黃吉鋒 張廷全 肖 麗 肖 川 王雁昆 聶 祺 萬(wàn)福磊
(建研科技股份有限公司設(shè)計(jì)軟件事業(yè)部,北京100013)
2010年以來(lái),主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相繼頒布實(shí)施了新版本。PKPM2010新規(guī)范版結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件采用了全新的研發(fā)模式,對(duì)方案設(shè)計(jì)、研發(fā)、測(cè)試、用戶試用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了全新的策劃和有效實(shí)施,已經(jīng)相繼推出了2011年3月31日版、2011年9月30日版和2012年6月30日版本,經(jīng)過(guò)用戶兩年多的使用,反饋良好。
隨著大型結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的日益增多,計(jì)算規(guī)模增大、計(jì)算效率提高以及精細(xì)化分析的需求不斷被提出,同時(shí)對(duì)軟件使用上的便捷性也提出了更高要求。如果說(shuō)2010版前三個(gè)版本針對(duì)的是規(guī)范的修訂更新,那么V2.1版本重點(diǎn)在于提高軟件的性能。
V2.1版上部結(jié)構(gòu)軟件歷時(shí)半年多的集中開(kāi)發(fā)與測(cè)試于2013年10月正式發(fā)布。V2.1版上部結(jié)構(gòu)軟件的分析能力、效率都有非常大的提升,更貼近設(shè)計(jì)需求,軟件的界面與操作更加友好。
為了便于廣大設(shè)計(jì)人員了解V2.1版的改進(jìn),本文簡(jiǎn)介了SATWE、PMSAP及新推出的包絡(luò)設(shè)計(jì)軟件等上部結(jié)構(gòu)軟件的改進(jìn)要點(diǎn)。
V2.1版的SATWE與PMSAP開(kāi)發(fā)了32位與64位兩個(gè)版本,增加了更為先進(jìn)的并行求解器,除計(jì)算規(guī)模大幅增加之外,計(jì)算效率也有顯著提高。32位版的SATWE求解器采用了獨(dú)立進(jìn)程技術(shù),其計(jì)算規(guī)模較過(guò)去可以擴(kuò)大一倍,計(jì)算規(guī)模對(duì)比可參見(jiàn)表1;64位版本由于內(nèi)存容量不受限制,計(jì)算規(guī)??梢赃_(dá)到千萬(wàn)自由度以上,V2.1新版SATWE和PMSAP,求解規(guī)模和求解效率均有接近一個(gè)數(shù)量級(jí)的大幅度提高,從表2可以看出采用精細(xì)網(wǎng)格并全樓設(shè)置彈性板的超限工程也可以計(jì)算;通過(guò)近千個(gè)工程算例的計(jì)算比較,新求解器的正確性得到驗(yàn)證;PKPM結(jié)構(gòu)軟件正在向“高性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)”的目標(biāo)邁進(jìn)。
圖1 SATWE求解器選擇按鈕
圖2 PMSAP求解器選擇按鈕
表1 新舊求解器規(guī)模對(duì)比
表2 新求解器計(jì)算效率情況統(tǒng)計(jì)
對(duì)PMCAD中新增的空間斜桿類型,可在SATWE和PMSAP中指定相關(guān)的特殊構(gòu)件屬性,如水平轉(zhuǎn)換、抗震等級(jí)、材料強(qiáng)度等,在“自定義構(gòu)件施工次序”和“自定義活荷折減系數(shù)”菜單中也可以對(duì)空間斜桿進(jìn)行相應(yīng)指定,如圖3和圖4所示。
SATWE和PMSAP對(duì)PMCAD輸入的空間斜桿自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,按照普通的支撐桿件進(jìn)行內(nèi)力分析和配筋,輸出結(jié)果與普通支撐完全相同。
根據(jù)高規(guī)5.1.9條規(guī)定:復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)及房屋高度大于150 m的其他高層建筑結(jié)構(gòu),應(yīng)考慮施工過(guò)程的影響。V2.1以前版本提供了模擬施工1~模擬施工3共三種施工模擬算法,其中模擬施工3允許按層指定施工次序,可滿足大多數(shù)工程需求;V2.1版進(jìn)一步增加了指定構(gòu)件級(jí)施工次序的功能,如圖5所示,對(duì)于部分復(fù)雜結(jié)構(gòu),可以更為準(zhǔn)確地進(jìn)行施工模擬計(jì)算。
圖3 “特殊構(gòu)件補(bǔ)充定義”→“空間斜桿”
圖4 “施工次序補(bǔ)充定義”→“空間斜桿”
V2.1以前版本對(duì)于柱、墻可以自動(dòng)搜索上部相連樓層數(shù),并自動(dòng)確定其折減系數(shù),在配筋設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)活荷效應(yīng)進(jìn)行折減;對(duì)于梁則只能在PM中直接對(duì)活荷載進(jìn)行折減;V2.1版在SATWE、PMSAP中增加了對(duì)于梁活荷折減的全局設(shè)置,如圖6和圖7所示,同時(shí)新增了自定義構(gòu)件活荷效應(yīng)折減系數(shù)的功能,用戶可在程序自動(dòng)判斷的默認(rèn)值基礎(chǔ)上進(jìn)行單構(gòu)件指定。
圖5 指定樓層施工次序指定構(gòu)件施工次序
圖6 SATWE指定構(gòu)件折減系數(shù)
圖7 PMSAP指定構(gòu)件折減系數(shù)
如圖8及圖9所示,V2.1增加了鋼板墻和鋼板連梁的計(jì)算和設(shè)計(jì)功能,其屬性可以在“特殊墻”中指定。墻柱和墻梁的鋼板厚度和鋼號(hào)可以獨(dú)立定義。鋼板會(huì)影響墻和連梁的剛度、內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)周期、位移。承載力設(shè)計(jì)階段,鋼板參與正截面和斜截面的承載力計(jì)算以及剪壓比驗(yàn)算。
圖8 SATWE鋼板剪力墻及鋼板連梁定義
圖9 PMSAP鋼板剪力墻及鋼板連梁定義
V2.1版允許用戶按照剪力墻輸入工程中常見(jiàn)的超大梁轉(zhuǎn)換構(gòu)件、箱式轉(zhuǎn)換構(gòu)件、加強(qiáng)層的實(shí)體伸臂和環(huán)帶、懸挑層的實(shí)體伸臂等,這些用來(lái)“模擬水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的剪力墻”,稱其為“轉(zhuǎn)換墻”,用戶可在特殊構(gòu)件補(bǔ)充定義中進(jìn)行指定,如圖10所示。
圖10 指定“轉(zhuǎn)換墻”
PMSAP早期的版本就提供了轉(zhuǎn)換墻分析和設(shè)計(jì)的功能,V2.1版中SATWE對(duì)“轉(zhuǎn)換墻”采用殼體有限元分析,通過(guò)應(yīng)力積分得出梁式內(nèi)力,按照轉(zhuǎn)換梁做內(nèi)力調(diào)整,最終給出梁式配筋。
根據(jù)荷載規(guī)范表8.3.1第31項(xiàng)的規(guī)定,對(duì)于高度超過(guò)45m的矩形截面高層建筑,順風(fēng)向背風(fēng)面的體型系數(shù)與矩形截面兩邊長(zhǎng)的比值相關(guān),因此計(jì)算X,Y向風(fēng)荷載時(shí),體型系數(shù)(迎風(fēng)面與背風(fēng)面體型系數(shù)之和)可能不同。V2.1版SATWE中可對(duì)X、Y方向分別指定體型系數(shù),如圖11所示。
圖11 設(shè)定風(fēng)荷載體型系數(shù)
確定鋼柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)時(shí),首先需判斷鋼框架是有側(cè)移還是無(wú)側(cè)移,在X、Y兩個(gè)方向有可能不同,舊版只能兩個(gè)方向統(tǒng)一指定,V2.1版則可以兩個(gè)方向分別指定,如圖12所示。
圖12 設(shè)定鋼柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)
根據(jù)抗規(guī)6.4.7條,跨高比較小的高連梁,可設(shè)水平縫形成雙連梁、多連梁,V1.3版僅能在以框架梁方式建模的連梁上設(shè)縫,V2.1版增加了在按開(kāi)洞剪力墻方式建模的連梁上設(shè)縫的功能,如圖13所示。
圖13 指定設(shè)縫連梁
SATWE“新增自動(dòng)考慮最不利水平地震作用”功能,程序可將計(jì)算得到的最不利地震作用角度自動(dòng)作為附加地震作用方向,無(wú)須用戶再將該角度值手工回填,如圖14所示。
圖14 設(shè)定自動(dòng)考慮最不利水平地震作用
V2.1以前版本按01版抗規(guī)中的公式計(jì)算剪切剛度,較粗略。V2.1版中執(zhí)行高規(guī)附錄E的公式,計(jì)算結(jié)果更精確,如圖15所示。
圖15 高規(guī)附錄E公式
抗降震低規(guī)范6.1.3-3條規(guī)定:當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí),地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同,地下一層以下抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)可逐層降低一級(jí),但不應(yīng)低于四級(jí)。
新版增加“地下一層以下抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)逐層降低”的參數(shù),可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述有關(guān)構(gòu)造措施抗震等級(jí)的調(diào)整,如圖16所示。
圖16 設(shè)定選項(xiàng)
1)墻與板的網(wǎng)格尺寸分開(kāi)控制
V2.1以前版本當(dāng)樓板采用彈性板或彈性膜分析時(shí),其網(wǎng)格劃分的最大尺寸與墻元相同,通常采用1m。新版中將樓板的網(wǎng)格劃分最大尺寸與墻分開(kāi)控制,可適當(dāng)降低計(jì)算規(guī)模,同時(shí)分析結(jié)果變化不大,如圖17所示。
圖17 墻元與樓板分別指定劃分尺寸
2)增加柱和支撐的臨界角度
V2.1以前版本SATWE內(nèi)定當(dāng)斜桿與Z軸夾角小于等于20度時(shí),按柱處理,大于20度時(shí)按支撐處理。V2.1增加“支撐臨界角”參數(shù),可由用戶根據(jù)工程需要自行指定,如圖18所示。3)指定梁按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)的軸壓比
圖18 設(shè)定支撐默認(rèn)角度
V2.1以前版本對(duì)梁的設(shè)計(jì)不考慮其軸壓力,直接按受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。
V2.1版可由用戶進(jìn)行指定,當(dāng)梁的軸壓力設(shè)計(jì)值超過(guò)用戶指定限值時(shí),自動(dòng)按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算,如圖19所示。
4)可選擇不同規(guī)范確定構(gòu)造邊緣構(gòu)件尺寸
圖19 梁按壓彎構(gòu)件計(jì)算的最小軸壓比
“混凝土規(guī)范”、“抗規(guī)”、“高規(guī)”關(guān)于構(gòu)造邊緣構(gòu)件尺寸的規(guī)定略有不同,V2.1版允許用戶自行選擇確定構(gòu)造邊緣構(gòu)件尺寸的規(guī)范依據(jù),如圖20所示。
圖20 邊緣構(gòu)件尺寸依據(jù)
5)實(shí)配鋼筋超配系數(shù)的分層指定
SATWE通過(guò)實(shí)配鋼筋超配系數(shù)放大計(jì)算配筋以進(jìn)行樓層抗剪承載力的計(jì)算,V2.1版以前只能指定全樓統(tǒng)一的超配系數(shù),V2.1版可分別指定柱、墻超配系數(shù),并可自定義各樓層不同的超配系數(shù),如圖21所示。
圖21 設(shè)定實(shí)配鋼筋超配系數(shù)
特殊構(gòu)件補(bǔ)充定義中,增加了單構(gòu)件指定抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)的功能,對(duì)于梁、柱、撐、墻的均可同時(shí)修改其抗震措施的抗震等級(jí)和抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí),如圖22所示。
圖22 指定單構(gòu)件抗震構(gòu)造措施
V2.1以前版本只能進(jìn)行特殊構(gòu)件的平面定義,V2.1版增加了空間定義的功能,可在平面和空間方式下隨時(shí)進(jìn)行切換,如圖23所示。
圖23 特殊構(gòu)件的空間定義
V2.1以前版本對(duì)于人防層均按人防構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),V2.1版增加了人防構(gòu)件的指定功能,只有指定為人防構(gòu)件才會(huì)按人防規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖24所示。默認(rèn)對(duì)于人防層的構(gòu)件都判斷為人防構(gòu)件。
圖24 指定人防構(gòu)件
SATWE和PMSAP新增加了廣東規(guī)程的設(shè)計(jì)要求,適應(yīng)了廣東地區(qū)的設(shè)計(jì)需要,按照廣東規(guī)程重點(diǎn)進(jìn)行了如下方面的開(kāi)發(fā):
1)增加了扭轉(zhuǎn)不規(guī)則程度分類;
2)按廣東規(guī)程計(jì)算結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度;
3)按廣東規(guī)程考慮偶然偏心;
4)計(jì)算局部結(jié)構(gòu)的水平方向質(zhì)量參與系數(shù);
5)豎向構(gòu)件變形差產(chǎn)生附加彎矩的調(diào)幅;
6)按廣東規(guī)程進(jìn)行性能設(shè)計(jì);
7)按廣東規(guī)程進(jìn)行剪重比調(diào)整;
8)按廣東規(guī)程判斷短肢剪力墻;
9)按廣東規(guī)程進(jìn)行短肢剪力墻的設(shè)計(jì);
10)按廣東規(guī)程控制剪力墻軸壓比;
11)按廣東規(guī)程進(jìn)行約束邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì);
12)按廣東規(guī)程進(jìn)行0.2V0調(diào)整;
13)按廣東規(guī)程控制框筒結(jié)構(gòu)軸壓比;
14)按廣東規(guī)程進(jìn)行框筒結(jié)構(gòu)剪力調(diào)整;
15)按廣東規(guī)程增加巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu);
16)按廣東規(guī)程自動(dòng)提高轉(zhuǎn)換層及相鄰層的抗震等級(jí)。
1)WMASS.OUT中增加輸出橫風(fēng)向風(fēng)振的等效風(fēng)荷載及扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的等效風(fēng)荷載;
2)WZQ.OUT中輸出兩個(gè)方向地震作用下各振型的質(zhì)量參與系數(shù);
3)WMASS.OUT中增加了是否進(jìn)行傳基礎(chǔ)剛度計(jì)算的標(biāo)識(shí);
4)最大限度地清理了分析過(guò)程中生成的占用較大硬盤空間的中間文件,以便拷貝。
V2.1以前版本對(duì)彈性板僅輸出單工況下的位移、應(yīng)力結(jié)果,V2.1版增加了各荷載組合下的位移、應(yīng)力結(jié)果顯示,并在應(yīng)力結(jié)果中增加了剖面線的功能,如圖25-27所示。
圖25 菜單操作
圖26 等位移線
圖27 剖面線
1)鋼-砼混合結(jié)構(gòu)的精細(xì)分析(CCQC)功能
混合結(jié)構(gòu)由兩種阻尼特性不同的材料組成,其抗震分析方法與由單一阻尼特性的材料組成的結(jié)構(gòu)有本質(zhì)不同。采用統(tǒng)一指定的阻尼比分析混合結(jié)構(gòu)具有近似性;
CCQC方法是目前求解非比例阻尼系統(tǒng)的最完善方法,PMSAP中實(shí)現(xiàn)了使用CCQC方法進(jìn)行混合結(jié)構(gòu)的地震分析,能夠完成混合結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確分析與設(shè)計(jì)。
2)具有剛度特性和阻尼特性的隔震減振通用支座分析
工程中各種隔震支座及彈性支座的應(yīng)用日益廣泛,PMSAP提供了能夠適用于各類支座的建模、分析、設(shè)計(jì)功能,滿足工程需求。
3)針對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)及建筑結(jié)構(gòu)的豎向地震反應(yīng)譜分析
大跨空間結(jié)構(gòu)及部分高烈度地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮豎向地震的影響,抗震規(guī)范中的簡(jiǎn)化方法不能真實(shí)反映豎向地震引起的二次共振、豎向錯(cuò)動(dòng)等效應(yīng)。PMSAP提供了完善的豎向地震的振型分解反應(yīng)譜法。
4)針對(duì)梁、柱、墻、板的完善的溫度效應(yīng)分析和設(shè)計(jì)
工程中超長(zhǎng)超大平面結(jié)構(gòu)、復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)日益增多,溫度應(yīng)力分析需求很大。PMSAP提供的溫度分析及相關(guān)設(shè)計(jì)功能計(jì)算問(wèn)題準(zhǔn)確,考慮全面,能夠方便地用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)。
5)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的樓板進(jìn)行整體精細(xì)分析及設(shè)計(jì)
復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的某些樓板或斜板,存在顯著的面內(nèi)應(yīng)力和變形,這些樓板應(yīng)進(jìn)行基于有限元分析的全樓整體設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法可能存在安全隱患。PMSAP提供了各類板的各工況下的分析功能,能夠給出板的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D,并進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。
6)錯(cuò)層墻、山墻、異型斜墻的分析和設(shè)計(jì)
PMSAP按照殼體有限元進(jìn)行變形和應(yīng)力分析,按照剪力墻的要求進(jìn)行地震內(nèi)力調(diào)整、組合內(nèi)力調(diào)整,在邊界和形心各點(diǎn)處進(jìn)行應(yīng)力配筋,取包絡(luò)形成水平分布筋和豎向分布筋,同時(shí)考慮邊緣構(gòu)件的構(gòu)造要求。
7)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定性(BUCKLING)分析
非懸臂柱形式的高層結(jié)構(gòu)及復(fù)雜空間結(jié)構(gòu),不能利用規(guī)范中的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行剛重比計(jì)算,應(yīng)采用BUCKLING分析方法;PMSAP提供了BUCKLING分析功能。
8)全新、完整的結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)
老版本只提供單一功能的性能化設(shè)計(jì)方法,一次計(jì)算僅能計(jì)算一個(gè)全樓統(tǒng)一的性能水準(zhǔn)。V2.1版中可以建立“結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)”列表,定義各個(gè)構(gòu)件的性能目標(biāo),一次性完成全樓的抗震性能設(shè)計(jì)。
PKPM-V2.1版推出全新的多模型包絡(luò)設(shè)計(jì)軟件,可對(duì)多個(gè)模型(不同模型方案或同一模型選擇不同設(shè)計(jì)參數(shù)、不同設(shè)計(jì)軟件)進(jìn)行自動(dòng)分析設(shè)計(jì)并提取配筋包絡(luò)結(jié)果。軟件提供多種自動(dòng)形成多模型的方案,也可由用戶交互指定構(gòu)件配筋采用的計(jì)算模型。
該軟件主要解決以下幾種常見(jiàn)工程設(shè)計(jì)需求:
1)多塔結(jié)構(gòu)包絡(luò)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)整體、分塔多模型的包絡(luò)設(shè)計(jì);
2)多模型包絡(luò)設(shè)計(jì),包括不同參數(shù)、不同模型的包絡(luò)設(shè)計(jì);
3)多軟件包絡(luò)設(shè)計(jì),同一模型,采用SATWE和PMSAP兩個(gè)軟件包絡(luò)設(shè)計(jì);
4)多性能水準(zhǔn)設(shè)計(jì),可能分構(gòu)件、分部位指定性能化目標(biāo),實(shí)現(xiàn)小震分析、中震分析、大震分析的自動(dòng)完成,根據(jù)指定的性能化目標(biāo),分別采用對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果;
5)帶樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),解決帶樓梯、不帶樓梯模型的包絡(luò)設(shè)計(jì)。
V2.1版PKPM主界面中增加“包絡(luò)設(shè)計(jì)”的菜單,如圖28所示。
圖28 包絡(luò)設(shè)計(jì)主界面
包絡(luò)設(shè)計(jì)的基本流程如圖29所示。
圖29 包絡(luò)設(shè)計(jì)軟件使用流程
SLABCAD原求解器為L(zhǎng)DLT求解器,對(duì)于大型樓蓋體系計(jì)算速度較慢。V2.1版增加VSS求解器,計(jì)算速度大大提升,經(jīng)對(duì)比測(cè)試計(jì)算速度提高達(dá)10倍以上。
求解器選擇參數(shù)對(duì)話框如圖30所示,SLABCAD提供了LDLT和VSS兩個(gè)求解器供用戶選擇。
圖30 求解器參數(shù)選擇
算例1,某小型地下車庫(kù),采用無(wú)梁樓蓋體系,如圖31所示。采用LDLT求解器需要求解48s,采用VSS求解器需要求解2s,可見(jiàn),求解速度大大提高。
圖31 算例1軸測(cè)圖
圖32 算例2軸測(cè)圖
算例2如圖32所示,某大型地下車庫(kù),無(wú)梁樓蓋體系,采用 LDLT求解器需要求解91min,采用VSS求解器需要求解7s,求解速度大大提高。
PKPMV2.1版上部結(jié)構(gòu)軟件,引進(jìn)了高性能并行求解器,增加了較多實(shí)用的分析和設(shè)計(jì)功能。大規(guī)模的測(cè)試和試用表明,在保證正確性的前提下,V2.1版顯著提升了結(jié)構(gòu)分析的規(guī)模和效率,更貼近設(shè)計(jì)需求,操作更加便捷友好。結(jié)構(gòu)軟件正在向“高性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)”的目標(biāo)邁進(jìn)。
[1]中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.PKPM 2010新規(guī)范版本設(shè)計(jì)軟件功能特點(diǎn)[M].北京,2013.
[2]中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.SATWE多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件(墻元模型)用戶手冊(cè)[M].北京,2013.
[3]中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.PMSAP復(fù)雜多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件(廣義協(xié)調(diào)墻元模型)用戶手冊(cè)[M].北京,2013.