摘要：目前对于多层别墅建筑，采用带有少量短肢剪力墙的异形柱框架结构，既可以保证结构的刚度、位移，又可以使室内空间方正合理，避免卧室阳角，提高视觉感和居住品质且能节约造价。本文作者仅根据自身设计的一个别墅小区的实际经历，浅谈下PKPM在这种结构中的应用及注意事项。
关键词：房屋结构设计；建筑结构设计；PKPM应用
1、引言
目前，随着人民生活越来越富足，对居住也提出更高要求，别墅产品也随之应运而生。一般别墅产品为多层住宅，采用砌体结构，由于开动率等原因造型受限；采用框架结构，卧室有柱角；采用剪力墙结构，造价大幅增加；异形框架柱结构能满足建筑功能品质，但计算指标难通过。唯有采用短肢剪力墙和异形柱结合，既能满足建筑功能品质，又能节省造价。短肢剪力墙的受力、变形特征，类似于框剪结构，它比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别也比框剪结构小，传给基础的荷载更均匀、合理。它的结构布置方式灵活，墙肢可长可短，一般均采用空间有限元分析软件SATWE计算。
本文根据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010（2016 年版）（以下简称《抗规》）和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称《高规》）中的相关规定，对在PKPM中如何实现短肢剪力墙的输入及其计算结果进行分析。
2、短肢剪力墙的布置
根据《高规》7.1.1条要求短肢剪力墙布置应遵循以下原则：
（1）将一般剪力墙布置在建筑四角处，短肢剪力墙应双向均匀对称布置，尽量避免单向有墙的布置形式。
（2）短肢剪力墙的数量应适中，布置不宜太密，应满足结构所需的竖向承载力及抗侧力要求。
（3）短肢剪力墙平面布置应尽量对齐，竖向布置应上下连续，避免刚度突变。
3、在PKPM中应注意的问题（以PKPM2010 V4.3版为例）
（1）剪力墙在PMCAD中的输入一般来说，我们建议：若剪力墙洞口比较大，即洞口形成的高跨比不小于5时，洞口之间部分以弯曲变形为主，则应在洞口两端各增加节点按连梁方式输入；若剪力墙洞口不大，即洞口形成的高跨比小于5时，洞口之间部分以剪切变形为主，则应按剪力墙开洞方式输入。
（2）《高规》将短肢剪力墙定义为墙肢高度与厚度之比为4～8的、截面厚度不大于300mm的剪力墙，同时，《高规》7.1.7条规定对墙肢高度与厚度之比不大于4的墙，应按柱的要求进行设计；对墙肢高度与厚度之比为4～5的墙，应按异形柱的要求进行设计；对墙肢高度与厚度之比大于8的墙，应按普通剪力墙的要求进行设计。
（3）在SATWE前处理中，对于“结构体系”是应设定为“异型柱框剪结构”，一般应需要进行一遍计算后查看SATWE后处理中的“框架柱倾覆弯矩及0.2Q0调整系数”（WV02Q.OUT）中的短肢墙部分承担的地震倾覆力矩，必须控制不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%，若大于50%须适当布置些长墙、减少短肢墙或增大异性柱截面将其调至50%以内（笔者认为短肢墙部分承担的地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的比例控制在30%~50%之间较为合理）。
在构件属性补充定义菜单中短肢剪力墙后，程序自动将其中的短肢剪力墙，抗震等级提高一级，用提高后的抗震等级进行短肢剪力墙墙肢的轴压比控制和剪力设计值放大。
（4）如果是带有地下室的短肢剪力墙的结构，其地下室部分默认为底部加强区，上部结构底部加强区按《抗规》第6.1.3条和6.1.10条确定，根据第6.4.5条第2条的规定设置约束边缘构件或者根据第6.4.5第1条的规定设置构造边缘构件。
4、工程实例
云锦2#楼别墅，建筑面积1834.55 m2，其中地上建筑面积1443.37 m2，地下建筑面积375.82 m2，单层地下室，地上3层+电梯机房，房屋总高度10.2m。本工程建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，剪力墙抗震等级为三级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，场地土类别为Ⅲ类，地面粗糙度类别为B类，基本风压值取0.40KN/m2。
短肢剪力墙平面布置图
5、计算结果分析
（1）剪重比的控制
剪重比是反映地震作用大小的重要指标，它可以由“有效质量系数”来控制，当“有效质量系数”大于90%时，可以认为地震作用满足规范要求，此时，再考察结构的剪重比是否合适，否则应修改结构布置、增加结构刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求。有效质量系数与振型个数有关，如果有效质量系数不满足90%，则可以通过增加振型数来满足。
本工程平面及竖向均比较规则，在SATWE中设计时选取了15个振型进行计算，在WZQ.OUT结果文件中查看X、Y向有效质量系数及楼层最小剪重比如下：
X 方向的有效质量系数： 97.41% X向楼层剪重比：4.60%> 1.60%
Y 方向的有效质量系数： 96.85% Y向楼层剪重比：4.76%> 1.60%
两个方向有效质量系数均超过90%，说明计算振型数够了。两个方向的楼层最小剪重比均满足《抗震规范》第5.2.5条要求的楼层最小剪重比1.60%。
（2）周期比的控制
验算周期比的目的，主要是为了控制结构在罕遇大震下的扭转效应，其目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。所以一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。
本工程WZQ.OUT文件中自振周期结果如下：
地震作用最大的方向 = 1.225（度）（仅取前3个振型分析）
当平动系数大于0.5时，该振型为以平动为主的振型。反之，当扭转系数大于0.5时，该振型为以转动为主的振型。
从上面结果中可以查得，结构以扭转为主的第一自振周期T3＝0.3051s，以平动为主的第一自振周期T1＝0.4625s，T3/T1＝0.66＜0.9，多层可无须满足小于0.9。
（3）位移比的控制
位移比的大小反映了结构的扭转效应。计算位移比时，如果楼层中产生“弹性节点”，应选择“强制刚性楼板假定”。
在SATWE后处理中查看本工程结构位移文件WDISP.OUT，结果如下：
a）最大值层间位移角
X方向最大值层间位移角： 1/1247
Y方向最大值层间位移角： 1/3183
满足《抗规》5.5.1条最大值层间位移角≤1/1000的规定。
b）最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值
X方向最大位移与层平均位移的比值：1.08
X方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.12
Y方向最大位移与层平均位移的比值：1.11
Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.17
（4）倾覆力矩比的控制
按《高规》7.1.8条规定，抗震设计的短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。
本工程底部短肢墙地震倾覆弯矩百分比如下
很明显，本工程短肢墙倾覆承受的底部地震倾覆弯矩与总底部地震倾覆弯矩的比值满足30%~50%（查看第2层，第1层为地下室）。
6、总结语
本文主要以短肢剪力墙+异形柱的别墅项目为例，深入浅出的介绍了PKPM如何实现其建模、参数设置、计算结果的合理分析判断。希望此文起抛砖引玉之作用，对广大设计人员今后碰到类似项目能起到引导作用。
参考文献：
[1]叶倩. 异形柱结构与短肢剪力墙结构设计探讨[S]. 设计技术，16710959—（2007）04-0020-03.
[2]胡应德. 短肢剪力墙结构图体系在多层住宅中的探讨[Z]. 山西建筑，1009-6825（2007）30-0117-02
论文作者:柏乃军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：位移论文; 结构论文; 剪力墙论文; 系数论文; 力矩论文; 比值论文; 方向论文; 《基层建设》2019年第15期论文;