浅谈PKPM软件有关连梁的两种建模方式

摘要：高层建筑钢筋混凝土结构的主要抗侧力结构单元是剪力墙，剪力墙由墙肢和连梁两种构件组成。两端与剪力墙墙肢在平面内相连的梁为连梁。PKPM是目前国内广泛用于结构计算的软件，关于连梁的建模主要有两种方式，对于不同的建模方式，程序以不同的计算方法对构件进行计算，从而导致结构的整体指标及内力等计算结果存在差异。

关键词：剪力墙结构;连梁;建模方式;结果比较

目前PKPM关于连梁的建模方式有两种：直接在剪力墙上布置洞口和按框架梁模拟计算。PKPM程序用壳单元模拟由剪力墙开洞形成的墙梁;用杆单元模拟框架梁。模拟方式不同会导致计算结果存在差异。本文以某高层建筑设计为例，标准层结构平面布置如图1所示，已知标准层层高3000mm，共28层，抗震设防烈度为6度。分析讨论连梁在不同建模方式下对结构计算结果的影响。

首先将与墙肢相连的梁全部用框架梁模拟，并在程序中将两端与墙肢在平面内相连的梁定义为连梁。是否定义框架梁为连梁对结构的计算结果有一定影响。以本设计中某连梁为例，PKPM程序将其定义为连梁（连梁刚度折减系数取0.6）时的计算受压、受拉配筋面积为835mm2、776mm2;PKPM程序未将其定义为连梁，仅以框架梁模拟时的计算受压、受拉配筋面积为964mm2、846mm2，差别不明显。而当抗震设防烈度为8度时，相同处连梁在PKPM程序将其定义为连梁（连梁刚度折减系数取0.5）时的计算受压、受拉配筋面积为856mm2、759mm2;PKPM程序未将其定义为连梁，仅以框架梁模拟时的计算受压、受拉配筋面积为1597mm2、1579mm2，差别明显。所以，是否在PKPM程序中对将某些特定框架梁定义为连梁要根据建筑结构所处自然环境、结构形式及平面布置等技术措施而定。

按照延性剪力墙强墙肢弱连梁的要求，在地震作用下，连梁应先于墙肢屈服，形成塑性铰，耗散地震能量，同时弯矩和剪力仍能通过塑性铰继续传递，对墙肢起到一定的约束作用，使剪力墙保持足够的刚度和强度。一般情况下，在结构小震作用下的的抗震计算中，通过降低连梁的刚度来降低连梁的弯矩设计值，从而使连梁先于墙肢屈服。PKPM程序在计算中通过定义连梁刚度折减系数对连梁的刚度进行折减，但是当用框架梁模拟连梁进行计算时，无论是位移还是内力，程序都会按照参数定义中的刚度折减系数进行计算，导致结构刚度偏小，影响计算结果。《建筑抗震设计规范》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”。所以对于用框架梁模拟連梁的计算方法，应分别计算结构的位移和内力。本设计中，抗震设防烈度设为6度，取某连梁在刚度折减（刚度折减系数为0.6）与不折减情况下的计算受拉配筋为1091mm2、1094mm2;抗震设防烈度设为8度时，此连梁在刚度折减（刚度折减系数为0.5）与不折减情况下的计算受拉配筋为1685mm2、1902mm2。符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）中“仅在计算地震作用效应时可以对连梁刚度进行折减，对如重力荷载、风荷载作用效应计算不宜考虑连梁刚度折减”的规定。

《高规》中规定“跨高比小于5的连梁按剪力墙结构设计，跨高比不小于5的连梁宜按框架梁设计”。所以对于之前实例中将连梁全部用框架梁来模拟的方法并没有严格按规范要求执行。而且，即使对连梁刚度进行折减，依然无法满足某些连梁的超筋超限问题。通过PKPM参数定义中“框架连梁按壳单元计算控制跨高比”，用剪力墙开洞的方式模拟连梁，与之前用框架梁模拟连梁的方式进行对比，结果如表1所示。

可见，剪力墙开洞形成墙梁使结构刚度显著提高，结构整体指标有了很大改善，同时解决了之前部分连梁超筋超限的问题。目前实际工程中对于最大层间位移角普遍要求控制在1/1000～1/1100，用剪力墙开洞模拟连梁计算得出的最大层间位移角还有很大余量，从计算结果来看似乎可以通过大量减小剪力墙长度达到更好的技术经济指标。

但是，《高规》中规定“两端与剪力墙在平面内相连的梁为连梁”、“当墙肢的截面高度与厚度之比不大于4时，宜按框架柱进行截面设计”。从计算结果可知，PKPM参数定义中“框架连梁按壳单元计算控制跨高比”是将所有跨高比小于5并与墙肢相连的梁按剪力墙开洞计算。对于某些一端与墙肢在平面内相连，一端与墙肢在平面外相连的梁，程序将其定义为连梁并用剪力墙开洞模拟并不符合规范要求。对于截面高度与厚度之比不大于4的墙肢，在PKPM中是以框架柱建模还是以墙建模尚无规定，与此类构件相连的梁是否可以按照剪力墙开洞也不能确定。所以，仅靠PKPM参数定义中“框架连梁按壳单元计算控制跨高比”为依据设计连梁会导致结构刚度偏大，与实际情况不相符，以此为依据减小墙肢长度也不合理。

综上所述，本设计采用“仅对两端与截面高度和厚度之比大于4的墙肢在平面内相连的梁按剪力墙开洞模拟连梁，其余连梁按框架梁模拟”的方法进行计算，与之前两种计算方法进行对比，结果如表2所示。

可见，对于剪力墙结构，相对于“将与墙肢相连的梁全部以剪力墙开洞方式进行模拟”的计算方法，“仅对两端与截面高度和厚度之比大于4的墙肢在平面内相连的梁按剪力墙开洞模拟连梁，其余连梁按框架梁模拟”的计算方法更符合规范要求，也更接近实际情况。也能有效解决“全部用框架梁模拟连梁”的计算方法产生的结构刚度不足和某些连梁超限超筋的问题。需指出，本文仅对抗震设防烈度为6度的地区的某工程实例进行分析，所得结论仅可对PKPM中关于连梁的建模方式提供参考，对于所处不同地区、不同结构形式及不同平面布置的建筑结构计算还需具体分析。

参考文献：

[1] GB50010—2010混凝土结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB50011—2010建筑抗震设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

作者简介：白杰文（1991—），男，助理工程师，硕士研究生，研究方向：结构设计。

（作者单位：中国联合工程有限公司）