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次梁在PKPM中不同建模方式的對(duì)比分析
摘要：詳細(xì)分析了應(yīng)用PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，次梁按主梁輸和按次梁輸兩種建模方式的導(dǎo)荷方式、結(jié)構(gòu)計(jì)算模式的不同之處，以及兩種建模方式對(duì)結(jié)構(gòu)周期、構(gòu)件內(nèi)力、配筋等所造成的不同影響；分別按兩種建模方式，建立實(shí)例模型，對(duì)比兩種模型的各項(xiàng)結(jié)果，驗(yàn)證所分析的正確性；為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用PKPM時(shí)提供了一個(gè)正確的建模方式。
關(guān)鍵詞：PKPM建模 次梁輸入 主梁輸入
0 引言
設(shè)計(jì)人員進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般使用PKPMCAD軟件來進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。進(jìn)行建模時(shí)，次梁有兩種建模方式輸入，也就是按主梁輸入和按次梁輸入。如果在PMCAD主菜單1中，次梁和其它主梁一起建模時(shí)，稱為“按主梁輸入次梁”；如果在PMCAD主菜單1中按“次梁布置”建模時(shí)，稱為“按次梁輸入次梁”。這兩種不同的建模方式，在程序處理上有很多不同，比如導(dǎo)荷方式不同、結(jié)構(gòu)計(jì)算模型不同等等，同時(shí)不同的建模方式，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)周期、構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算、構(gòu)件配筋等都帶來不同的影響。本文詳細(xì)分析這兩種不同方式進(jìn)行次梁建模時(shí)所帶來的不同。
1 兩種方式的模型對(duì)比分析
1.1 導(dǎo)荷方式對(duì)比分析 當(dāng)次梁按主梁輸入時(shí)，這時(shí)的次梁就相當(dāng)于主梁，它和主梁一起參與結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算。樓板荷載直接傳遞到同邊的主次梁上，不管是否次梁，程序把都整層梁按交叉梁系分析，至于次梁與主梁的傳力關(guān)系就由程序自動(dòng)確定。當(dāng)次梁按次梁輸入時(shí)，這時(shí)的樓板荷載傳遞就有明顯的先后順序，樓板荷載先傳遞到次梁上，然后從次梁傳遞荷載到主梁。如果次梁有相互交叉，則程序先對(duì)次梁做交叉梁系分析，程序確定各次梁間的力的傳遞關(guān)系，再傳遞力到主梁上。
顯然這兩種建模方式所帶來的導(dǎo)荷方式的關(guān)鍵不同之處，是導(dǎo)荷的順序不同。第一種是：樓板荷載→主梁、次梁；第二種是：樓板荷載→次梁→主梁。但兩種導(dǎo)荷方式的結(jié)構(gòu)總荷載沒有變化，所以柱的軸壓比基本相同。但是正因?yàn)橹�、次梁的荷載傳遞順序的不同，必然會(huì)導(dǎo)致主梁構(gòu)件內(nèi)力的不同。
1.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模式對(duì)比分析 當(dāng)次梁按主梁輸入時(shí)，次梁與主梁為剛性連接，次梁不僅僅傳遞豎向力，還傳遞彎矩。當(dāng)用SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間整體計(jì)算時(shí)，各層平面的交叉梁系內(nèi)力計(jì)算分析由次梁和主梁一起完成。正因?yàn)榇瘟号c主梁的剛性連接，使主梁受到影響，特別是端跨處的次梁和主梁之間這種剛性連接對(duì)主梁的影響更大。當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)，我們可以對(duì)這種連接方式進(jìn)行人工干預(yù)，把剛性連接指定為鉸接連接。當(dāng)次梁按次梁輸入時(shí)，程序是按二維連續(xù)梁的模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，次梁將以鉸接形式支承于主梁上，即次梁的兩端部為鉸支。支座主梁無豎向位移。其節(jié)點(diǎn)只傳遞豎向力，次梁與主梁無彎矩和扭矩傳遞。
2 兩種方式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析
2.1 結(jié)構(gòu)周期比對(duì)比分析 根據(jù)w=√k/m，T=2π/w可發(fā)現(xiàn)，若結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量保持不變，當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體剛度增大就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的自振頻率增大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的自振周期減小。而當(dāng)次梁按主梁輸入時(shí)，由于次梁與主梁是剛性連接，參與結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度有一定貢獻(xiàn)，必然會(huì)使得結(jié)構(gòu)的自振周期減小；同樣，次梁按次梁輸入時(shí)，次梁不參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，次梁有單獨(dú)的計(jì)算模塊，所以這時(shí)的結(jié)構(gòu)自振周期比按主梁輸入時(shí)的小一些。
2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比分析 按主梁輸入時(shí)，次梁與主梁一起參加結(jié)構(gòu)受力分析與計(jì)算，次梁與主梁剛接，導(dǎo)致次梁會(huì)傳給主梁扭矩。這樣，由于支座主梁的位移與轉(zhuǎn)角，次梁內(nèi)力相對(duì)均勻一些。而按次梁輸入時(shí)，按二維連續(xù)模型計(jì)算，支座主梁無豎向位移，次梁鉸接與支座主梁，端跨次梁負(fù)彎矩一定為0.0，次梁與主梁無扭矩傳遞，跨中支座兩邊次梁負(fù)彎矩相等，將會(huì)導(dǎo)致端跨與中跨內(nèi)力相差較大。
至于對(duì)主梁的內(nèi)力影響，按次梁輸時(shí)，次梁導(dǎo)荷傳給兩邊主梁的荷載值相等；而按主梁輸時(shí)，由于次梁參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，中間支座主梁較端主梁將承擔(dān)更多的內(nèi)力。但由于主梁是關(guān)鍵的受力構(gòu)件，總的來說，兩種輸入方式的支座主梁內(nèi)力相差不會(huì)太大，兩種建模方式關(guān)鍵的差別只是在局部內(nèi)力分布上，但這差別也不是很大，總荷載值相等。
2.3 配筋對(duì)比分析 由于兩種輸入方式無論在內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值上，還是在內(nèi)力組合上都有差別，因此在計(jì)算結(jié)構(gòu)配筋上必然會(huì)有差別。在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于按主梁輸?shù)拇瘟�，程序�?huì)根據(jù)支座判斷規(guī)則重新進(jìn)行主次梁判斷，所以當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)，我們可以對(duì)主次梁的支座連接方式進(jìn)行人工干預(yù)，把剛性連接指定為鉸接連接，讓程序判斷其為次梁。按次梁輸時(shí)，如果不進(jìn)行人工干預(yù)，則程序會(huì)按次梁處理。無論是按次梁輸入，還是按主梁輸入，兩種建模方式的施工圖雖然在結(jié)構(gòu)受力配筋上會(huì)有差別，但由于兩種模式的設(shè)計(jì)原則及配筋參數(shù)是相同的，因此當(dāng)構(gòu)造配筋起控制作用時(shí)，兩種輸入方式的配筋數(shù)量還是相同的。
3 實(shí)例模型
以三層框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型為例，該模型層高3.3m。梁長跨7.5m，短跨6m，主梁300mm×650mm，次梁250mm×500mm。樓板厚100mm，樓面恒載5.0kN/m2。關(guān)于梁的幾個(gè)參數(shù)均設(shè)為1.0，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均取程序默認(rèn)值
對(duì)該模型的次梁分別采用按主梁輸入和按次梁輸入兩種不同建模方式。分別對(duì)不同建模方式的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)有以下這些規(guī)律：
3.1 周期對(duì)比 對(duì)兩種不同建模方式的結(jié)構(gòu)自振周期進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)按主梁輸入時(shí)的自振周期較按次梁輸入時(shí)的高如表1所示。這驗(yàn)證了之前說分析的正確性，正是由于次梁按主梁輸入時(shí)，次梁參與整體計(jì)算這個(gè)原因，導(dǎo)致了其自振周期比按次梁輸入時(shí)大。
3.2 主次梁內(nèi)力對(duì)比 對(duì)模型中的一根次梁在恒載作用下的彎矩情況進(jìn)行分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)（如圖2所示），按主梁輸時(shí)，對(duì)于本例多跨次梁的同一房間內(nèi)的次梁內(nèi)力，中部次梁支座負(fù)彎矩和跨中彎矩均較端部次梁較大，但跨中彎矩總體上是比較均勻，不會(huì)相差太大。按次梁輸入時(shí)，內(nèi)力分布與按主梁輸時(shí)趨勢(shì)基本相同，只是按次梁輸入時(shí)較按主梁輸入時(shí)變得不均勻，中部次梁內(nèi)力較端部次梁大；而且在次梁端部，負(fù)彎矩必為零。按次梁輸入更突出短跨次梁的作用，短跨次梁將承擔(dān)更大的內(nèi)力。這驗(yàn)證了之前所分析的正確性。
對(duì)不同建模方式的主梁查看其彎矩圖（如圖3所示）發(fā)現(xiàn)，對(duì)于端支座主梁，按次梁輸?shù)挠?jì)算結(jié)果稍大于按主梁輸；對(duì)于中間支座主梁，按次梁輸?shù)挠?jì)算結(jié)果小于按主梁輸。主要原因正是因?yàn)�，按次梁輸時(shí)，次梁導(dǎo)荷傳給兩邊主梁的荷載值相等；而按主梁輸時(shí)，由于次梁參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，中間支座主梁較端主梁將承擔(dān)更多的內(nèi)力，中間支座主梁彎矩大�？偟膩碚f，不同建模方式只是在局部稍有不同，但總體上相差不大。
4 結(jié)語
由上述建模、內(nèi)力計(jì)算、構(gòu)件內(nèi)力等方面的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，對(duì)兩種輸入方式在結(jié)構(gòu)自振周期、主梁內(nèi)力等稍有差別，但差別不大；但兩者在端部次梁的內(nèi)力上相差較大。通過對(duì)兩種建模過程及結(jié)果的分析比較可以看出，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，次梁宜按主梁輸入，既方便模型的建立及荷載的輸入，同時(shí)SATWE有限元計(jì)算出來的配筋結(jié)果更加接近實(shí)際受力情況，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在采用PKPMCAD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，次梁宜按主梁進(jìn)行輸入。
參考文獻(xiàn)：
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