PKPM系列CAD软件中砌体结构的辅助设计.doc

PKPM系列CAD软件中砌体结构的辅助设计
金新阳　陈岱林　黄立新　顾维平
　　摘　要　介绍了PKPM系列中砌体结构CAD软件的关键技术及主要功能和特点，并讨论了工程应用中若干常见的问题。该软件采用图形交互快速建立结构模型；自动导算荷载并生成设计所需的结构信息；可完成砌体及底框结构抗震计算及静力计算；绘制混凝土梁、柱、板及结构平面施工图及砌体圈梁、构造柱和芯柱大样图；完成阳台、雨篷、墙梁及挑梁等混凝土构件的计算和绘图。
　　关键词　砌体结构　CAD软件
Computer Aided Design Software for Masonry or Concrete Masonry
Structures in PKPM CAD System
Jin Xinyang　Chen Dailin　Huang Lixin　Gu Weiping
(Institute of Building Structures, China Academy of Building Research)
　　Abstract　This paper introduces the CAD software for masonry or concrete masonry structure, which is a part of PKPM CAD system. By means of graphic interactive input, a model of masonry or concrete masonry structure can be built up efficiently. Structure analysis for anti-earthquake and vertical loads can be carried out. The working drawings of structure plan and the details of beam, column and balcony can be drawn out automatically. Some common questions occurred in structural design are discussed。
　　Keywords　masonry structure; CAD software
1　概　述
　　砌体结构辅助设计是PKPM系列CAD软件中研制开发最早且应用最广泛的功能之一。据调查，用户中采用PKPM软件设计砌体结构工程的, 约占30％。
　　该软件的主要功能及特点有：
　　(1) 利用图形交互输入快速高效建立砌体结构模型。自动导算荷载并生成荷载信息，自动生成抗震计算及结构设计所需的结构信息。
　　(2) 自动完成砌体结构及底框上砖房结构抗震承载力验算及墙体静力计算，完成底框结构分析和施工图设计。
　　(3) 计算现浇板的内力及配筋，完成板配筋图及结构平面图。自动生成并绘制砌体圈梁、构造柱及芯柱节点大样图。
　　(4) 完成砌体结构中挑梁、墙梁及阳台、雨篷、挑檐等构件的计算及绘图。
　　(5) 将上部结构平面布置及导算的荷载自动传给基础，完成条基、独基、弹性地基梁及桩基的设计及施工图。
　　上述功能形成了一个砌体结构辅助设计的完整系统(见图1)。

图1　PKPM系列软件砌体结构辅助设计过程图
2　砌体结构抗震验算及受压计算
2.1　主要依据及技术条件
　　砌体结构抗震验算所依据的主要规范有：
　　GBJ 11-89《建筑抗震设计规范》；
　　GBJ 3-88《砌体结构设计规范》；
　　JGJ/T 13－94《设置钢筋混凝土构造柱多层砖房抗震技术规程》等。
　　主要技术条件有：
　　(1) 按底部剪力法计算结构的总水平地震力和各楼层的地震力Fi，其中地震影响系数α取αmax，不考虑顶部附加地震作用。
　　第 i 层地震剪力Vi 按式（1）计算：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)
式中　n为楼层总层数。
　　(2) 按楼面刚度特性将各层的地震剪力分配至各片墙上，有以下三种情况：
　　● 对现浇或装配整体式刚性楼盖，按墙体的抗侧力刚度分配：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
式中　kij――第i 层第 j 片墙的抗侧力刚度，按下述情况计算：
　　　当高宽比ρ＝h/b≤1.0 时，

　　　当1.0＜ρ≤4.0时，

　　　当ρ＞4.0时，kij＝0
　　● 对开洞率很大或木楼盖等柔性楼盖，按墙体承受的重力荷载分配：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)
式中　Gij――第 i 层第 j 片墙体承受的重力荷载。
　　● 对钢筋混凝土装配式刚柔性楼盖，按刚度和重力荷载分配：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)
　　 ( 3 ) 砌体结构抗震承载力验算，包括墙体抗震承载力验算及布置芯柱的混凝土小型砌块墙体抗震承载力验算。
　　● 墙体抗震承载力，按式（5）验算：
　　　　　　　　　　　　　　γEhVij≤（fvEA+0.15fyAs）／γRE　　　　　　　　　　(5)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)
式中　γEh――地震作用分项系数，取1.3；
　　　γRE――承载力抗震调整系数，对自承重墙取0.75，当设置适当构造柱时取0.9，其他情况取1.0；
　　　As、fy――配筋砌体层间竖向截面中，总的钢筋截面面积及强度；
　　　fv、fvE――分别为砌体抗剪强度和抗震抗剪强度；
　　　ξ――矩形截面剪应力不均匀系数，取1.2；
　　　σ0――砌体在重力荷载代表值作用下的平均压应力；
　　　A――砌体截面面积。
　　当考虑构造柱共同作用时，砌体截面面积由式（7）确定：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)
式中　An、Ac――分别为砌体净截面积和验算墙体中构造柱总截面面积；
　　　Ec、E――分别为构造柱钢筋混凝土及砌体的弹性模量；
　　　ηc――构造柱参与系数，取0.26～0.3。
　　● 布置芯柱的混凝土小型砌块墙体抗震承载力，按式（8）验算：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)
式中　Ac、fc――分别为芯柱总截面积和芯柱混凝土强度等级；
　　　As、fy――分别为芯柱插筋截面积及强度等级；
　　　ζc――芯柱影响系数，按填空率取0～1.15。
2.2　砌体抗震及受压承载力自动验算
　　首先由PMCAD软件主菜单A、1 和2 建立砌体结构全楼模型，包括楼层数及层高、地震信息、墙体、洞口、预制楼板等的布置。然后由PMCAD主菜单3 和C 完成荷载输入、导算及校核。
　　在此基础上，软件将自动生成每层中各片墙体以及墙段的信息，包括该墙承受的地震剪力及恒活荷载作用下的轴力，水平截面面积，构造柱的数量及截面面积等。然后按式(5)验算整片墙体和各墙段的抗震承载力。
　　验算结果以墙体的抗力与荷载效应之比值给出，将结果直接标注在平面图的每片墙和每个墙段上。当墙体不满足抗震承载力要求时(比值小于1.0)，软件会在屏幕上用红色提示，并计算出墙体水平配筋的面积，供用户参考。在结果图中还给出本层重力荷载代表值、水平地震力、地震剪力、砂浆强度等的信息。
　　自动生成各墙体的受压构件截面特征并导算其荷载，计算它们的受压承载力。
　　除抗震验算结果图外，软件还可根据用户需要给出各层墙体的轴力图、地震剪力图等，供用户做更细致的设计。
3　底层框架上砖房结构辅助设计
3.1　底层框架结构地震作用分析
　　这类结构的水平地震力及上部砖房的抗震承载力计算与普通砌体结构类似。对底层框架的地震作用分析及设计，规范对此作了一些特别的规定。主要可归纳为以下几点：
　　（1） 底层地震剪力增大系数ηv
　　　　　　　　　　　　　　　ηv=1.0+0.17(K2/K1)(1.2≤ηv≤1.5)　　　　　　　(9)
式中　K1、K2――分别为底层与上层砖房的侧移刚度。
　　（2） 地震剪力的分配　规范规定抗震墙应能承担全部的地震剪力，因此，应按全部的地震剪力来计算底层混凝土剪力墙及砖填充墙承受的地震剪力，并按其侧移刚度进行分配。
　　底层框架承担的地震力将通过框架、混凝土剪力墙及砖填充墙三者间的协调分配得到，在分配中对混凝土和砖墙的侧移刚度要适当折减。第 i 榀框架承受的地震力按式（10）计算：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10)
式中　Kfi――第 i 榀框架的侧移刚度；
　　　Kcw，Kmw――分别为混凝土剪力墙和砖填充墙的总侧移刚度。
　　（3） 框架柱附加轴力　地震作用下，上层砖房对底层结构将产生较大的倾覆力矩，形成框架柱内的附加轴力。总的倾覆力矩由框架和抗震墙共同承担，第i榀框架承受的倾覆力矩由式（11）计算：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(11)
式中　Ifi，Iw――分别为第 i 榀框架的转动刚度和墙体转动刚度。
　　第 i 榀框架第 j 根柱的附加轴力按下式计算：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(12)
式中　xij，Aij――分别为第 i 根柱离形心的距离和截面面积。
　　（4） 抗震墙设计　 设置于底框结构中的混凝土剪力墙承受轴力、弯矩和剪力，按偏心受力构件计算；水平分布钢筋根据水平地震剪力计算。
　　对砖填充墙，必须满足规范对其构造和施工所作的规定，如先砌墙后浇框架梁的施工顺序，要设置足够的拉结筋等。
　　软件将上述计算所得的各榀框架的地震力、柱附加轴力、混凝土剪力墙内力及配筋、砖填充墙抗震验算结果均标在平面图上，同时还给出经调整后的底层总剪力、底框架层与相邻层的抗侧移刚度比、总倾覆力矩等信息。
3.2　底层框架结构设计
　　完成底框上砖房结构的地震作用分析后，用PMCAD主菜单 4 生成底框PK文件，可自动生成各榀框架结构分析及设计所需的全部数据，其中包括结构简图，上部砖房及本层楼面传递的恒、活荷载，水平地震力及柱附加轴力等。用PK软件来完成框架的内力分析、配筋计算及施工图设计的全过程。
4　砖混结构平面及节点大样辅助设计
4.1　结构平面图设计
　　软件可自动完成现浇钢筋混凝土楼板的内力及配筋计算，自动选配板底及支座的钢筋，并通过自动布筋、通长布筋、指定布筋及任意布筋等多种手段完成现浇板施工图。
　　对预制楼板，可用板布置图或板标准图两种方式表达。
　　软件还提供了大量自动的或交互的标准功能，如轴线、尺寸、中英文字等，可帮助用户方便快速完成平面施工图。
4.2　圈梁及构造柱节点大样图
　　根据有关标准和通用图集，利用模型中圈梁、构造柱、芯柱布置等信息，软件自动生成全部圈梁及构造柱、芯柱的节点大样图，生成圈梁布置简图及芯柱的布置图。
　　圈梁大样图可反映其两侧是现浇或预制板、内墙或外墙、板与梁顶或梁底平齐等各种情况。圈梁的截面有矩形和L形，纵筋和箍筋按构造设置。各类大样的信息都通过一组参数来定义描述，用户可以通过交互修改参数的方式随意修改大样图。
　　构造柱大样根据与其相交墙肢的情况自动分类，墙肢可以是正交或斜交，柱内配筋及拉结筋均按构造自动确定。柱大样信息也通过参数化描述和修改。
　　芯柱大样反映填孔数、插筋及拉结筋的详细情况。
　　形成全部大样信息后，软件自动进行归并整理，相同的大样归到一类。大样图的索引符号可在平面图上自动或交互标出。大样图的布置也可自动完成，用户可任意拖动各个图块。
5　若干常见问题讨论
　　（1） 砌体抗震承载力不足。 软件的应用使砌体结构抗震验算十分快捷简便，但随着新的房屋形式和新的使用要求的出现，设计中经常会遇到抗震承载力不足的问题。造成承载力不足的主要原因有：
　　① 半地下室结构或顶层越层结构，因房屋等效重力荷载增加，设计高度增加，使总水平地震力增大。
　　② 为满足外观、采光及灵活大空间等使用上的要求，墙体数量减少，开洞率普遍增大，尤其是纵墙，常采用门连窗方式，墙体有效截面面积很小。采用复合夹心保温墙后，外墙一般由一砖半减至一砖，削弱了承载力。
　　③ 在有些情况下，当墙体的洞口或构造柱布置不合理，使墙段内剪力分配很不均匀，会出现整片墙体满足承载力要求，个别墙段不满足的现象，要求在设计中作适当调整。
　　综上因素，提高砌体抗震承载力的手段主要有：增加构造柱或芯柱的数量和截面积；洞口设置应尽可能使墙段受力均匀；采用配筋砌体；布置少量钢筋混凝土剪力墙等等。
　　（2） 砌体结构中设置少量钢筋混凝土剪力墙。 现行规范对这类结构的抗震计算尚未作具体规定，有关单位正在对其抗震机理进行研究。计算的关键是两种材料墙体间剪力的分配，若完全按弹性考虑，混凝土弹性模量约为砌体的10倍，大量地震剪力将由混凝土墙吸收，显然与实际情况有差异。弹性模量比取多少合适，还需要作进一步研究。在本软件中提供一个混凝土墙弹性模量与砌体弹性模量的比值，由用户选择输入。
　　（3） 多层底框的地震作用分析。 多层底框上砖房结构的应用越来越多，现行规范对这类结构的地震分析方法没有明确规定。在PKPM软件中有两种途径来分析这类结构，一种是参照规范对一层底框所作的计算规定来计算多层框架的水平地震力和柱附加轴力，这种方法计算过程与一层底框类似；另一可选的方法是采用PKPM系列中的空间分析软件SATWE来进行结构分析。分析中将梁柱作为空间杆件，混凝土墙和砌体墙作为空间有限元，再在静力和地震作用下进行整体结构弹性分析。但对多种材料结构空间分析结果的应用，用户还须作些判定与调整。
　　（4） 底框梁上荷载的传递方式及墙梁设计。 底框架梁上一般布置有承重墙，上部竖向荷载通过墙体传递到梁上。在梁与墙体共同作用下，竖向荷载在梁上的分布情况较为复杂，受墙高、洞口大小及位置等多种因素影响。在非地震区或低烈度地震区，可以考虑墙梁作用，用砖混结构混凝土基本构件设计软件GJ进行墙梁设计。在8度以上的高烈度地震区，一般上部荷载均布作用在梁上。软件提供一个上部荷载折减系数，供用户调整梁上均布荷载的比例。
作者单位：金新阳　陈岱林　黄立新　顾维平　中国建筑科学研究院建筑结构研究所　北京100013
参考文献
1　GBJ 11-89《建筑抗震设计规范》
2　JGJ/T 13-94《设置钢筋混凝土构造柱多层砖房抗震技术规程》
3　JGJ/T 14-95《混凝土小型空心砌块建筑技术规程》
4　戴国莹、钟益村，建筑抗震设计新方法及例题，建筑科学编辑部，1990
5　中国建筑科学研究院建筑结构研究所，结构平面计算机辅助设计软件PMCAD使用说明，1998