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PKPM系列CAD軟件中砌體結(jié)構(gòu)的輔助設(shè)計(jì) 摘　要　介紹了PKPM系列中砌體結(jié)構(gòu)CAD軟件的關(guān)鍵技術(shù)及主要功能和特點(diǎn)，并討論了工程應(yīng)用中若干常見的問題。該軟件采用圖形交互快速建立結(jié)構(gòu)模型；自動導(dǎo)算荷載并生成設(shè)計(jì)所需的結(jié)構(gòu)信息；可完成砌體及底框結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算及靜力計(jì)算；繪制混凝土梁、柱、板及結(jié)構(gòu)平面施工圖及砌體圈梁、構(gòu)造柱和芯柱大樣圖；完成陽臺、雨篷、墻梁及挑梁等混凝土構(gòu)件的計(jì)算和繪圖。 　　關(guān)鍵詞　砌體結(jié)構(gòu)　CAD軟件 1　概　述 　　砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)是PKPM系列CAD軟件中研制開發(fā)最早且應(yīng)用最廣泛的功能之一。據(jù)調(diào)查，用戶中采用PKPM軟件設(shè)計(jì)砌體結(jié)構(gòu)工程的,約占30％。 　　該軟件的主要功能及特點(diǎn)有： 　　(1)利用圖形交互輸入快速高效建立砌體結(jié)構(gòu)模型。自動導(dǎo)算荷載并生成荷載信息，自動生成抗震計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的結(jié)構(gòu)信息。 　　(2)自動完成砌體結(jié)構(gòu)及底框上磚房結(jié)構(gòu)抗震承載力驗(yàn)算及墻體靜力計(jì)算，完成底框結(jié)構(gòu)分析和施工圖設(shè)計(jì)。 　　(3)計(jì)算現(xiàn)澆板的內(nèi)力及配筋，完成板配筋圖及結(jié)構(gòu)平面圖。自動生成并繪制砌體圈梁、構(gòu)造柱及芯柱節(jié)點(diǎn)大樣圖。 　　(4)完成砌體結(jié)構(gòu)中挑梁、墻梁及陽臺、雨篷、挑檐等構(gòu)件的計(jì)算及繪圖。 　　(5)將上部結(jié)構(gòu)平面布置及導(dǎo)算的荷載自動傳給基礎(chǔ)，完成條基、獨(dú)基、彈性地基梁及樁基的設(shè)計(jì)及施工圖。 　　上述功能形成了一個(gè)砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)的完整系統(tǒng)(見圖1)。 圖1　PKPM系列軟件砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)過程圖 2　砌體結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算及受壓計(jì)算 2.1　主要依據(jù)及技術(shù)條件 　　砌體結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算所依據(jù)的主要規(guī)范有： 　　GBJ11-89《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》； 　　GBJ3-88《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》； 　　JGJ/T13－94《設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱多層磚房抗震技術(shù)規(guī)程》等。 　　主要技術(shù)條件有： 　　(1)按底部剪力法計(jì)算結(jié)構(gòu)的總水平地震力和各樓層的地震力Fi，其中地震影響系數(shù)α取αmax，不考慮頂部附加地震作用。 　　第i層地震剪力Vi按式（1）計(jì)算： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1) 式中　n為樓層總層數(shù)。 　　(2)按樓面剛度特性將各層的地震剪力分配至各片墻上，有以下三種情況： 　　●對現(xiàn)澆或裝配整體式剛性樓蓋，按墻體的抗側(cè)力剛度分配： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2) 式中　kij——第i層第j片墻的抗側(cè)力剛度，按下述情況計(jì)算： 　　　當(dāng)高寬比ρ＝h/b≤1.0時(shí)， 　　　 　　　當(dāng)1.0＜ρ≤4.0時(shí)， 　　　 　　　當(dāng)ρ＞4.0時(shí)，kij＝0 　　●對開洞率很大或木樓蓋等柔性樓蓋，按墻體承受的重力荷載分配： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3) 式中　Gij——第i層第j片墻體承受的重力荷載。 　　●對鋼筋混凝土裝配式剛?cè)嵝詷巧w，按剛度和重力荷載分配： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4) 　　(3)砌體結(jié)構(gòu)抗震承載力驗(yàn)算，包括墻體抗震承載力驗(yàn)算及布置芯柱的混凝土小型砌塊墻體抗震承載力驗(yàn)算。 　　●墻體抗震承載力，按式（5）驗(yàn)算： 　　　　　　　　　　　　　　γEhVij≤（fvEA+0.15fyAs）／γRE　　　　　　　　　　(5) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(6) 式中　γEh——地震作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.3； 　　　γRE——承載力抗震調(diào)整系數(shù)，對自承重墻取0.75，當(dāng)設(shè)置適當(dāng)構(gòu)造柱時(shí)取0.9，其他情況取1.0； 　　　As、fy——配筋砌體層間豎向截面中，總的鋼筋截面面積及強(qiáng)度； 　　　fv、fvE——分別為砌體抗剪強(qiáng)度和抗震抗剪強(qiáng)度； 　　　ξ——矩形截面剪應(yīng)力不均勻系數(shù)，取1.2； 　　　σ0——砌體在重力荷載代表值作用下的平均壓應(yīng)力； 　　　A——砌體截面面積。 　　當(dāng)考慮構(gòu)造柱共同作用時(shí)，砌體截面面積由式（7）確定： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7) 式中　An、Ac——分別為砌體凈截面積和驗(yàn)算墻體中構(gòu)造柱總截面面積； 　　　Ec、E——分別為構(gòu)造柱鋼筋混凝土及砌體的彈性模量； 　　　ηc——構(gòu)造柱參與系數(shù)，取0.26～0.3。 　　●布置芯柱的混凝土小型砌塊墻體抗震承載力，按式（8）驗(yàn)算： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8) 式中　Ac、fc——分別為芯柱總截面積和芯柱混凝土強(qiáng)度等級； 　　　As、fy——分別為芯柱插筋截面積及強(qiáng)度等級； 　　　ζc——芯柱影響系數(shù)，按填空率取0～1.15。 2.2　砌體抗震及受壓承載力自動驗(yàn)算 　　首先由PMCAD軟件主菜單A、1和2建立砌體結(jié)構(gòu)全樓模型，包括樓層數(shù)及層高、地震信息、墻體、洞口、預(yù)制樓板等的布置。然后由PMCAD主菜單3和C完成荷載輸入、導(dǎo)算及校核。 　　在此基礎(chǔ)上，軟件將自動生成每層中各片墻體以及墻段的信息，包括該墻承受的地震剪力及恒活荷載作用下的軸力，水平截面面積，構(gòu)造柱的數(shù)量及截面面積等。然后按式(5)驗(yàn)算整片墻體和各墻段的抗震承載力。 　　驗(yàn)算結(jié)果以墻體的抗力與荷載效應(yīng)之比值給出，將結(jié)果直接標(biāo)注在平面圖的每片墻和每個(gè)墻段上。當(dāng)墻體不滿足抗震承載力要求時(shí)(比值小于1.0)，軟件會在屏幕上用紅色提示，并計(jì)算出墻體水平配筋的面積，供用戶參考。在結(jié)果圖中還給出本層重力荷載代表值、水平地震力、地震剪力、砂漿強(qiáng)度等的信息。 　　自動生成各墻體的受壓構(gòu)件截面特征并導(dǎo)算其荷載，計(jì)算它們的受壓承載力。 　　除抗震驗(yàn)算結(jié)果圖外，軟件還可根據(jù)用戶需要給出各層墻體的軸力圖、地震剪力圖等，供用戶做更細(xì)致的設(shè)計(jì)。 3　底層框架上磚房結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì) 3.1　底層框架結(jié)構(gòu)地震作用分析 　　這類結(jié)構(gòu)的水平地震力及上部磚房的抗震承載力計(jì)算與普通砌體結(jié)構(gòu)類似。對底層框架的地震作用分析及設(shè)計(jì)，規(guī)范對此作了一些特別的規(guī)定。主要可歸納為以下幾點(diǎn)： 　?。?）底層地震剪力增大系數(shù)ηv 　　　　　　　　　　　　　　　ηv=1.0+0.17(K2/K1)(1.2≤ηv≤1.5)　　　　　　　(9) 式中　K1、K2——分別為底層與上層磚房的側(cè)移剛度。 　　（2）地震剪力的分配　規(guī)范規(guī)定抗震墻應(yīng)能承擔(dān)全部的地震剪力，因此，應(yīng)按全部的地震剪力來計(jì)算底層混凝土剪力墻及磚填充墻承受的地震剪力，并按其側(cè)移剛度進(jìn)行分配。 　　底層框架承擔(dān)的地震力將通過框架、混凝土剪力墻及磚填充墻三者間的協(xié)調(diào)分配得到，在分配中對混凝土和磚墻的側(cè)移剛度要適當(dāng)折減。第i榀框架承受的地震力按式（10）計(jì)算： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(10) 式中　Kfi——第i榀框架的側(cè)移剛度； 　　　Kcw，Kmw——分別為混凝土剪力墻和磚填充墻的總側(cè)移剛度。 　　（3）框架柱附加軸力　地震作用下，上層磚房對底層結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的傾覆力矩，形成框架柱內(nèi)的附加軸力。總的傾覆力矩由框架和抗震墻共同承擔(dān)，第i榀框架承受的傾覆力矩由式（11）計(jì)算： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(11) 式中　Ifi，Iw——分別為第i榀框架的轉(zhuǎn)動剛度和墻體轉(zhuǎn)動剛度。 　　第i榀框架第j根柱的附加軸力按下式計(jì)算： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(12) 式中　xij，Aij——分別為第i根柱離形心的距離和截面面積。 　　（4）抗震墻設(shè)計(jì)　設(shè)置于底框結(jié)構(gòu)中的混凝土剪力墻承受軸力、彎矩和剪力，按偏心受力構(gòu)件計(jì)算；水平分布鋼筋根據(jù)水平地震剪力計(jì)算。 　　對磚填充墻，必須滿足規(guī)范對其構(gòu)造和施工所作的規(guī)定，如先砌墻后澆框架梁的施工順序，要設(shè)置足夠的拉結(jié)筋等。 　　軟件將上述計(jì)算所得的各榀框架的地震力、柱附加軸力、混凝土剪力墻內(nèi)力及配筋、磚填充墻抗震驗(yàn)算結(jié)果均標(biāo)在平面圖上，同時(shí)還給出經(jīng)調(diào)整后的底層總剪力、底框架層與相鄰層的抗側(cè)移剛度比、總傾覆力矩等信息。 3.2　底層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　完成底框上磚房結(jié)構(gòu)的地震作用分析后，用PMCAD主菜單4生成底框PK文件，可自動生成各榀框架結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)所需的全部數(shù)據(jù)，其中包括結(jié)構(gòu)簡圖，上部磚房及本層樓面?zhèn)鬟f的恒、活荷載，水平地震力及柱附加軸力等。用PK軟件來完成框架的內(nèi)力分析、配筋計(jì)算及施工圖設(shè)計(jì)的全過程。 4　磚混結(jié)構(gòu)平面及節(jié)點(diǎn)大樣輔助設(shè)計(jì) 4.1　結(jié)構(gòu)平面圖設(shè)計(jì) 　　軟件可自動完成現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的內(nèi)力及配筋計(jì)算，自動選配板底及支座的鋼筋，并通過自動布筋、通長布筋、指定布筋及任意布筋等多種手段完成現(xiàn)澆板施工圖。 　　對預(yù)制樓板，可用板布置圖或板標(biāo)準(zhǔn)圖兩種方式表達(dá)。 　　軟件還提供了大量自動的或交互的標(biāo)準(zhǔn)功能，如軸線、尺寸、中英文字等，可幫助用戶方便快速完成平面施工圖。 4.2　圈梁及構(gòu)造柱節(jié)點(diǎn)大樣圖 　　根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和通用圖集，利用模型中圈梁、構(gòu)造柱、芯柱布置等信息，軟件自動生成全部圈梁及構(gòu)造柱、芯柱的節(jié)點(diǎn)大樣圖，生成圈梁布置簡圖及芯柱的布置圖。 　　圈梁大樣圖可反映其兩側(cè)是現(xiàn)澆或預(yù)制板、內(nèi)墻或外墻、板與梁頂或梁底平齊等各種情況。圈梁的截面有矩形和L形，縱筋和箍筋按構(gòu)造設(shè)置。各類大樣的信息都通過一組參數(shù)來定義描述，用戶可以通過交互修改參數(shù)的方式隨意修改大樣圖。 　　構(gòu)造柱大樣根據(jù)與其相交墻肢的情況自動分類，墻肢可以是正交或斜交，柱內(nèi)配筋及拉結(jié)筋均按構(gòu)造自動確定。柱大樣信息也通過參數(shù)化描述和修改。 　　芯柱大樣反映填孔數(shù)、插筋及拉結(jié)筋的詳細(xì)情況。 　　形成全部大樣信息后，軟件自動進(jìn)行歸并整理，相同的大樣歸到一類。大樣圖的索引符號可在平面圖上自動或交互標(biāo)出。大樣圖的布置也可自動完成，用戶可任意拖動各個(gè)圖塊。 5　若干常見問題討論 　　（1）砌體抗震承載力不足。軟件的應(yīng)用使砌體結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算十分快捷簡便，但隨著新的房屋形式和新的使用要求的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)中經(jīng)常會遇到抗震承載力不足的問題。造成承載力不足的主要原因有： 　?、侔氲叵率医Y(jié)構(gòu)或頂層越層結(jié)構(gòu)，因房屋等效重力荷載增加，設(shè)計(jì)高度增加，使總水平地震力增大。 　　②為滿足外觀、采光及靈活大空間等使用上的要求，墻體數(shù)量減少，開洞率普遍增大，尤其是縱墻，常采用門連窗方式，墻體有效截面面積很小。采用復(fù)合夾心保溫墻后，外墻一般由一磚半減至一磚，削弱了承載力。 　?、墼谟行┣闆r下，當(dāng)墻體的洞口或構(gòu)造柱布置不合理，使墻段內(nèi)剪力分配很不均勻，會出現(xiàn)整片墻體滿足承載力要求，個(gè)別墻段不滿足的現(xiàn)象，要求在設(shè)計(jì)中作適當(dāng)調(diào)整。 　　綜上因素，提高砌體抗震承載力的手段主要有：增加構(gòu)造柱或芯柱的數(shù)量和截面積；洞口設(shè)置應(yīng)盡可能使墻段受力均勻；采用配筋砌體；布置少量鋼筋混凝土剪力墻等等。 　　（2）砌體結(jié)構(gòu)中設(shè)置少量鋼筋混凝土剪力墻?，F(xiàn)行規(guī)范對這類結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算尚未作具體規(guī)定，有關(guān)單位正在對其抗震機(jī)理進(jìn)行研究。計(jì)算的關(guān)鍵是兩種材料墻體間剪力的分配，若完全按彈性考慮，混凝土彈性模量約為砌體的10倍，大量地震剪力將由混凝土墻吸收，顯然與實(shí)際情況有差異。彈性模量比取多少合適，還需要作進(jìn)一步研究。在本軟件中提供一個(gè)混凝土墻彈性模量與砌體彈性模量的比值，由用戶選擇輸入。 　?。?）多層底框的地震作用分析。多層底框上磚房結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多，現(xiàn)行規(guī)范對這類結(jié)構(gòu)的地震分析方法沒有明確規(guī)定。在PKPM軟件中有兩種途徑來分析這類結(jié)構(gòu)，一種是參照規(guī)范對一層底框所作的