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次梁在PKPM中不同建模方式的对比分析

发布时间:2015-04-18 作者:管理员 来源:中城网架钢结构设计公司

   摘要:详细分析了应用PKPM进行结构设计时,次梁按主梁输和按次梁输两种建模方式的导荷方式、结构计算模式的不同之处,以及两种建模方式对结构周期、构件内力、配筋等所造成的不同影响;分别按两种建模方式,建立实例模型,对比两种模型的各项结果,验证所分析的正确性;为结构设计人员应用PKPM时提供了一个正确的建模方式。

  关键词:PKPM建模 次梁输入 主梁输入
  0 引言
  设计人员进行框架结构设计时,一般使用PKPMCAD软件来进行结构计算。进行建模时,次梁有两种建模方式输入,也就是按主梁输入和按次梁输入。如果在PMCAD主菜单1中,次梁和其它主梁一起建模时,称为“按主梁输入次梁”;如果在PMCAD主菜单1中按“次梁布置”建模时,称为“按次梁输入次梁”。这两种不同的建模方式,在程序处理上有很多不同,比如导荷方式不同、结构计算模型不同等等,同时不同的建模方式,会对结构周期、构件内力计算、构件配筋等都带来不同的影响。本文详细分析这两种不同方式进行次梁建模时所带来的不同。
  1 两种方式的模型对比分析
  1.1 导荷方式对比分析 当次梁按主梁输入时,这时的次梁就相当于主梁,它和主梁一起参与结构的整体计算。楼板荷载直接传递到同边的主次梁上,不管是否次梁,程序把都整层梁按交叉梁系分析,至于次梁与主梁的传力关系就由程序自动确定。当次梁按次梁输入时,这时的楼板荷载传递就有明显的先后顺序,楼板荷载先传递到次梁上,然后从次梁传递荷载到主梁。如果次梁有相互交叉,则程序先对次梁做交叉梁系分析,程序确定各次梁间的力的传递关系,再传递力到主梁上。
  显然这两种建模方式所带来的导荷方式的关键不同之处,是导荷的顺序不同。第一种是:楼板荷载→主梁、次梁;第二种是:楼板荷载→次梁→主梁。但两种导荷方式的结构总荷载没有变化,所以柱的轴压比基本相同。但是正因为主、次梁的荷载传递顺序的不同,必然会导致主梁构件内力的不同。
  1.2 结构计算模式对比分析 当次梁按主梁输入时,次梁与主梁为刚性连接,次梁不仅仅传递竖向力,还传递弯矩。当用SATWE进行结构空间整体计算时,各层平面的交叉梁系内力计算分析由次梁和主梁一起完成。正因为次梁与主梁的刚性连接,使主梁受到影响,特别是端跨处的次梁和主梁之间这种刚性连接对主梁的影响更大。当程序出错时,我们可以对这种连接方式进行人工干预,把刚性连接指定为铰接连接。当次梁按次梁输入时,程序是按二维连续梁的模型进行计算。计算时,次梁将以铰接形式支承于主梁上,即次梁的两端部为铰支。支座主梁无竖向位移。其节点只传递竖向力,次梁与主梁无弯矩和扭矩传递。
  2 两种方式的计算结果对比分析
  2.1 结构周期比对比分析 根据w=√k/m,T=2π/w可发现,若结构的总体质量保持不变,当结构的整体刚度增大就会导致结构的自振频率增大,从而导致结构的自振周期减小。而当次梁按主梁输入时,由于次梁与主梁是刚性连接,参与结构的整体计算,对结构刚度有一定贡献,必然会使得结构的自振周期减小;同样,次梁按次梁输入时,次梁不参与结构整体计算,次梁有单独的计算模块,所以这时的结构自振周期比按主梁输入时的小一些。
  2.2 结构构件内力对比分析 按主梁输入时,次梁与主梁一起参加结构受力分析与计算,次梁与主梁刚接,导致次梁会传给主梁扭矩。这样,由于支座主梁的位移与转角,次梁内力相对均匀一些。而按次梁输入时,按二维连续模型计算,支座主梁无竖向位移,次梁铰接与支座主梁,端跨次梁负弯矩一定为0.0,次梁与主梁无扭矩传递,跨中支座两边次梁负弯矩相等,将会导致端跨与中跨内力相差较大。
  至于对主梁的内力影响,按次梁输时,次梁导荷传给两边主梁的荷载值相等;而按主梁输时,由于次梁参与结构整体计算,中间支座主梁较端主梁将承担更多的内力。但由于主梁是关键的受力构件,总的来说,两种输入方式的支座主梁内力相差不会太大,两种建模方式关键的差别只是在局部内力分布上,但这差别也不是很大,总荷载值相等。
  2.3 配筋对比分析 由于两种输入方式无论在内力标准值上,还是在内力组合上都有差别,因此在计算结构配筋上必然会有差别。在施工图设计时,对于按主梁输的次梁,程序会根据支座判断规则重新进行主次梁判断,所以当程序出错时,我们可以对主次梁的支座连接方式进行人工干预,把刚性连接指定为铰接连接,让程序判断其为次梁。按次梁输时,如果不进行人工干预,则程序会按次梁处理。无论是按次梁输入,还是按主梁输入,两种建模方式的施工图虽然在结构受力配筋上会有差别,但由于两种模式的设计原则及配筋参数是相同的,因此当构造配筋起控制作用时,两种输入方式的配筋数量还是相同的。
  3 实例模型
  以三层框架结构的计算模型为例,该模型层高3.3m。梁长跨7.5m,短跨6m,主梁300mm×650mm,次梁250mm×500mm。楼板厚100mm,楼面恒载5.0kN/m2。关于梁的几个参数均设为1.0,其他设计参数均取程序默认值
  对该模型的次梁分别采用按主梁输入和按次梁输入两种不同建模方式。分别对不同建模方式的结果进行对比。结果对比发现有以下这些规律:
  3.1 周期对比 对两种不同建模方式的结构自振周期进行对比,发现按主梁输入时的自振周期较按次梁输入时的高如表1所示。这验证了之前说分析的正确性,正是由于次梁按主梁输入时,次梁参与整体计算这个原因,导致了其自振周期比按次梁输入时大。
  3.2 主次梁内力对比 对模型中的一根次梁在恒载作用下的弯矩情况进行分析对比发现(如图2所示),按主梁输时,对于本例多跨次梁的同一房间内的次梁内力,中部次梁支座负弯矩和跨中弯矩均较端部次梁较大,但跨中弯矩总体上是比较均匀,不会相差太大。按次梁输入时,内力分布与按主梁输时趋势基本相同,只是按次梁输入时较按主梁输入时变得不均匀,中部次梁内力较端部次梁大;而且在次梁端部,负弯矩必为零。按次梁输入更突出短跨次梁的作用,短跨次梁将承担更大的内力。这验证了之前所分析的正确性。
  对不同建模方式的主梁查看其弯矩图(如图3所示)发现,对于端支座主梁,按次梁输的计算结果稍大于按主梁输;对于中间支座主梁,按次梁输的计算结果小于按主梁输。主要原因正是因为,按次梁输时,次梁导荷传给两边主梁的荷载值相等;而按主梁输时,由于次梁参与结构整体计算,中间支座主梁较端主梁将承担更多的内力,中间支座主梁弯矩大。总的来说,不同建模方式只是在局部稍有不同,但总体上相差不大。
  4 结语
  由上述建模、内力计算、构件内力等方面的对比可发现,对两种输入方式在结构自振周期、主梁内力等稍有差别,但差别不大;但两者在端部次梁的内力上相差较大。通过对两种建模过程及结果的分析比较可以看出,在结构设计中,次梁宜按主梁输入,既方便模型的建立及荷载的输入,同时SATWE有限元计算出来的配筋结果更加接近实际受力情况,建议结构设计人员在采用PKPMCAD软件进行结构设计时,次梁宜按主梁进行输入。
  参考文献:
  [1]李磊.PKPM中次梁不同建模方式的对比[J].山西建筑.2009.35(18).73~74.
  [2]高宗娟.关于次梁在PKPM中两种不同定义方法的比较分析[J].硫磷设计与粉体工程.2006.(5).48~49.
  [3]周丽玲.PKPM系列软件及其在结构设计中几个问题的研究[D].北京.北京科技大学硕士学位论文.2004.
  [4]中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部.PKPM系列结构设计软件2005版本改进说明[M].2005.

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