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