例 某高层框筒结构，地下 5层，地上 37层，其中 地上 18层存在较大面积的裙房。出地面建筑总 高度为 162m，结构抗震基本设防烈度为 7度，设 计基本地震加速度为 0.10g，场地土类别为二类， 设计时考虑偶然偏心和双向地震作用。结构的三 维轴侧图、首层平面图和第 9层平面图分别如图 1 所示。其中首层柱 1、柱 2、柱 3的截面尺寸为 700 700mm，轴线 1的其它柱子的截面尺寸为 1000 1000mm，柱 4、柱 5、柱 6的截面尺寸为 1500 1500mm，梁 1、梁 2的截面尺寸为 500 750mm。 图 1-1 结构三维轴侧图 图 1-2 首层结构平面图 图 1-3 第 9层结构平面图 三、计算结果分析 在进行方案调整前，首先要做好分析工作，切 忌“跟着感觉走”。因为盲目调整经常是不仅得 不到合理的计算结果，反而越调越乱，离规范的 限值越来越远，浪费了大量的时间和精力。笔者 以为，仅仅是为了一层的位移比不满足要求而花 费大量的时间，实在是不值得。因此，科学、合 理的分析过程是提高工作效率的首要条件。针对 本工程，具体的分析过程如下： 1、明确力的作用方向，判断计算结果的合理性 2、结合规范，量化最大和最小位移比的控制范围， 做到心中有数 3、明确调整方向，确定调整方案 三、方案调整 1“抓大放小” 四、方案调整 2 局部加剪力墙 五、方案调整 3 增加框架部分侧向刚 度 第二节 “抓大放小法”在位移比调整中的应用 一、工程实例 某工程为框剪结构，共 27层，含 1层地下室， 3层裙房，结构总高度为 97m，地震设防烈度为 8 度，设计基本加速度为 0.2g，场地土类别为三类， 设计时考虑偶然偏心和双向地震的影响。结构三 维轴侧图、首层结构平面图分别如图 1、图 2所示。 图 1 结构三维轴侧图 图 2 首层结构平面图 二、计算结果分析 在进行位移比计算时， 采用刚性板假定， 部分位移比和层间位 移角计算结果如下： 图 3 X向地震作用下 15层变形图 图 4a 首层 MP轴结构平面布置图 图 4b 首层 AC轴结构平面布置图 第六章 层间位移角的调整 第一节 扭转效应对结构层间位移角的影响 在结构工程设计中，层间位移角的控制是一项 非常重要的指标，当层间位移角不满足要求时，设 计人员采用的方法通常是加大构件截面尺寸以提高 结构整体刚度。但在具体的操作中会发现，增加结 构刚度后，层间位移角变化并不明显，有时甚至会 减小。是什么原因产生这种现象？是软件算错了吗？ 我们应该如何正确地调整结构的层间位移角？则是 广大设计人员非常关心的问题。为此，笔者拟结合 具体的工程实例，与大家共同探讨一下产生这种现 象的原因以及调整方法。 一、工程实例 某工程为框架剪力墙结构，地下室 2层，地上 14层，结构总高度为 42.95m，抗震设防烈度为 8 度，地震基本加速度为 0.2g，场地土类别为三类， 结构三维轴侧图、标准层平面图如图 1、图 2所示： 图 1 结构三维轴侧图 图 2 结构标准层平面图 二、计算结果分析 本工程在初步设计时，墙 1和墙 3的墙厚取 400mm， 墙 2和墙 4的墙厚取 300mm，以 Y向为例，在地震 力作用下其层间位移角的计算结果如下： 表 1 原方案前三个振型在 X,Y 方向的平动系数、扭转系数 表 1可知，本工程第二振型平动系数为 0.83，其中 Y向为 0.78，说明该振型为以 Y向为主的混合振型，其第二振型 所对应的振型图如图 3所示： 图 3 结构第二振型所对应的振型图 表 2 方案调整后结构前三个振型在 X,Y 方向的平动系数、扭转系数 其 Y向最大层间位移角计算结果如下： 三、小结 综上所述，在最大层间位移角参数的方案调整中，如果单纯考虑水平力产生的变形而忽略扭转效应 的影响，则不仅收效甚微，而且甚至还有可能适 得其反。只有综合考虑二者之间的相互影响，才 能取得比较好的计算结果。 第二节 某框架结构层间位移角的调整 一、前言 框架结构由于其结构形式偏柔，因此最大层间位 移角往往不太容易满足规范要求，尤其在高烈度 地区。当不满足要求时如何对其调整则是广大设 计人员比较关心的问题。在此，笔者拟结合具体 工程实例和 SATWE软件，与大家共同探讨一下层 间位移角的调整过程。 二、工程实例 某四层框架结构，结构总高度为 16.5m。地震设 防烈度为 8度，基本加速度为 0.2g，场地土类别为 三类。结构三维轴侧图和第 4层结构平面图如图 1、 图 2所示。 图 1 结构三维轴侧图 图 2 第 4层结构平面图 本工程各层虽然布局并不相同，但基本对称， 采用 SATWE软件进行计算，其 X、 Y向最大层间 位移角计算结果如下： 计算结果显示， X、 Y向最大层间位移角均不满足 要求。 三、计算结果分析 本工程计算结果分析步骤如下： 1、合理选取计算参数 2、查看变形图，确定调整方案 SATWE软件显示的 Y向地震作用下的变形图如图 3所示： 图 3 Y向地震作用下的变形图 计算结果显示，虽然 Y向最大层间位移角有所 减少，但相应的 Y向最大层间位移比却由 1.04增大 至 1.22，此时结构 Y向地震作用下的变形图如图 4 所示： 图 4 两侧对称增加柱截面后的 Y向地震作用下的变形图 （ 1）将第 11轴所对应的框架柱仍采用原来的截面 尺寸 300 500mm，其它轴线框架柱调整方案不 变，其计算结果如下： （ 2）框架柱仍采用对称增加柱截面尺寸的方式不变， 将结构两侧的 1轴、 2轴、 3轴和 12轴、 13轴的框 架梁截面尺寸由 300 600mm增加至 300 700mm， 11轴的框架梁仍维持 300 600mm不变，其计算结果如下： 由此可见，增加梁的刚度后， Y向最大层间位移 角进一步减小到 1/618，最大层间位移比为 1.15min(V0， 1.5Vmax) 合理 V框 过高 V框 VT0， 1.5VTmax V框 min(VT0， 1.5VTmax) 08版自动实现 (续 ) 调整系数默认上限为 2，取消限制，起始层号前加负号 允许用户自定义 5层 1塔 x、 y向调整系 数分别为 3.5， 1.5 自动计算的前提：正确定义多塔或按广义层建模 默认不做任何调整， 【 调整信息 】 项中指定 (续 ) 普通层模型 广义层模型 自行指定每段层号 0.25Q0针对钢框架 -支撑结构 其它相同 三、为什么柱按双偏压计算后，进行双偏压验 算却显示不过？ 1、工程实例 某框架结构，采用双偏压计算时，框架柱 1计算结果如图 1所 示： 图 1 某框架柱双偏压配筋计算结果 计算结果文本文件显示如下： 图形和文本文件均显示，此柱采用双偏压计 算时满足要求。现对此柱采用双偏压验算，其验 算结果如图 2所示： 图 2某框架柱双偏压配筋验算结果 图 2实配钢筋以粉红色显示，表明此框架柱没有 通过双偏压验算。 2、计算结果分析 此框架柱计算配筋面积为 Asx= 1277mm2， Asy =1585mm2，角筋面积为 Asc= 425.7mm2，在双 偏压验算中程序选取的钢筋为：角筋 1c25（“ c” 表示 级钢）， Asc1= 490.9 mm2Asc， x向配筋 2c25+1c20=490.9 2+314.2=1296mm2Asx， y 向配筋 2c25+3c16=490.9 2+201.1 3=1585.1 mm2Asy，均满足要求，那为什么程序会显示红 色呢？其原因在于 x侧和 Y侧角筋是共用的，角筋 和单侧配筋满足要求，并不等于全截面配筋满足 要求。 四、 SATWE程序对于“剪力墙竖向分布筋的配 筋率”缺省为 0.3%，而规范为 0.25%，是不 是在任何情况下提高竖向分布筋的配筋率 都能提高墙体的抗弯承载力？ 根据 剪力墙抗弯承载力的计算公式： M分布 +M端部 M设计 一个方程两个未知数，只有指定其中的一个 未知数，才能计算出另一个未知数。在设计中一 般都是通过指定剪力墙分布筋的最小配筋率，反 算出剪力墙分布筋所在区域的抗弯设计承载力， 从而再计算出剪力墙端部的配筋面积。 五、 08版 SATWE软件中“土层水平抗力 系数的比例系数（ M值）”如何填写？ 为了更真实地反映回填土对地下室的约束作用， 08版 SATWE程序将原来 05版程序的“回填土对 地下室的相对刚度比”改成了“土层水平抗力系 数的比例系数（ M值）”具体输入数值请查阅 建筑桩基技术规范 （ JGJ94-2008）表 5.7.5。 图 1 “土层水平抗力系数的比例系数（ M值）” 表 5.7.5 地基土水平抗力系数的比例系数 m值 序号 地 基 土 类 别 预制桩、 钢桩 灌 注 桩 m （ MN/m 4 ） 相应单桩在地 面处水平位移 （ mm ） m （ MN/m 4 ） 相应单桩在地 面处水平位移 （ mm ） 1 淤泥、淤泥质 土、 饱和 湿陷性黄土 2 4. 5 10 2.5 6 6 12 2 流 塑（ I L 1 ） 、软塑 （ 0. 75 I L 1 ） 状黏性土； e 0.9 粉土；松散细粉砂； 松散、稍密填土 4.5 6.0 10 6 14 4 8 3 可塑 （ 0. 2 5 I L 0.75 ） 状黏性土 、 湿陷性黄土 ； e = 0.75 0.9 粉土； 中密填 土；稍密细砂 6.0 10 10 14 3 5 3 6 4 硬 塑 （ 0 I L 0.2 5 ） 、坚 硬 0 I L ） 状黏性土 、 湿 陷性黄土 ； e 0.7 5 粉土； 中密 的中粗砂 ； 密实老 填土 10 2 2 10 35 1 00 2 5 5 中密、 密实的砾砂、碎 石类土 100 300 1.5 3 注： 1 当桩顶水平位移大于表列数值或灌注桩配 筋率较高（ 0.65%）时， m值应适当降低；当预 制桩的水平向位移小于 10mm时， m值可适当提高； 2 当水平荷载为长期或经常出现的荷载时，应将 表列数值乘以 0.4降低采用； 3 当地基为液化土层时，应将表列数值乘以本规 范表 5.3.12中相应的系数 l。 需要指出的是， 设计人员在查表 5.7.5时请查灌 注桩的 m值。 第九章 08版特殊荷载在输入中应注意的问题 第一节 吊车荷载的输入 一、吊车荷载在输入中应注意的问题 1、在要布置的吊车荷载处添加一新的标准层，并布 置梁，否则程序在计算吊车荷载组合时会出错 （见工程实例）。 2、 SATWE程序在计算带吊车的砼柱的计算长度系数 时，是按照框架柱进行计算的。没有执行 混 凝土规范 第 7.3.11-1条规定的排架柱的计算 长度系数，需要设计人员根据工程实际情况人 为调整。但 TAT软件则可以自动按排架柱计算柱 的计算长度系数。 二、 05和 08版软件对吊车荷载输入的区别 1、 05版软件输入吊车荷载的特点 2、 0版软件输入吊车荷载的特点 三、抽柱排架结构的计算 四、基础设计接力吊车荷载 第二节 风荷载在设计中应注意的问题 一、迎风面的计算 目前的 PKPM系列软件在计算风荷载的迎风面时， 采用的是简化算法，即按照建筑物最外边的轮廓 线所围成的面积在 X、 Y方向的投影作为迎风面的 面积，背风面的面积取值与迎风面的面积相同。 二、体型系数的计算 图 1 风荷载作用简图 图 2 某工程结构平面图 148 三、特殊风荷载 特殊风荷载在输入中应注意的问题。 第三节 08版人防地下室结构的设计 一、人防荷载在输入时应注意的问题 1、在采用 SATWE软件进行人防工程设计前，对于 需要计算人防设计的房间楼板， 其上必须布置有 活荷载的均布面荷载值，不能为 0。 2、人防荷载组合与效应 3、人防荷载的输入位置 二、材料强度的调整 材料强度综合调整系数 材料动力系数的调整 （用于 JCCAD软件中“公式 法”计算人防等效动荷载） 混凝土强度的修正 ： 钢筋砼构件纵向钢筋的最小配筋率 ： 三、局部人防地下室的计算 程序在进行构件设计时，当该构件为人防荷载组 合控制，则自动按 人防规范 的相关规定进行 设计；为非人防荷载控制，则自动按照相应荷载 组合进行构件的设计，材料强度综合调整系数也 同时不考虑了。 四、人防地下室外墙和临空墙 SATWE软件是如 何计算的？ SATWE给出的配筋数值是否为最外 侧最大配筋？其内侧钢筋是否为构造配置？ 1、目前 SATWE程序只能考虑 人防规范 表 4.8.8 中“顶板荷载考虑上部建筑影响的室内出入口”这 一种临空墙荷载，而表中其它情况下的临空墙荷载 暂没考虑。 2、 目前的 SATWE软件无法对这三种人防构件进行设 计，但设计人员可以在 JCCAD软件中的“工具箱” 里进行构件设计。 3、地下室外墙的平面外验算、配筋，其计算过程如 下： （ 1）、程序首先按单向板计算墙板上中下的弯矩， 计算时分两种情况 : （ a）单向板上下端均嵌固在地下室顶、底板处； （ b）上端简支于地下室顶板，下端嵌固于地下室底 板 ; （ c）计算结果取上述的平均值进行设计； （ 2）、在配筋计算时分别按两种方式进行计算： （ a）按纯弯板设计 ; （ b）按压弯构件设计； （ c）配筋计算时两者取大； （ 3）、按人防要求，验算延性比。 由此可见，地下室外墙既承受土侧压力，又 承受上部结构传来的荷载。通过以上分析可知： M固（两端固定） M固（一固一铰） M中（一固一铰） M中 所以配筋面积应该配在地下室外墙的外侧。 SATWE软件输出的配筋面积是按照单向板计算的 每延米的配筋面积。 五、如何采用 PMSAP软件按照整体有限元的方 法计算人防地下室顶板和外墙的内力和配筋？ 上述方法是人防地下室结构外墙的一种简化算法， 由于采用的是单向板，因此无法考虑剪力墙平面 外翼墙或者扶壁柱等对其的有利作用。 如若想整体考虑各种构件对地下室顶部和外墙的 影响，设计人员可以采用 PMSAP软件进行设计。 首先在此 处定义人 防参数及 水土压力 信息 如何应用 PMSAP进行人防外墙和顶板的整体有限元分析 如需设计人防顶板，则要在 PMSAP的补充 建模菜单中交互定义人防板为弹性板 6 如何应用 PMSAP进行人防外墙和顶板的整体有限元分析 做墙的面 外计算时 （包括人 防、水土 压力）， 应选细分 模型；墙 侧节点按 照出口处 理；细分 尺寸不宜 太大，建 议取为 1M 如何应用 PMSAP进行人防外墙和顶板的整体有限元分析 用 PMSAP进行人防外墙和顶板的整体 有限元分析和配筋设计总结： 1. 按照实际情况定义人防顶板为弹性板 6 2. 定义人防等级、层数、荷载等信息以及水土压力信 息 3. 定义墙模型为细分模型，并选墙侧节点做出口，同 时指定楼板与墙的细分尺寸（建议取为 1M） 4. 做完了前面三步， PMSAP即可对人防顶板和地下室 外墙进行全自动的网格剖分，做准确的有限元分析。 5. 依据人防规范对人防层的梁、板、柱、墙给出配筋 设计 PMSAP整 体有限元 法给出的 人防墙在 侧向人防 荷载作用 下的变形 图 PMSAP整体有限元法给出的人防墙 在侧向人防荷载作用下的变形图：局部 在这个菜 单查看人 防墙的面 外配筋 人防外墙的配筋简图 人防外墙的配筋简图：局部 H4.1:Sw范围内的水平钢 筋双侧总面积 4.1cm2 V12: Sw范围内的竖向钢 筋双侧总面积 12.0cm2 在文本文件 ADD_WREI.OUT中查看人防墙详细的设计信息 ： 面外竖向筋设计 (墙的顶底截面设计 ) B,H= 6000. 300. NC,NGH=45 1 IEW= 3 DS= 32.5 WGUJM= 200. AS= 406. M,N= 34.3 1889.1 ICOM= 1 IERR=0 IGZ=1 面外水平筋设计 (墙的左右截面设计 ) B,H= 1200. 300. NC,NGH=45 1 IEW= 3 DS= 32.5 WGUJM= 200. AS= 404. M,N= 2.2 61.5 ICOM= 1 IERR=0 IGZ=1 在这个菜 单查看人 防顶板的 配筋结果 PMSAP给出人防顶板有限元网格自动剖分图 PMSAP给出的人防顶板有限元网格自动剖分图：局部 PMSAP给出的人防顶板挠度等值线图 PMSAP给出的人防顶板弯矩 Mx等值线图 PMSAP给出的人防顶板弯矩 My等值线图 PMSAP给出的人防顶板“板顶”配筋 PMSAP给出的人防顶板“板底”配筋 顶板配筋图局部（形心，边界， cm2/m） 配筋面积（ cm2 /m） 配筋走向 (度 ) 可以在文本文件 POLY_REI.* 中查看各层 人防板和一 般楼板的 详细设计内力 和配筋情况 在这个菜 单查看人 防梁、柱 的配筋和 人防墙的 面内配筋 人防梁、柱配筋及墙的面内配筋在配筋简图中查看 第一节 梁柱节点核芯区超限的调整 一、前言 梁柱节点核芯区的计算，是抗震设计的一项 重要内容，当采用 SATWE软件进行此项的验算时， 经常会出现计算结果不满足要求，如何进行调整 则是很多设计人员非常关心的问题。在此，本节 拟结合规范和具体的工程实例，详细阐述 SATWE 软件是如何进行节点核心区验算的以及调整过程。 第十章 关于钢筋混凝土构件的计算 二、规范要求 D.1.2 核芯区截面有效验算宽度，应按下列规定 采用： 1 核芯区截面有效验算宽度，当验算方向的 梁截面宽度不小于该侧柱截面宽度的 1/2时，可采 用该侧柱截面宽度，当小于柱截面宽度的 1/2时， 可采用下列二者的较小值： bj = bb + 0.5 hc (D.1.2-1) bj = bc (D.1.2-2) 式中 bj节点核芯区的截面有效验算宽度； bb 梁截面宽度； hc验算方向的柱截面高度； bc验算方向的柱截面宽度。 2 当梁柱的中线不重合且偏心距不大于柱宽的 1/4时， 核芯区的截面有效验算宽度可采用上款和下式计 算结果的较小值。 bj = 0.5 ( bb + bc ) + 0.25 hc - e (D.1.2-3) 式中 e梁与柱中线偏心距。 此项规定目前程序并没有执行 D.1.3 节点核芯区组合的剪力设计值，应符合下列 要求： Vj ( 0.30 j fc bj hj ) / RE (D.1.3) 式中 j正交梁的约束影响系数，楼板为现 浇，梁柱中线重合，四侧各梁截面宽度不小于该 侧柱截面宽度的 1/2，且正交方向梁高度不小于框 架梁高度的 3/4时，可采用 1.5， 9度时宜采用 1.25， 其他情况均采用 1.0； hj节点核芯区的截面高度，可采用验 算方向的柱截面高度； RE 承载力抗震调整系数，可采用 0.85。 三、工程实例 某 7层框架结构，抗震设防烈度为 8度，设计 基本加速度为 0.2g，场地土类别为二类，设计时 同时考虑偶然偏心和双向地震作用，结构三维轴 侧图和第二层结构平面图如图 1和图 2所示。初步 设计时，柱截面尺寸为 400 500mm，梁 1梁 4 均与柱 1中线重合，其中梁 1和梁 2截面尺寸为 250 500mm，梁 3和梁 4截面尺寸为 300 650mm。 图 1 结构三维轴侧图 图 2 第二层结构平面图 本工程采用 SATWE软件计算，柱 1的节点核芯区 计算结果如下： * 节点域抗剪超限 N-C= 6 ( 30)Vjy= 2269. FFC=0.53*fc*H*B= 1514. Vjy/ FFC=1.50 其中，括号内数字表示地震荷载组合工况号。 计算结果显示，柱 1节点核芯区 Y向抗剪超限，此 时若以 M1表示梁 1上端的端弯矩， M2表示梁 2下端 的端弯矩，则 M1=-421Kn.m、 M2=-471Kn.m。 四、计算结果分析与调整 现对柱 1的计算结果及调整方法分析如下： 1、降低“中梁刚度放大系数” * 节点域抗剪超限 N-C= 6 ( 30)Vjy= 2011. FFC=0.53*fc*H*B= 1514. Vjy/ FFC=1.33 M1=-402Kn、 M2=-438Kn。 由此可见，通过降低梁刚度放大系数从而降低梁端弯 矩，可以起到一定的作用。 2、修改柱高或柱宽 以本工程为例，将原柱截面尺寸由 400 500mm 分别改为 400 600mm和 500 500mm，其计算 结果如下 : （ 1）将柱截面尺寸由 400 500mm调整为 400 600mm * 节点域抗剪超限 N-C= 6 ( 30)Vjy= 2192. FFC=0.35*fc*H*B= 1211. Vjy/ FFC=1.81 （ 2）将柱截面尺寸由 400 500mm调整为 500 500mm * 节点域抗剪超限 N-C= 6 ( 30)Vjy= 2080. FFC=0.53*fc*H*B= 1893. Vjy/ FFC=1.10 上述分析可知，本工程增加柱宽对提高节点域的 抗剪能力最有效，为此将柱宽进一步增加至 600mm，柱高不变，其计算结果如下： Vjy= 2151 Fv=0.18*fc*B*Ho= 6051 墙 2： * ( 31)V= 7315. Fv=0.18*fc*B*Ho= 6051 其中，括号内数字为组合工况号，其相应的荷载 组合分项系数见表 1 表 1 荷载组合分项系数 注： 1、 Ncm - 组合号 2、 V-D,V-L - 分别为恒载、活载分项系数 3、 X-W,Y-W - 分别为 X向、 Y向水平风荷载 分项系数 4、 X-E,Y-E - 分别为 X向、 Y向水平地震荷载 分项系数 5、 Z-E - 为竖向地震荷载分项系数 以上计算结果可以看出，墙 1和墙 2的砼抗剪验算 不满足要求，程序在计算结果配筋文本文件中以 “ *”显示。 二、计算结果分析 方法一 修改墙体厚度 表 2 墙 1不同墙厚计算结果 表 3 墙 2不同墙厚计算结果 方法二 开设洞口 短墙 1： * ( 30)V= 1828. Fv=0.18*fc*B*Ho= 764. 短墙 2： * ( 31)V= 1915. Fv=0.18*fc*B*Ho= 764. 这种情况形成的短墙几乎很难调整下来 方法三 增加周边墙体刚度 1、加强周边墙体刚度 2、修改计算参数 3、削弱 2轴梁柱刚度，加强 1轴边梁刚度 三、小结 以上笔者主要讨论了墙体抗剪截面超限的调整方 法，虽然方法三对结构的改动比方法一和方法二 要多，但却不仅解决了剪力墙抗剪截面超限问题， 而且使结构的抗扭转能力得到了加强，仍不失为 一种比较好的调整方案。 第五节 某剪力墙配筋人工计算与 SATWE程序计算相差很大的原因 一、前言 在 PKPM的计算咨询工作中，经常有设计人员 反映 SATWE程序计算结果偏大，某片墙体手工计 算其边缘构件的配筋仅是构造配筋，而采用 SATWE软件计算却配筋面积极大，根本放不下。 为此，笔者拟结合具体工程实例，与广大设计人 员共同交流一下 SATWE软件关于剪力墙配筋的计 算过程。 二、工程实例 某高层建筑，结构总高度为 237.4m，共 48层。第 3层结构平面图如图 1所示，其中剪力墙 1的基本 信息显示如下： 1 .高度 (m) DL = 14.95 2. 截面参数 (m) B*H = 0.200*6.000 3. 混凝土强度等级 RC = 60.0 4. 主筋强度 (N/mm2) FYI = 360.0 5. 分布筋强度 (N/mm2) FYJ = 360.0 6. 抗震等级 NF = 1 图 1 第 3层结构平面图 本工程采用 SATWE软件进行计算，图 1所示剪力 墙 1的配筋计算结果如下： ( 30)M= 2148. V= 66. 剪跨比 RMD= 5.703 * 稳定验算超限 ( 1)q= 3097. Ec*(T*3)/(Lo*2)/10= 368. N=-18581. Nu= -16006. Uc= 0.49 * Rs=211.38 Rsmax= 6.00 ( 1)M= 306. N= -18581. As=253659. ( 1)V= -1. N= -18581. Ash= 75.0 Rsh= 0.25 其中，括号内数字为组合工况号，其相应的荷载 组合分项系数见表 1 表 1 荷载组合分项系数 注： 1、 Ncm - 组合号 2、 V-D,V-L - 分别为恒载、活载分项系数 3、 X-W,Y-W - 分别为 X向、 Y向水平风荷载分项系数 4、 X-E,Y-E - 分别为 X向、 Y向水平地震荷载分项系数 5、 Z-E - 为竖向地震荷载分项系数 三、计算结果分析 式中 Asw-沿截面腹部均匀配置的全部纵向钢筋截面面积； fyw-沿截面腹部均匀配置的纵向钢筋强度设计值，按本规 范表 4.2.3-1采用； Nsw-沿截面腹部均匀配置的纵向钢筋所承担的轴向压力， 当 1时，取 =1计算； Msw-沿截面腹部均匀配置的纵向钢筋的内力对 As重心的力 矩，当 1时，取 =1计算； -均匀配置纵向钢筋区段的高度 hsw与截面有效高度 h0的 比值， =hsw/h0,宜选取 hsw=h0-as. 受拉边或受压较小边钢筋 As中的应力 s以及在计算中是否 考虑受压钢筋和受压较小边翼缘受压部分的作用，应按本规 范第 7.3.4条和第 7.3.5条的有关规定确定。 注：本条适用于截面腹部均匀配置纵向钢筋的数量每侧不 少于 4根的情况。 本墙段采用手工计算，分别取： （ 1）设计内力 M=306Kn.m， N=-18581Kn， （ 2）墙体属性的确定 b=200mm， h=6000mm， l0=14950mm， fc=27.5N/mm2， fy =fy= fyw =360 N/mm2， SATWE程序取钢筋合力作用点 as=maxb、 200、 6000/20=300mm， as = as=300mm，则 h0=h- as=5700mm， hsw=5700-as=5400， = hsw/h0=0.9474， bf=hf=0， b=0.499。 （ 3） 1、 1的确定 根据 混凝土规范 第 7.1.3条的规定：受弯构件、 偏心受力构件正截面受压区混凝土的应力图形可 简化为等效的矩形应力图。 矩形应力图的受压区高度 x可取等于按截面应变 保持平面的假定所确定的中和轴高度乘以系数 1。 当混凝土强度等级不超过 C50时， 1取为 0.8，当 混凝土强度等级为 C80时， 1取为 0.74，其间接 线性内插法确定。 矩形应力图的应力值取为混凝土轴心抗压强度 设计值 fc乘以系数 1。当混凝土强度等级不超过 C50时， 1取为 1.0，当混凝土强度等级为 C80时， 1取为 0.94，其间按线性内插法确定。 取 1=0.98， 1=0.78 （ 4）计算偏心距 e 混凝土规范 计算偏心距 e的公式 7.3.4-3和 7.3.4-4表示如下： e=ei+h/2-a (7.3.4-3) ei=e0+ea (7.3.4-4) 式中 e-轴向压力作用点至纵向普通受拉钢筋和预应 力受拉钢筋的合力点的距离； -偏心受压构件考虑二阶弯矩影响的轴向压力 偏心距增大系数，按本规范第 7.3.10条的规定计 算； ei-初始偏心距； a-纵向普通受拉钢筋和预应力受拉钢筋的合力 点至截面近边缘的距离； e0-轴向压力对截面重心的偏心距： e0=M/N; ea-附加偏心距，按本规范第 7.3.3条确定。 根据 混凝土规范 第 7.3.10条的规定：对矩形、 T形、 I形、环形和圆形截面偏心受压构件，其偏 心距增大系数可按下列公式计算： 式中 l0-构件的计算长度，按本规范第 7.3.11条确定； h-截面高度；其中，对环形截面，取外直径；对圆形截 面，取直径； h0-截面有效高度；其中，对环形截面，取 h0=r2+rs；对 圆形截面，取 h0=r+rs；此处， r、 r2和 rs按本规范第 7.3.7条 和第 7.3.8条的规定取用； 1-偏心受压构件的截面曲率修正系数，当 11.0时，取 1=1.0； A-构件的截面面积；对 T形、 I形截面，均取 A=bh+2(bf- b)hf; 2-构件长细比对截面曲率的影响系数，当 l0/h15时，取 2=1.0。 注：当偏心受压构件的长细比 l0/i17.5时，可取 =1.0。 因此取 =1.0。 e0=M/N=306 106/18581000=16.47mm 根据 混凝土规范 第 7.3.3条的规定： 在偏心 受压构件的正截面承载力计算中，应计入轴向压 力在偏心方向存在的附加偏心距 ea,其值应取 20mm和偏心方向截面最大尺寸的 1/30两者中的 较大值。 ea=max20， h/30=200mm ei= e0+ ea=16.47+200=216.47mm e=ei+h/2-a=216.47+6000/2-300=2916.47mm （ 6）计算 As 将上述各种参数代入 7.3.6-27.3.6-4中，得 As=-16380.49mm20 说明按构造配筋即可满足要求。但程序的计算结 果为 As=253659mm2，明显高于构造配筋。其原 因在于对于剪力墙构件，程序是分别 按照压弯和 轴心受压计算其配筋 ，然后二者取大值作为最终 计算结果。当进行轴心受压承载力计算时，根据 混凝土规范 第 7.3.1条的规定： 钢筋混凝土轴 心受压构件，当配置的箍筋符合本规范第 10.3节 的规定时，其正截面受压承载力应符合下列规定 (图 7.3.1)： N0.9(fcA+fyAs) (7.3.1) 式中 N-轴向压力设计值； -钢筋混凝土构件的稳定系数，按表 7.3.1采用； fc-混凝土轴心抗压强度设计值，按本规范表 4.1.4采用； A-构件截面面积； As-全部纵向钢筋的截面面积。 当纵向钢筋配筋率大于 3%时，公式 (7.3.1)中 的 A应改用 (A-As)代替。 四、结论 通过对以上计算过程的分析可知，设计人员 在人工复核剪力墙配筋值时，只按压弯构件计算， 而忽略了轴心受压构件的计算，这显然是不合理 的。上述计算结果墙端暗柱配筋过大，配筋率远 大于 3%，究其原因，主要是该段墙体太高，达到 了 14.95m，这么高的墙体计算出来的稳定系数 必然很小，只有 0.1009，这是导致配筋计算结果 异常的主要原因。 第六节 08版软件对斜杆的改进 一、建模的改进 1、允许布置层间支撑 2、当支撑端部距柱端距离小于 500mm时 SATWE程 序自动将支撑端点与柱端点合并。 3、支撑跨越框架梁时的处理 4、 PMCAD荷载导算到 JCCAD软件的处理方式 二、内力计算的改进 1、计算长度系数 2、轴压比 3、 0.2Q0调整 三、楼层受剪承载力的改进 1、混凝土（含钢管 /型钢混凝土）斜杆 ： 2、钢斜杆 ： 第十一章 08版斜屋面结构的设计 一、两种形成斜梁方式的应用范围 1、“抬节点高”方式 这种方式不仅能够形成斜梁，而且与斜梁梁 端节点相连的所有构件（比如柱、墙、支撑）都 将被拖动。一般主要应用于斜屋面建模。 2、“修改梁两端标高”方式 这种方式一般仅改变梁两端的高度，而不会改 变与之相连的其它构件的高度。一般主要应用于 错层梁，错层斜梁，层间梁等方式的建模。 08版软件形成的错层梁，错层斜梁，层间梁可 以将与之相连的柱、墙等构件打断。 二、 08版软件斜屋面建模时应注意的问题 1、 05版软件屋面斜梁下必须在梁端布置短柱 （如图 1所示），而 08版软件可以直接将屋面斜 梁与下层构件（梁、柱、墙）相连，而不需要布 置短柱，这一点与 05版软件不同（如图 2所示）。 图 1 08版软件斜屋面建模不需要布置短柱 图 2 05版软件斜屋面建模必须布置短柱 2、为保证斜屋面荷载传递的正确性，需要在斜屋面 的檐口处布置一道 100*100的虚梁。由于虚梁与 主梁的梁端标高相同，因此这两根梁截面重合。 SATWE软件对于截面相重合的两根梁，会自动将 虚梁荷载传递给主框架梁。 需要说明的是， 在布置虚梁时，虚梁与其下面 的主梁必须一一对应，否则将导致荷载导算错误 （详见工程实例一）。 三、 SATWE软件如何模拟屋面斜板的刚度？ （一） 软件对屋面斜板的处理 1、 TAT和 SATWE软件只能计算斜梁，对斜屋面的刚 度不予考虑。 2、 PMSAP软件可以计算屋面斜板的刚度对整体结 构的影响。 结合工程实例，介绍 SATWE软件计算斜屋面结构时如何模拟屋面斜板的刚度？ （二） 斜屋面结构的计算 1、简化模型 1：忽略斜屋面刚度对整体结构的 影响，将屋面斜板的荷载导到斜梁上，用 TAT 或 SATWE软件计算。 2、简化模型 2：将斜屋面刚度用斜撑代替，屋 面斜板的荷载导到斜梁上，用 TAT或 SATWE 软件计算。斜撑的主要目的是为了模拟斜屋面 的传力，其本身的内力计算没有意义，但在计 算屋面荷载时，应适当考虑斜撑自重。 3、真实模型：考虑斜屋面刚度对整体结构的影 响，用 PMSAP软件计算。 在 PMSAP计算时，斜板可采用下列几种计算方式 （在 “补充建模” 中指定）： 1）定义成弹性膜（忽略面外抗弯刚度，但可 以完成楼面荷载导算，此时程序主要考虑斜 板的类剪力墙作用） 2）定义成弹性板 6（同时考虑面内抗剪及面外 抗弯刚度，并可给出斜板本身的配筋设计） 3）如果用户不做任何弹性板指定， PMSAP将自 动把斜板考虑为弹性膜。该处理使得用户不 做任何额外的工作，即可对斜板结构进行合 理的分析和设计 应用 PMSAP考虑斜板的方式 （二）用 PMSAP做斜板的配筋设计 首先要在“补充建模 ”模块中，将需要整体有限 元分析和配筋设计的楼板定义成 弹性板六（不 能定义成弹性板 3或弹性膜） 接着在 PMSAP第三项菜单“ 参数补充及修改 ”中，指 定板分析、设计 的控制参数 自动计算完毕查看板的分析设计结果 第十二章 箱形转换结构的设计 一、 SATWE软件计算箱形转换结构时对转换梁 的两种处理方式 1、 将转换梁按墙输，则除转换梁外其它构件的技算 结果皆可使用。 2、将转换梁按梁输，则其计算结果仅用于此转换梁。 二、如何采用 PMSAP软件进行整体有限 元计算箱形转换结构 转换结构按照大梁输入 (SATWE,PMSAP） 按照杆系输入并计算； 转换大梁与上下层柱、墙之间的连接关系模拟 地较粗略 ,计算误差大； 不能考虑盒子效应（上下表面的楼板看作转换 梁的上下翼缘而形成的工形截面）； 可直接按照转换梁进行内力调节、并给出配筋 设计； 箱形转换结构分析设计方法 转换结构按照剪力墙输入（ PMSAP） PMSAP中把“按照剪力墙输入的水平转换 构件”称作“ 转换墙 ”。 PMSAP对转换墙按照细分壳元作有限元分 析，可以准确模拟上下层之间的连接关系及盒 子效应。 不同于一般剪力墙（积分出顶底截面内 力），转换墙在内力积分时，则直接积分出左 右截面及中间各截面的“梁式内力”，再按照 转换梁的规范要求进行内力调节、最终给出配 筋设计。 箱形转换结构分析设计 箱 形 转 换 按 梁 输 入 箱形 转换 按墙 输入 箱形转换结构分析设计 箱形 转换 按墙 输入 箱 形 转 换 按 梁 输 入 两种输入模型几何形态上无区别，但墙是二维单元， 梁是一维单元，连接和传力都有较大区别 箱形转换结构分析设计 转换结构按墙输入并考虑弹性楼板后形成的“盒子”顶面和底面 转换结构按墙输入时， PMSAP自动生成的转换墙 和墙顶楼板的有限元网格 转换结构按墙输入时，转换墙和墙顶、墙底楼板的有限元网格 箱形转换结构分析设计 箱形转换 按墙输入 时，在这 里查看配 筋结果和 控制内力 点开 这个 文本 文件 查看 转换 墙的 详细 控制 内力 和设 计结 果 转换墙的 梁式弯矩 包络图 转换 墙剪 力包 络图 箱形转换结构分析设计 : 两种模型比较 项目 转换墙 转换梁 误差 第一周期 1.726 1.960 13.56 % 第二周期 1.647 1.706 3.58 % 第三周期 1.591 1.640 3.08 % X风位移角 1/6643 1/6401 3.78 % Y风位移角 1/6664 1/5135 29.78 % X地震位移角 1/1829 1/1792 2.06 % Y地震位移角 1/1752 1/1367 28.16 % X地震力 3.83% 3.74% -2.35% Y地震力 3.59% 3.49% -2.79% 左截面 中截面 右截面 恒载弯矩 墙 -2260 1433 -2314 梁 -4024 2411 -3555 78% 68% 53% 包络弯矩 墙 -4318 2413 -4977 梁 -6121 4613 -6611 42% 91% 33% 恒载剪力 墙 2632 215 -3480 梁 1784 36 -3006 -32% -83% -14% 包络剪力 墙 4802 911 8755 梁 3079 899 6862 -36% -1% -22% 箱形转换结构分析设计 : 两种模型比较