PKPM结构设计软件入门与应用实例门刚文档格式.docx
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编者
2007.01
第一章门式刚架
1.1设计条件（工程实例）
1.2平面建模
1.3计算分析
1.4设计成果判断
1.5施工图绘制
1.6维护结构设计
1.7吊车梁设计
1.8支撑设计
1.9三维建模与刚架二维设计
第二章多高层框架结构
第一节建模
第二节结构体型SATWE计算分析
第三节结构体系分析结果图形和文本显示
第四节结构构件设计
第五节节点设计
第六节施工图绘和制材料统计
第三章桁架
3.1设计条件（工程实例）
3.2平面建模
3.3设计分析
3.4桁架施工图绘制
门式刚架是目前应用较多的一种结构形式，PKPM系列软件的STS模块能很好的完成该结构的分析与设计。
下面就以一个具体实例，简单介绍PKPM软件在实际应用中的操作流程和对计算结果的判断方法。
某厂房位于北京郊区，该厂房长91.5m，宽54.5m，檐口高度8.1m，女儿墙高0.6m。
屋面为双坡屋面，坡度1：
15，室内外高差为0.3米。
厂房为三连跨，单跨跨度18米，每跨有2台吊车，柱距7米。
厂房端部有夹层。
本工程建筑图具体见图1.1-1、图1.1-2、图1.1-3、图1.1-4、图1.1-5和图1.1-6。
本厂房耐火等级二级，生产类别为戊类。
结构类型：
门式刚架
屋面材料：
采用压型钢板轻钢屋面
墙面材料：
±
0.000到1.200m采用页岩砖，1.2m以上采用压型钢板。
主体结构钢材：
采用Q345-B，焊接材料采用E50系列。
维护结构钢材：
采用Q235冷弯薄壁型钢。
结构的重要性：
二类
建筑物设计使用年限：
50年
本地设防烈度：
8度，场地土类别II类
基本风压：
0.45kN/m2
基本雪压：
0.40kN/m2
不上人屋面活荷载：
0.5kN/m2
夹层部分活荷载：
2.0kN/m2
楼梯间活荷载：
3.5kN/m2
本工程的刚架布置图见图1.1-7，支撑布置图见图1.1-8。
图1-2A~K立面图
图1-3K~A立面图
图1-41-1剖面图
图1.1-7刚架布置图
图1.1-8支撑布置图
编者按：
门式刚架的结构分析在设计中多以平面分析为主，相应的软件模型也为平面建模为主。
本书重点介绍的就是门式刚架的平面建模。
由本工程条件可知，门式刚架可分为5榀，现在以其典型的6轴线刚架为例讲述STS的使用。
1.2.1启动门式刚架平面设计
启动PKPM软件STS模块后，进入用户界面，如图1.2-1所示，
图1.2-1门式刚架主界面
在正式进行设计之前，需要为所分析工程建立一个独立的工作目录，存放其模型和分析数据。
这样做的优点是可以避免不同工程的数据发生冲突，发生错误。
和有效利用设计成果，实际设计时，往往需要经过几次反复和调整，才能确定最终方案。
每个方案就相当于一个独立的工程，需要为每个方案分别建立一个工作目录。
这样就可以防止程序在执行调整方案后覆盖了原方案的数据，利于方案之间的比较和提高工作效率。
建立工作目录的具体方法为：
单击
按钮，打开如图1.2-2所示的对话框：
图1.2-2改变工作目录对话框
本工程所建工作目录定名为“6轴”。
接下来，就可以正式进行建模了（下面就以1.1节所述实例具体讲解）
在选定的工作目录“6轴”下，双击“图1.2-1”中的主菜单A后，打开如图1.2-3所示界面。
对于首次设计，需要点选“新建文件”按钮，程序弹出输入工程名的对话框（如图1.2-4所示），本工程命名为GJ-1，输入GJ-1后，单击“确定按钮，进入平面建模的主界面，如图1.2-5。
图1.2-4输入文件名称对话框
1.2.2轴网建立
轴网是PKPM建模的基础，所有的构件必须以此为基础进行布置。
轴网的正确与否直接关系到结构模型是否正确。
程序提供两种轴网输入方式，普通方式和快速建模方式。
实际设计中多利用快速建模辅助一般建模方式的方法来完成。
快速建模的方法为：
打开快速建模页面，根据需要改写其中参数即可。
有三种途径可以打开。
1、单击“工具栏”中的按纽
2、“网格生成”/“快速建模”/门式刚架。
3、“快速建模”下拉菜单
图1.2-3门式刚架PK交互输入界面
图1.2-5门式刚架平面建模主页面
本工程轴网建立步骤：
单击“网格生成”\“快速建模”\“门式刚架”，弹出“图1.2-6”所示页面：
图1.2-6a门式刚架快速建模
图1.2-6b门式刚架快速建模
总跨数：
按实际情况填写，各具体参数的取值如页面所示。
当修改其中的参数后，模型会动态更新。
当前跨：
其余参数都是针对当前跨而言，通过改变当前跨，实现对整个模型的建立。
柱高是从檐口到基础顶面（钢柱底面）的距离，本工程的基础顶面标高为-0.100m。
中柱高度根据屋面坡度和边柱高度计算得出。
梁的分段主要是考虑受力和运输要求。
由于功能需要，此工程分为3跨，每跨跨度18米，柱距7米。
规范链接：
结构形式——《门规》4.1.1
跨度形式——《门规》4.1.2
屋面坡度——《门规》4.1.5
屋面单元划分——《门规》4.1.6
跨度确定——《门规》4.2.1第1款
高度——《门规》4.2.1第2款
轴线取法——《门规》4.2.1第3款
檐口高度、最大高度、宽度、长度——《门规》4.2.1第4款
适用范围，经济跨度，高度，柱距，挑檐长度——《门规》4.2.2
设计知识：
1、厂房的坡度和建筑排水、屋面材料类别密切相关。
常用的坡度范围是1/10~1/20。
2、厂房的高度取决于使用条件和建筑要求，有吊车时还要满足吊车运行的净空要求。
3、厂房跨度取决于功能、经济要求
4、刚架的间距应考虑使用功能、刚架跨度、檩条合理跨度、荷载大小等综合确定，一般多在6~9m。
退出快速建模后，接下来可以为轴线命名。
轴线命名后可以把命名的轴线数据传递到施工图绘制中。
方法为：
通过[网格]\[轴线命名]菜单完成，见图1.2-7。
说明，程序提供单根轴线命名、连续轴线命名方式。
现采用单根轴线方式为刚架依次命名轴线A、D、K、G。
操作时注意按命令行的提示操作即可。
图1.2-7轴线命名
1.2.3布置柱
本工程柱采用采用等截面的焊接H型钢，边柱截面选用300×
280×
8×
12，中柱截面采用280×
12。
程序通过“柱布置”菜单完成柱的布置。
具体步骤是：
1、单击“柱布置”，弹出下级菜单，如“图1.2-8”所示：
2、接着点击“截面定义”，程序弹出“图1.2-9”所示对话框。
（完成需要布置的柱截面，）
3、首次设计，需要点击“增加”按钮，进行输入。
此时，打开如“图1.2-10”的对话框。
4、选择“H型钢”类型，弹出“图1.2-11”界面。
根据所选H型钢依次修改各参数即可。
5、建立了边柱截面后，通过“复制”按钮建立中柱截面。
此时，只需把腹板高度由300修改为280即可。
（这个功能对变截面梁更有效率，可以减少不少工作量）
6、定义完成后，接下来的工作是布置柱，先从定义好的截面库中选中要布置的截面类型。
然后布置，程序提供四种选择方式，此处按TAB键转成轴线方式
注意的是对于边柱考虑偏心的影响。
程序规定左偏为正，右偏为负。
单位为mm。
A轴边柱布置时候，输入-150，K轴边柱则输入150，中柱无偏心。
图1.2-8柱布置
图1.2-9PK-STS截面定义
图1.2-10柱截面类型
图1.2-11H型钢截面定义
门式刚架一般多采用变截面构件，当有吊车时，柱多用等截面的。
常用的柱截面高度一般为300~700。
截面定义时考虑的原则有：
1、翼缘必须满足宽厚比要求，腹板满足高厚比要求，对于腹板，当不满足时，程序会按考虑屈曲强度计算。
所以说，截面翼缘满足宽厚比，显的很重要。
2、截面选择要考虑常用的板型，结合市场上常用的材料规格选择比较好，对于翼缘，常选用的规格有180，200，220，250等。
3、选择截面还要考虑节点螺栓布置的实际情况，满足规范对于螺栓的容许距离要求，
综合这些因素，
4、对于腹板截面，考虑的往往是制作问题，以及和翼缘截面厚度的协调问题，腹板厚度一般比翼缘小些为宜，其高厚比用到150左右比较合适，制作中的变形也比较小，板件厚度不宜低于6mm厚，否则易焊穿。
常用的门式刚架翼缘截面一般为：
180×
8，180×
10，200×
8，200×
10，220×
12，240×
10，240×
12，250×
10，250×
12，260×
14，270×
12，280×
12，300×
12，320×
14等，
常用的腹板截面为：
一般为6mm和8mm厚的。
对6mm的其高度范围一般从300~750，最大可到900，对8mm厚的腹板高度范围一般从300~900，最大可到1200。
1.2.4布置梁
本工程左半坡梁的截面尺寸具体是：
350×
6×
10，（350~550）×
10，（550~350）×
10，350×
10。
（右侧部分与之对称）
梁的布置和设计知识参考柱的相关操作即可，在此不细述。
注意的是：
选择“变截面梁”，布置时，连接点一定要连续。
1.2.5检查与修改计算长度
单击“计算长度”弹出如“图1.2-12”所示界面。
图1.2-12计算长度界面
接下来单击“平面外”菜单，出现对话框：
图1.2-13平面外计算长度
输入3000
回车后，按Tab键，应用轴线选择方式，
用鼠标选择梁（把梁的平面外计算长度改为3000mm）
本工程在牛腿设置通长系杆，柱子的面外计算长度不需要修改。
当不设置面外支撑时，柱子的平面外计算长度需要修改，对边柱为8200，对中柱为9400，读者可以自己练习其修改和刚架设计，体会计算长度对设计的影响。
程序约定：
平面内的长度程序默认为-1，一般情况下不需要改动。
本工程不改。
平面外长度程度默认为杆件几何长度。
一般根据实际情况修改。
梁的平面外计算长度通常情况下对下翼缘取隅撑作为其侧向支撑点，计算长度取隅撑之间的距离。
对于上翼缘，一般也可以取有隅撑的檩条之间的距离。
檩距1.5m，隅撑隔一个檩条布置。
所以，梁的平面外计算长度取3m。
柱的平面外长度取决于其平面外支点的距离，本刚架在牛腿位置设置面外支撑，由于设置了吊车，程序在此把柱分为2段，柱子平面外长度取各段柱实际长度即可。
对于平面内计算长度，通常情况下，不需要修改。
但，有时平面内长度需要根据实际修改。
如当有夹层时，对于按框架设计的柱的平面内计算长度需要修改。
1.2.6查改节点类型
图1.2-14铰接构件界面
本菜单的主要功能是设置节点类型。
程序默认所有的梁柱节点都是刚节点，所以，在有铰接点的时候，需要通过该菜单修改。
本工程有吊车，GJ-1的节点按刚接考虑，不修改。
如用户需要修改时，先选择布置柱铰，根据提示操作即可。
铰接构造相对刚接来说，简单很多，方便制作和安装，有条件时候，宜尽量采用。
采用的节点形式，要保证结构形式为几何不变体系。
柱脚采用铰接还是刚接，和自重较轻，柱高一般也不大，柱底弯矩不太大，一般采用柱底为铰接的形式。
有吊车且吊车吨位较大时，采用刚接柱脚。
多跨门架中，柱顶弯矩较小，常作成摇摆柱。
还要看房屋的高度和风荷载的大小，当风荷载很大，即使没有吊车，也宜设成刚接柱脚，以控制侧移。
铰接与否还应结合土质情况。
刚接柱脚由于存在弯矩，基础尺寸会较大，使综合造价上升。
1.2.7恒载输入
单击“恒载输入”，弹出如“图1.2-16”所示界面。
图1.2-15恒载输入
程序提供三种类型的恒载，即节点恒载、柱间恒载、梁间恒载。
首先完成屋面恒荷载的输入，单击“梁间恒载”，弹出如“图1.2-17”所示梁间荷载定义界面。
图1-16梁间荷载定义
此时可以选择第一种荷载类型，或是第二种荷载类型，在“荷载数据输入”栏填好参数，单击“确定”按钮，完成荷载定义。
本例选择第二种，输入2.1。
按Tab键，转成轴线选择对象方式，指定梁，即完成梁上恒载的输入。
接下来完成吊车梁及轨道自重的输入。
程序有两种方式：
1、按节点恒载2、按柱间恒载
1、使用节点恒载输入，需要输入一个集中力和弯矩。
在节点恒载输入时，程序把荷载加在程序的网格线上，对于边柱来说，没有加在柱的实际轴线，所以这与实际稍微有点不符，但一般情况下可满足工程精度的要求。
2、按“柱间恒载”输入时，选择第五种荷载形式即可，只需要输入集中力和偏心距大小，以及作用点距柱底的距离即可。
程序以构件的轴线为准。
此处按第1种方式，集中力可以从后续吊车梁计算结果中计算得到。
边跨吊车梁自重为6.8kn，中间跨吊车梁自重为7.1kn，考虑吊车梁的轨道和其固定件等，乘以1.2的增大系数，即边跨8.2kn，中间跨为8.5kn。
而纵向力作用位置可以参考的吊车位置信息得到。
对于边跨边柱为0.68m，边跨内柱为0.67m，中间跨为0.61m。
最后计算数值见表1.2-1。
表1.2-1吊车梁对各柱的恒载
A柱处
D柱处
G柱处
K柱处
集中力（kn）
8.2
16.7
弯矩（kn*m）
5.6（顺时针）
-0.31（逆时针）
0.31（顺时针）
-5.6（逆时针）
单击“节点恒载”，在弹出界面里输入集中力和弯矩，依次添加即可。
对于门式刚架来说，典型的恒载有：
1、屋面恒荷载，用程序的“梁间荷载”布置。
2、当有吊车时，对于吊车梁以及吊车轨道的自重，用“节点恒载”实现。
3、对于墙面系统的自重，在需要时，用“节点恒载”实现。
屋面恒载计算：
0.8mm厚压型钢板
100mm保温棉0.2kn/m2
0.6厚压型钢板
檩条0.1kn/m2
合计0.3kn/m2
1.2.8活载输入
图1.2-17活载输入
活载的输入模式与方法和恒载相同，对其操作不赘述。
活载输入的界面见“图1.2-17”。
说明：
两边跨活载为0.4kn/m2，中间跨的活载为取0.5kn/m2。
活载取值：
《门规》3.2.2
门式刚架的活荷载包括屋面活荷载、屋面雪荷载、屋面积灰荷载、悬挂荷载等。
在施工过程中，还要考虑施工或检修集中荷载。
本工程没有积灰荷载，屋面雪荷载标准值为0.4kn/m2，
边跨刚架梁1的服务面积为6×
18=108m2＞60m2，
中间跨刚架梁2的服务面积为6×
9=54m2＜60m2
边跨刚架梁1部分的屋面活河载为0.3kn/m2＜0.4kn/m2，取0.4kn/m2
中间跨刚架梁2部分的屋面活河载为0.5kn/m2＞0.4kn/m2，取0.5kn/m2
1.2.9左风输入
程序提供3种类型的风载形式，即节点左风、柱间左风、梁间左风（如图“1.2-18”）。
在人工布置时，需要注意风荷载的正负。
程序规定：
对于风载，水平荷载向右为正，竖向荷载向下为正。
对于典型的门式刚架，程序还提供“自动布置”功能，快速完成风荷载的输入。
本刚架是典型的两坡屋架，满足门规要求，可以使用“自动布置”功能。
单击“左风输入”\“自动布置”，打开如“图1.2-19”所示的风荷载输入与修改对话框。
根据实际填写其中参数即可。
然后，主要的工作就是通过左侧“构件风荷载信息”核对一下构件自动布置的结果是否正确。
如不对，可以通过右下侧“构件x风荷载修改”，完成对构件x的荷载修改。
经核对，本工程无误，单击“确定”按钮，完成了风荷载的自动布置。
本工程有0.6m高的女儿墙，这部分的风荷载在自动布置里没有输入。
本工程的女儿墙较低，荷载较小，对设计基本没影响。
为了说明这种荷载的考虑方法，下面介绍如何输入该部分的风荷载。
偏安全的考虑，可以按节点荷载计入。
具体可以用程序的“节点左风”实现，也可以用“柱间左风”实现。
读者可自己比较一下该部分风荷载考虑与否对结果的影响情况。
图1.2-18左风输入
单击“节点左风”，弹出如图1.2-20的对话框。
在“屋面坡度”中输入一个很大的数，如100000，即可输入水平风荷载。
单击“柱间左风”，弹出如图1.2-20的对话框。
选择第4种荷载类型，即可输入水平风载。
图1.2-19自动输入风荷载
地面粗糙度：
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）7.2.1条。
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）附录表D-4。
调整系数：
《门规》附录A.0.1条文说明。
刚架位置：
《门规》附录A
门式刚架结构与一般厂房结构不同，其高度一般都不太，但其跨度和长度都比较大，这类房屋的风荷载体形系数有自己的特点，必须按《门规》中规定执行。
但当以下情况时，宜用《建筑结构荷载规范》来确定风荷载的体形系数。
1、房屋高度很大
2、有大吨位的吊车
3、跨度很大
图1.2-20节点左风
图1.2-21柱间左风
1.2.10右风输入（同左风）
右风输入与左风输入操作相同，不赘述。
1.2.11吊车荷载
单击“吊车荷载”弹出如“图1.2-22”所示的吊车荷载页面。
（首先进行吊车荷载的定义）。
单击“吊车数据”弹出如“图1.2-23”吊车荷载定义的页面。
第一个吊车数据需要首先选择“增加按钮”，打开“图1.2-24”的对话框。
（现在通过程序的辅助工具实现“图1-24”中“吊车荷载值”栏目参数的输入。
）
单击
，打开“图1.2-25”的“吊车荷载输入向导”对话框。
首先单击“第一台吊车序号”按钮，输入吊车资料，页面如“图1.2-26”所示。
接着按相同方法，布好第2台吊车。
（说明：
对边跨来说，吊车相同，对中间跨则不同）
点“图1.2-25”中的“计算”按钮，程序自动计算，并把计算值显示在该图右侧“吊车荷载计算结果”里。
这时，可以判断结果的正确与否，正确则点该图中的“直接导入”按钮，程序自动把计算结果传到“图1.2-24”中的“吊车荷载值”栏内。
下一步是填写“图1.2-24”中的吊车位置信息，就是吊车荷载作用点与节点的距离。
这些参数不仅仅影响到刚架的内力计算，也影响后续的牛腿节点设计和施工图的绘制，必须按实际情况输入。
具体的计算方法如下：
图1.2-27吊车位置信息计算简图
式中：
S：
厂房名义跨度，单位mm
Sd：
吊车跨度，单位mm
A：
吊车竖向荷载与左节点的偏心距，单位mm
B：
吊车竖向荷载与右节点的偏心距，单位mm
h1：
左边柱柱截面高度，单位mm
h2：
右柱柱截面高度，单位mm
各参数具体含义见“图1.2-27”。
左边跨、右边跨与中间跨的数值不同，需分别定义，相应的，吊车荷载有3组。
本工程吊车为单层，不勾选“双层吊车”按钮。
这样就完成了吊车荷载的定义。
依次完成所有3组吊车荷载定义即可。
下面就可以进行吊车荷载布置了。
单击“吊车荷载”\“布置吊车”，选择吊车数据，按照命令行提示完成布置即可。
如布置错了，可随时用“删除吊车”删除后，再重新布置。
最后说明一点：
以上输入的吊车荷载没有考虑吊车梁自重。
对于吊车梁自重是按照偏心荷载考虑的，具体添加办法有3种：
1、先计算吊车梁，然后把它当作偏心恒载输入，本书采用这种方法，具体见“恒载部分”；
2、在轮压上考虑一个放大系数，具体可以取1.02～1.04；
3、可以在吊车总重上考虑一个放大系数，在STS桥架总重里面加上吊车梁自重,或者加到厂家资料上的吊车总重上。
图1.2-22吊车荷载
图1.2-23吊车荷载定义
图1.2-24定义吊车数据
1、吊车荷载值有3种方法可以得到，第一种是通
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