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基于PKPM软件结构优化设计的探讨

【摘 要】结构优化设计直接影响结构的经济性,在日益注重经济性的大背景下显得尤为重要。本文讨论了基于PKPM软件下结构优化设计的几个问题,如材料选择问题、梁顶面通长筋问题、约束边缘构件构造配筋率问题及抗震墙连梁刚度折减问题等,与工程设计人员共同交流探讨。 

【关键词】结构优化设计;PKPM 
  结构设计面临很多问题与挑战,结构设计的经济质量与技术质量同等重要,通过结构优化设计可以提高结构设计产品的品质,达到安全耐久性与经济性的统一。结构优化设计是指在满足各种规范或某些特定要求条件下,使建筑结构的某种指标为最佳的设计方法。本文作者通过多年使用PKPM设计软件,归纳总结出一些优化设计、影响结构造价的途径,与工程设计人员交流分享。 
  1、材料选择问题 
  高强混凝土高强钢筋目前已广泛应用,其优越的性价比已达成广泛共识。本文要说的是《混凝土结构设计规范》(GB50010 -2010)表8.5.1注2中规定当采用强度等级400MPa、500MPa的钢筋时,其最小配筋百分率应允许采用0.15和45ft/fy中的较大值。目前PKPM软件版本中还没有体现这个规定,设计中应予以注意。如:板筋采用HPB300级别钢筋时,采用强度等级C30砼时最小配筋率为0.238%。如板筋采用HRB400级别钢筋时,采用C30砼时最小配筋率为0.179%,由最小配筋率控制的配筋量省钢25%。 
  2、梁顶面通长筋问题 
  从节约的角度,建议框架梁设架立筋,即顶面通长钢筋可以选择直径较小的钢筋与支座钢筋搭接(受力需要设置通长钢筋例外),《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.3.4 条对此有明确规定。框架梁设置架立筋有一个好处,就是梁每个支座均通过架立筋搭接,每个梁支座配筋可根据计算需要设计不同钢筋直径和根数,而不必兼顾通长钢筋的配置。PKPM软件墙梁柱施工图模块自动生成的施工图就是按这个原则生成的,而很多设计院习惯把架立筋改成通长钢筋,本文作者认为没必要且是浪费的。 
  3、约束边缘构件构造配筋率问题 
  某高层剪力墙结构住宅,抗震等级为一级,经PKPM软件计算后发现第一标准层第28号边缘构件配筋率为1.47%,配筋简图及配筋文本文件如下: 
  从以上的文本文件可以看出,28号边缘构件仅需按构造配筋即可,《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第7.2.15条规定构造配筋率为1.2%,而SATWE模块中边缘构件简图给定的配筋率却是1.47%,这和规范是不相符的,有PKPM自己延伸的算法在里面,本文作者认为不必遵照配筋简图配筋,按配筋文本文件结果构造配筋,满足阴影区域配筋率1.2%即可。 
  4、容易忽略的参数设置问题 
  刚域,PKPM官方给出的说法是一般情况不勾选,本文作者认为任何情况都宜勾选,考虑刚域作用,可以适当减小梁端截面的弯矩值,从而减少配筋量。经多次试算,层高不高时考虑刚域影响对配筋影响较大。 
  框架梁端配筋考虑受压钢筋,勾选后可以有效减小跨中钢筋量,并且有利于实现“强柱弱梁”,有利于结构抗震。较早版本的PKPM是没有这个选项的,完全按单筋梁计算,保守的工程师所谓的安全考虑,不勾选此项,本文作者认为大可不必,“好钢用在刀刃上”乃上策。 
  实配钢筋超配系数,默认取值为1.15。有审查者认为不是9度时框架或者一级框架结构,应该将此参数改为1.00。PKPM对这个参数已经能自动识别不需要修改,对其他类型的结构,也不需要人工修改为1.00。 
  5、抗震墙连梁刚度折减问题 
  《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.2.13条条文说明规定,计算地震内力时,抗震墙连梁刚度可折减;计算位移时,连梁刚度可不折减。基于这条规定,我们在计算位移等控制指标时连梁刚度不折减,待位移指标通过后,再将连梁刚度折减进行配筋等其它计算,需要计算两版模型。这么计算的好处就是使结构刚度不至于为了满足位移指标要求过大,结构刚度小了,吸收地震力自然就小了,整个结构经济性指标就会下降。 
  6、双向板计算方法问题 
  PKPM中提供双向板的计算方法有两种可以选择:弹性算法和塑性算法。按弹性理论计算安全储备过大,而塑性铰线理论更接近于实际受力状态,有关试验表明,塑性铰线理论计算结果也具有一定的安全储备。有很多设计人员选用弹性算法后,居然还将钢筋面积调整系数填写个大于1的数,造成了相当的浪费。 
  7、KPM计算有待改进问题 
  楼板计算目前PKPM采用板块单独计算的原则,支座负弯矩未考虑两端平衡问题,这样配筋只能按两跨支座负弯矩最大值计算,造成一定浪费,支座负弯矩完全可以按楼板线刚度重新分配,按平衡后的负弯矩计算配筋。 
  剪力墙轴压比PKPM采用墙肢独立考虑轴压比,未考虑组合轴压比,这又是PKPM需要改进的一个问题,剪力墙墙肢肯定要共同工作,而不是墙肢独立工作,很多时候组合墙肢中一个墙肢轴压比超限,另外与其相连的墙肢轴压比却富裕很多,明显不合理,有待改进。 
  8、结束语 
  结构优化设计是一项极其复杂的系统工程,是需要工程师长期积累的过程。本文所列几个问题只是结构优化设计中非常渺小的几个点而已。我们必须承认在建设实践中,还存在一个巨大的未知领域,需要我们不断总结建设经验、集中专家智慧、建立相应的人工科学来取得相对优化的结果。 
  参考文献: 
  [1]建筑抗震设计规范(GB50011-2010[S]).北京:中国建筑工业出版社,2010 
  [2]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010[S]).北京:中国建筑工业出版社,2011 
  [3]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2012 
  [4]SATWE多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件(墙元模型)用户手册[M].北京:中国建筑科学研究院设计软件事业部,2011 
  [5]混凝土结构设计规范(GB50010-2010[S]).北京:中国建筑工业出版社,2011

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