PKPM常见结构设计问题辨析(专题篇上部)

M 值取为负值时或者很大刚度值，地下室顶板在 X,Y 方面向水平位移和Z方向转角进行约束。
3. M值与地震力
结论
A. M>0时，M值与结构的周期有着一些反比关系 B. M值约束了结构的X,Y平动，Z方向的转动
C. M值对结构约束作用可减小楼层地震力 D. 结构设计时合理的设置M值，能够更加准确的分析结 构的内力，减小因为约束不足配筋过大造成的材料浪费， 同时也需避免约束过大造成的不安全因素 E、不设置地下室时，底部楼层地震剪力况与设置地 下室后，但M=0时 的结果较接近
大震 不屈服 部分屈服，满足抗剪截面验算 大部分屈服，满足抗剪截面验算 不屈服 部分屈服，满足抗剪截面验算 大部分屈服，满足抗剪截面验算
2.性能设计
• 程序执行：改地震最大影响系数值及对应的中大震调整 不同的设计方法，具有不同的承载力 • • • • • • 一般而言，承载力由小到大的次序为： 1 现行规范的设计方法 2 中震不屈服（性能水准3，构件抗剪、抗弯不屈服验算） 3 中震弹性（性能水准3，构件抗剪弹性验算） 4 大震不屈服 5 大震弹性
M值的影响因素 ① 基坑开挖方式 ② 地下室外侧土质 ③ 室外地坪上的荷载
地下室侧向约束刚度的计算
地上 部分
程序把地下室侧向约束刚度值按照三角形
土的侧移刚度：Ak=M*H*1000(KN/m/m^2)
0
地下部分
∞
等效侧移刚度：K= A*Ak 式中H为地下室埋深，H为A为土作用面积
地下室侧向约束 刚度分布图
1.跃层柱计算长度系数确定
跃层柱计算长度确定 方法一：SATWE自动计算其跃层柱计算长度系数值 • 在刚性楼板假定的情况下，跃层柱子从下至上计算长度系数 分别为1.0，1.25,1.25，1.25（该结果明显不对）。
1.跃层柱计算长度系数确定
1.跃层柱计算长度系数确定
方法二：构件屈曲分析确定计算长度系数; V2.2版PMSAP软件可以计算各阶屈曲模态，进行Buckling分析 ，计算中选取恒载（D）+活载(L)作为屈曲分析每步加载值，对 整体结构进行线性屈曲分析。 分析步骤如下： 对跃层柱进行线性屈曲分析得到结构的各阶屈曲模态，屈曲临 界荷载系数；然后检查各阶段屈曲模态形状，确定该构件发生 局部屈曲时的临界荷载系数，得到该构件的屈曲临界荷载Ncr； 最后由欧拉临界荷载公式反算该构件的计算长度系数。
2.性能设计
• 小震分析程序：SATWE、PMSAP
• 中震分析程序：SATWE、PMSAP（中震不屈服、中震弹性、大震不屈服 、 大震弹性）
• 大震弹塑性分析程序：EPDA、SAUSAGE
2.性能设计
• PKPM程序实现： • 1、选择中/大震弹性设计时自动实现
2.性能设计
• 2、选择中/大震不屈服设计时自动实现
1.跃层柱计算长度系数确定
1.跃层柱计算长度系数确定
1.跃层柱计算长度系数确定
第八阶屈曲模态图
1.跃层柱计算长度系数确定
1.跃层柱计算长度系数确定
1.跃层柱计算长度系数确定
对Z1底端考虑三种情况柱计算长度系数值修正后，进行双偏压承载力配筋计算
计算长度系数 条件来源 刚性楼板假定 非刚性楼板假 定 屈曲分析 计算长度系数 1.0 3.58 3.78 X向单侧配 筋（cm2） 33 58 59 Y向单侧配筋 （cm2） 33 49 54 X向差异 0% 176% 179% Y向差异 0% 148% 163%
跃层柱特点： • 结构局部楼板开大洞，部分柱子周边没有楼层梁，柱子长度 变长。跃层柱容易发生失稳，在一定条件下需考虑构件挠度 对轴力作用的效应（p-δ 效应），而在分析过程中，正确计算 跃层柱的计算长度系数是关键点。
1.跃层柱计算长度系数确定
规范对混凝土柱计算长度系数条文
楼盖类型 现浇楼盖 装配式楼盖 柱的类别 底层柱 其余各层柱 底层柱 其余各层柱 L0 1.0H 1.25H 1.25H 1.5H
PKPM常见问题汇总 用M/Vh0计算剪跨比
深Baidu Nhomakorabea建研建筑科技有限公司
V2.2版常见问题汇总 (上部结构专题篇）
专题篇
1.跃层柱计算长度系数确定 2.性能设计 3. M值理解 4.剪力滞后问题分析 5.框支框架结构的倾覆力矩 6.连梁超限问题处理 7.位移角问题处理 8.混合周期处理
1.跃层柱计算长度系数确定
扭转周期 0.7395 0.7860 1.0503 0.9556 0.9170 0.7865 0.7860
在M=0的时候，结构的周期是最大的 ,两侧周期都处于衰 减阶段，当M值很大时，周期会收敛于0.9918 s，与M=3时的相同。由此可见，M值对于结构的周期之间存在着 一定程度的反比关系。
M值对地下室位移的约束
模型号 模型一（无地下室） 模型二（M=-3） 模型三（M=0） 模型四（M=3） 模型五（M=6） 模型六（M=10000） 模型七（M=100000）
X向周期 0.9402 0.9918 1.3491 1.1498 1.1096 0.9920 0.9918
Y向周期 0.8849 0.9286 1.2624 1.1115 1.0681 0.9291 0.9287
普通竖向构件
耗能构件 继续使用可能性 计算手段
无损坏（弹性）
无损坏（弹性） 不需继续修理即可继续使用 弹性
2.性能设计
• 以该结构为例的性能C要求设计
小震 腰桁架及相连框架柱 弹性 普通框架柱 弹性 框架梁 弹性 底部加强区剪力墙 弹性 普通剪力墙 弹性 剪力墙连梁 弹性
中震 抗弯不屈服，抗剪弹性 抗弯不屈服，抗剪弹性 部分屈服，满足抗剪截面验算 抗弯不屈服，抗剪弹性 抗弯不屈服，抗剪弹性 部分屈服，满足抗剪截面验算
2.性能设计
3 . SAUSAGE计算罕遇地震结果，下面这个表就是构件损坏程度的对应关系
结构构件 无损坏 轻微损坏 混凝土开裂或 钢材塑性应变 0-0.004 损坏程度 轻度损坏 钢材塑性应变 0.004-0.008 中度损坏 比较严重损坏
梁、柱
完好
剪力墙， 壳单元模拟的 连梁
完好
混凝土开裂或 钢材塑性应变 0-0.004
3. M值与嵌固端关系 • 嵌固端与回填土约束M值的关系
– – – – 嵌固端：设计概念 回填土约束：力学概念（M值） 两者没有任何关联！ 回填土约束总是应如实填写，与嵌固端层号无关！
M值影响结构动力特性
模型为一规则的框架结构，地下3层，地上8层，层高 3.3米。设防烈度7度（0.1g)，设防地震分组为三组， 场地类别为3类，修正后的基本风压为0.9KN/m^2。
注：表中H为底层柱从基础顶面到一层楼盖顶层的高度； 其余各层柱为上下两层楼盖顶层之间的高度。
1.跃层柱计算长度系数确定
目前规范提到的计算长度系数考虑到上下楼盖可以作为柱的有 效侧向支撑情况，当跃层柱一侧或者两侧没有足够的支撑刚度 时，该如何计算它的计算长度系数呢？ 有两种考虑方式： • 一是简化方法，直接取侧向支撑较强的高度作为H考虑，分 别计算柱各段长度系数。
2、性能设计
• 性能A对应：小震、中震、大震性能水准为1、1、2 • 性能B对应：小震、中震、大震性能水准为1、2、3
• 性能C对应：小震、中震、大震性能水准为1、3、4
• 性能D对应：小震、中震、大震性能水准为1、4、5
2.性能设计
• 性能C要求设计
性能水准 关键构件 小震 1 无损坏（弹性） 中震 3 轻微损坏（抗剪弹性， 抗弯不屈服） 轻微损坏（抗剪、抗弯 不屈服） 轻度损坏，部分中度损 坏（抗剪不屈服） 一般修理后继续使用 等效弹性 大震 4 轻度损坏（满足最小截 面要求） 部分构件中度损坏（满 足最小截面要求） 中度损坏，部分构件比 较严重损坏（满足最小 截面要求） 修复或加固后可继续使 用 等效弹性+弹塑性
混凝土楼板
同剪力墙，损伤面积<50%横截面变为损伤面积<50%单跨楼板的宽度
2.性能设计
3 .罕遇地震下SUASAGE构件损伤情况，如下图所示：
某剪力墙对应混凝土损伤状态
2.性能设计
3 .罕遇地震下结构整体指标，如下表所示：
结论： 性能设计 不像我们想象中的那么难。
3. M值理解
M值的概念
M值是基础回填土对结构约束作用 的刚度
• • • • 不同地震力（小震、中震、大震） 不同构件（普通构件、关键构件、耗能构件） 同一构件的不同内力（弯矩、剪力、轴力） 指定不同的性能目标（或性能水准）进行设计，保证结构在地震作用下的 安全性能（承载能力，继续承载的能力）及使用性能
2.性能设计
• 工程案例：
2.性能设计
• 新高规3.11.1条将结构抗震性能目标分为A、 B 、C 、D四个等级，并给 出了各性能目标在各地震（小震、中震、大震）作用下的性能水准要求， 性能水准分为1、2、3、4、5 共5个等级，对应构件破坏程度为为“无 损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”。每个性能目标 均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。
1.跃层柱计算长度系数确定
• 延伸： • Buckling分析除了可以通过失稳模态反推构件计算系数之外 ，还可以确定建筑结构整体稳定性，通过查阅特征值算法得 到屈曲因子来判断结构整体稳定性情况。
稳定特征值大于10，可以认为通过稳定验算 稳定特征值大于20，可以认为无须考虑二阶效应
2.性能设计
• 抗震性能化设计，是一种建立在概念设计基础上的抗震设计 新发展
模型号 X向平动 Y向平动 Z向平动 X向转动(RX) Y向转动(RY) Z向转动(RZ)
模型一(无地下室) 模型二（M=-3） 模型三（M=0） 模型四（M=3）
/ 0 5.62 1.55
/ 0 5.86 1.09
/ 0.12 0.18 0.15
/ 0.04 0.14 0.07
/ 0.04 0.13 0.08
3. M值与嵌固端
F、SATWE参数“嵌固端所在层号” 此处嵌固端不同于结构 的力学嵌固端，不影响结构的力学分析模型，而是与计算调 整相关的一项参数，还是存在水平地震力的变形和内力值的
“M值”参数才是反映真正的力学概念，当M值无限大时， 可以认为在地下室顶板是没有水平位移和绕Z轴转角的。 所以在对比有地下室模型和无地下室模型时的结果时，如果 要想两者内力、配筋结果对应完全一致，只有M值填为负的 地下室层数。否则两者结果还是有些差异。
混凝土受压损 伤<0.1且损坏 宽度<50%横截 面宽度，或钢 材塑性应变 0.004-0.008
钢材塑性应变 钢材塑性应变 0.008-0.012或 >0.012或混凝土 混凝土受压刚度 受压刚度退化 退化<0.1 >0.1 混凝土受压损伤 <0.1且损坏宽度 混凝土受压损伤 >50%横截面宽度， >0.5，或混凝土 混凝土受压损伤 受压损伤0.10.1-0.5且损坏 0.5且损伤宽度 宽度<50%横截面 >50%横截面宽度， 宽度或钢材塑性 或钢材塑性应变 应变0.008>0.012 0.012
1.跃层柱计算长度系数确定
• 二是考虑跃层柱在临界荷载状态下屈曲，由欧拉临界荷载公 式反算该构件的计算长度系数
式中Ncr——临界荷载 E——材料弹性模量 I——截面惯性矩 L——杆件的实际长度
1.跃层柱计算长度系数确定
案例分析：
某8度（0.2g）5层框架结构，首层有两根跃四层柱子（层高分别为6m、5m 、5m、5.5m）,截面为1000mm×1000mm，柱砼强度等级为C40，通过分 层建模（跃层柱分为四段），V2.2版 SATWE及PMSAP软件分析其计算长度 及相应的构件配筋，并了解跃层柱的屈曲模态。
/ 0 0.002 0
模型五（M=6）
模型六（M=10000）
0.96
0
0.65
0
0.14
0.12
0.06
0.04
0.07
0.04
0
0
选择地下室顶板的某个节点作为分析对象，不同 模型的该节点在X或Y方向地震作用下的位移计算结果
M为0时相当于地下室没有侧向约束，地下室顶板在6 个自由度方向上都有位移；
1.跃层柱计算长度系数确定
1、从上表可以看出，根据屈曲分析反算计算长度系数得到的配 筋最大，非刚性楼板假定条件下柱配筋次之。 2、在跃层柱刚性楼板假定条件下，得到的计算长度系数值与非 跃层柱的是一致的（考虑楼板的侧向支撑影响），该种条件下 得到的计算长度系数是失真的，配筋结果很可能偏小。 3、可以采用将跃层柱看做一根柱子，再按照规范方法去确定其 计算长度系数。在有条件或者对构件计算长度系数值没有把握 的情况下，可以采用Buckling分析构件失稳的结果反算其计算 长度系数值。