浅谈PMCAD建模中需注意的问题

摘　要：PMCAD是中国建筑科学研究院开发的PKPM结构设计软件系统的一个重要组成模块，是整个结构CAD的核心，对后处理的结构计算起着至关重要的作用。新版本模型建立更加灵活，参数设置更加开放，所以如何结合规范要求和工程实践的具体情况，正确理解软件的适用范围和技术条件，合理使用建模程序就显得尤为突出。现结合自己的理解谈一些简单的看法和需要注意的问题。

关键词：结构设计；PMCAD软件；规范
　　PKPM软件在工程设计中已被广大设计人员广泛采用，利用计算机软件进行设计，首先一步就是要把实际工程的结构模型转换成结构的计算模型，合理地简化建筑结构模型是结构设计的关键内容，合理的模型选择能够保证结构计算分析和设计的准确性。所以说一些实际结构的模型化处理和合理简化是相当重要的。在建模过程中有些问题必须引起注意，下面结合自己的工程经验和对PMCAD的理解谈一些需要注意的问题。
　　一、楼面次梁的模型输入，方式不同，主要两种方法。一种是在PMCAD主菜单1中按照主梁方式输入，还有一种是在PMCAD主菜单1中按照“次梁布置”输入。两种不同的输入方式会产生不同的计算模型，所以软件在技术条件、程序处理、内力计算分析和施工图设计模块等等问题的考虑上都会有所不同。
　　按照主梁方式输入的次梁，程序认定次梁与主梁为刚性连接，主次梁之间不仅传递弯矩还传递剪力和扭矩，但是按照“次梁布置”输入的次梁，其和主梁的连接方式程序认为是铰接，与主梁支座仅传递竖向力。所以两种输入方式均会对构件本身和与其相连的其它构件在内力方面产生很大的影响，对于多跨的次梁，按照主梁方式输入的次梁产生的内力比较均匀，而按照次梁方式输入的次梁则明显在构件端跨和中间跨的内力会有较大差异，反应为中部的次梁和短跨的次梁将承担更大的内力。
　　按照主梁方式输入的次梁参与水平荷载作用下结构的整体受力作用计算，对结构的刚度有一定的影响，而按照次梁方式输入的次梁不参与结构的整体计算，对整体分析不产生贡献。所以按照主梁方式输入次梁的结构，其周期计算的结果相对按照次梁方式输入次梁的结构周期较小，其次梁内力组合时也考虑了水平荷载产生的影响，而按照次梁输入的次梁则只考虑恒荷载和活荷载的影响。但是按照主梁方式输入的次梁程序默认为是不调幅梁，如需要修改属性，则可以在定义特殊构件菜单中更正。
　　按照主梁方式输入的次梁，程序认为与主梁相同，参与房间的划分，并按照划分后的房间进行荷载的导算。按照次梁方式输入的次梁，不参与房间的划分，所以存在传给主梁的集中力在导荷后计算的结果与按照次梁计算后得到的给主梁的支座反力不相等的情况，特别对于梁的跨度比较大和恒活荷载也比较大及复杂的情况下造成的误差会比较大，这一点在主次的配筋时都应该引起注意。
　　按照主梁方式输入的次梁程序不一定会判定为“次梁”，所以在施工图设计阶段应对于程序自动认定的梁支座型式进行调整，以便更好的与工程实际的构件受力特征相符合。软件根据调整后支座的情况重新计算梁的配筋并更新梁的施工图。而对于按照次梁输入的次梁则不存在支座修改的问题，在此情况下由于端支座为铰接，会使梁跨中挠度较大，所以对于实际工程中次梁挠度和裂缝宽度控制较严格的情况时应该慎用此输入方式，如果一定要采用，应该采取相应措施，保证构件受力的合理。需注意对于按照次梁输入的次梁由于在计算中没有考虑次梁对于主梁的扭矩作用，所以在施工图设计时还要根据情况考虑主梁的抗扭作用，对次梁和主梁的配筋做相应的调整。
　　需特别注意的是由于程序对于次梁的识别是以房间单元考虑，所以对于次梁的端部有悬挑的情况时，如果按照次梁输入房间内的次梁而按照主梁输入悬挑端的次梁，程序会无法识别则造成计算结果的错误，对于这种实际情况，必须按照主梁分别输入房间内和悬挑端的次梁。由于新版程序只能处理与房间周边平行的次梁，对按照次梁方式输入的建模方法有一定的局限性，所以对于正交斜放的交叉梁也应该按照主梁输入的方式输入次梁。
　　根据力学原理我们知道，影响次梁计算的主要因素有：梁的边界条件、主次梁刚度比、跨度数和跨度差的大小。因此在计算模型输入前应根据实际工程布置情况，经过充分分析建立合理的计算模型。
　　二、对于剪力墙连梁的模型输入，程序有两种方式：一种是按照梁的方式输入，一种是按照墙上开洞的方式输入。两种建模的方式也同样会对于结构的计算和配筋产生不同的结果。
　　按照梁输入的连梁，进行结果计算时，程序按照空间杆单元进行计算。按照墙开洞方式输入的连梁程序会认为是“墙梁”，墙梁是剪力墙的一部分，参与剪力墙的墙元划分，与剪力墙一起进行内力计算。按照梁输入的连梁和按照壳元假定计算的剪力墙之间的连接是通过罚单元来处理相接处的变形协调程度的，而按墙开洞输入的墙梁是作为剪力墙的一部分，本身就是变形协调的。两种输入方式最大的不同就是按照梁输入的连梁作为独立的构件，而墙开洞输入的连梁不作为独立的构件，只是与剪力墙作为一个整体，所以由此产生的结构整体计算的周期前者一般大于后者。
　　在楼面荷载的导荷上两者也不同，按照梁输入的连梁，程序默认楼面荷载换算成楼面均布荷载布置在梁和墙上，但是墙开洞方式输入的连梁，楼面荷载则是等值换算成均布荷载作用在剪力墙的墙梁段上。
　　按照梁输入的连梁，程序根据规范和规则判定为 “连梁”和框架梁和不调幅梁，对于跨高比小于4的连梁程序会按照“连梁”配筋设计，而跨高比大于4的连梁程序则按照框架梁来设计。按照剪力墙洞口输入的连梁应注意软件技术条件认定的忽略洞口、修正边墙宽度和无视连梁的洞口截面最小限值要求的规定。所以对于实际工程中连梁高度不大于300mm时，按照技术条件的要求就应该采用梁的方式输入连梁，同样对于墙肢比较长的需要在计算中开设结构洞口的工程，也应该按照结构洞的设置要求设计。
　　对于按照梁输入后被程序判定为“连梁”的构件，程序只对其“连梁刚度折减系数”和“梁设计弯矩放大系数”有效，对于“中梁刚度放大系数”、“梁端负弯矩调幅系数”和“梁扭矩折减系数”均无效。而判定为框架调幅梁的构件则“中梁刚度放大系数”、“梁端负弯矩调幅系数”和“梁扭矩折减系数”均有效。
　 　值得注意的就是按照墙开洞设计的墙梁，软件的配筋程序没有考虑《高规》对剪力墙连梁腰筋的规定，只是按照剪力墙水平分布筋的规定进行截面设计，所以对于后期的图纸应按照规范进行调整。设计中常遇到连梁超筋的问题，这时可以按照《高规》的规定：对抗震设计中的剪力墙的剪力和弯矩进行塑性调幅，但是对于内力计算中已经降低了刚度的连梁，其调幅范围应当限制或者不在继续调幅。如设计人员对于刚度降低后的连梁还需进行调幅则应该将其改为调幅梁或者索性将连梁的刚度多折减一些，同时其他部分的连梁和墙肢的弯矩设计值应相应的提高。
　　需要注意的是新2008版中增加了“剪力墙洞口墙梁自动转为框架梁”的功能，程序对于建模时输入的剪力墙洞口进行自动判定，对于跨高比大于输入值的墙梁自动转换为框架梁，采用墙元进行分析，如果输入零时则不进行转换。该参数的改进对于按照上述讲的两种输入方式的统一起到了一定的方便作用，可以在工程实际中直接按照剪力墙洞口输入，但是由于程序对于上下层洞口不对齐、墙厚变化等特殊情况不进行转换，只对规则对齐的洞口自动判定，所以笔者建议在对复杂结构建立模型时应认真考虑以上情况对后期分析计算产生的不便影响。
　　三、对于截面高度比截面宽度的值在3-5的结构构件是按照剪力墙输还是按照柱输的问题，也一直是设计人员感到困扰的问题。按照不同的方式输入对于计算模型、内力分析和配筋均会产生很大的影响。规范规定为当构件截面的长边大于其短边的4倍时，应按墙的要求进行设计，即按照墙的模型进行输入。但通过一些实验数据理论分析表明：截面高宽比3-5之间的构件按照墙输入时，其在竖向和水平方向荷载作用下截面的弯矩、剪力和轴力均小于按照柱输入时的情况，所以笔者建议对于截面长边小于等于短边5倍大于3倍的构件应按照柱子来输入，这样内力计算上会留有一定的安全储备，同时在构件进行后期配筋设计时还应按照异形柱的抗震构造措施进行加强和复核。但是也有资料证明，根据与ANSYS程序的对比分析来看，截面高度比截面宽度的值在3-5的结构构件按照墙输入时，其构件内力分析结构与ANSYS结果很接近，所以笔者认为如设计人员按照墙的方式输入也未为不可，但是应注意采取与剪力墙设计相一致的设计原则、参数设定、抗震等级及构造加强措施等。
　　四、对于框支剪力墙结构的框支梁在建模时，上部剪力墙的单元划分应按照剪力墙厚度的1.5-2倍进行，因为划分太宽则使计算结果与实际情况的受力偏离过大，太窄则使模型失真，产生畸变。以上单元划分的考虑只是对于柱上托墙的情况适用，对于梁上托墙的情况上部剪力墙单元的划分对于计算结果不会产生过大的偏差。另外除了对剪力墙的单元划分做出要求外，还应该在分析计算时加大托墙梁（这里指的托墙梁特指转换梁与剪力墙“墙柱”部分直接相接、共同工作的部分，不同于规范的转换梁）的刚度，一般刚度放大系数采用100左右，当然为了设计有一定的裕度，也可以对该值设置小些，这样做的目的可以降低框支梁在框支柱处的支座负弯矩，增大上部墙体的内力，保证转换梁和上部墙体的变形协调性。
　　五、楼板的刚度直接影响着结构和构件的计算结果。SATWE对于楼板的处理采用了四种不同的假定：1，假定楼板整体平面内无限刚；2，假定楼板分块平面内无限刚；3，假定楼板分块平面内无限刚，并带有弹性连接板带；4假定楼板为弹性板（又分为弹性楼板6、弹性楼板3和弹性膜三种）。可以根据工程的实际情况采用不同的假定也可以在同一工程中针对不同的楼层采用不同的假定。对于弹性楼板6是解决板柱和板柱剪力墙结构的计算问题的，对于板柱结构由于分析软件考虑了楼板弹性变形的功能，所以只需在建模时在等带梁的位置输入100X100的虚梁即可。由于按照弹性楼板6计算的结果会使梁的配筋偏小，所以不适用于梁板结构的计算。弹性板3是用厚板弯曲单元进行计算所以适用于计算厚板转换结构的厚板分析，厚板转换层结构的模型输入也需要和板柱结构一样布置虚梁，但应该注意厚板转换结构在厚板上下两层的层高的输入，即是将厚板的板厚均分给与其相临两层的层高，上下层高均为本层的净高加上厚板的一半。弹性膜它的原理决定了它比较适用一般的结构计算。
　　六、上部模型的建立应该与地下室部分一同完成，特别是高层建筑和超高层建筑建议考虑上部结构和下部结构的耦合作用，一起计算，因为耦合的结果使上部结构的周期、位移比和位移角、下部结构的加速度等控制性参数均会有相应不同程度的增加。另外对于基础埋置较深时基础连系梁是否应该在模型中建立的问题，笔者建议应按照一起输入共同计算的模型。但是按照增加一层输入计算模型，会造成连系梁受力计算比实际情况偏大，结构底层柱的计算长度系数与规范规定不相符合，所以这时应视回填土对地下一层的约束情况，合理调整底层柱的计算长度系数并判定基础连系梁是按照框架梁设计还是按照连续梁设计更加合理，同时相应调整程序中设置的支座和配筋参数，并考虑一层顶板无楼板的弹性节点设置和总刚分析方法的采用，完善模型建立时产生的不足，达到与实际受力情况更加吻合的目的。
　　七、新版的PMCAD程序为了适应下联多塔、上联多塔等复杂结构的建模，引入了子结构拼装的广义层建模方式。在广义层概念下，楼层不再限于从下到上的顺序组装，而可以在不同塔号之间任意跳跃组装，所以这种楼层管理方式使涉及到对于“风荷载计算”、“高位转换层的刚度比”、“上下层的刚度比”、“上下层承载力比”、“上下层的层间位移和位移比”、“0.2Q的楼层剪力调整”、“框支柱的调整”、“剪力墙加强区的高度计算”、“柱墙活荷载折减系数”的改动时工作量均比较大，程序修改和计算繁琐。所以对于能够采用非广义层方式建立模型的工程还是优先采用非广义层建模，这样能达到事半功倍的效果，提高模型输入和后期分析计算的效率。　　
　　总之，设计人员应注意不同的计算模型、不同的输入方式对应不同的设计原理、设计规则和设计参数，对于施工图模块的运用和设计阶段也会产生不同的影响。每种计算模型均有不同的适用范围、应用条件，设计人员应在详细了解软件的基础上，根据工程的实际特点、设计的具体情况及需要达到的设计目的选择合理的计算模型和相关参数，做出安全、可靠的精品工程。　　
　　参考文献：
　　[1] 陈岱林 结构平面CAD软件PMCAD（08版）用户手册及技术条件    中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部  2008.5
　　[2] GB50009-2001, 建筑结构荷载规范
　　[3] GB50010-2002, 混凝土结构设计规范
　　[4] GB50011-2001, 建筑抗震设计规范
　　[5] JGJ3-2002，J186-2002,  高层建筑混凝土结构技术规程