次梁在PKPM中不同建模方式的對比分析

次梁在PKPM中不同建模方式的對比分析

摘要：詳細分析了應用PKPM進行結構設計時，次梁按主梁輸和按次梁輸兩種建模方式的導荷方式、結構計算模式的不同之處，以及兩種建模方式對結構周期、構件內力、配筋等所造成的不同影響；分別按兩種建模方式，建立實例模型，對比兩種模型的各項結果，驗證所分析的正確性；為結構設計人員應用PKPM時提供了一個正確的建模方式。
關鍵詞：PKPM建模 次梁輸入 主梁輸入
        0 引言
        設計人員進行框架結構設計時，一般使用PKPMCAD軟件來進行結構計算。進行建模時，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，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，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，比如導荷方式不同、結構計算模型不同等等，同時不同的建模方式，會對結構周期、構件內力計算、構件配筋等都帶來不同的影響。本文詳細分析這兩種不同方式進行次梁建模時所帶來的不同。
        1 兩種方式的模型對比分析
        1.1 導荷方式對比分析 當次梁按主梁輸入時，這時的次梁就相當于主梁，它和主梁一起參與結構的整體計算。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系就由程序自動確定。當次梁按次梁輸入時，這時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，則程序先對次梁做交叉梁系分析，程序確定各次梁間的力的傳遞關系，再傳遞力到主梁上。
        顯然這兩種建模方式所帶來的導荷方式的關鍵不同之處，是導荷的順序不同。第一種是：樓板荷載→主梁、次梁；第二種是：樓板荷載→次梁→主梁。但兩種導荷方式的結構總荷載沒有變化，所以柱的軸壓比基本相同。但是正因為主、次梁的荷載傳遞順序的不同，必然會導致主梁構件內力的不同。
        1.2 結構計算模式對比分析 當次梁按主梁輸入時，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。當用SATWE進行結構空間整體計算時，各層平面的交叉梁系內力計算分析由次梁和主梁一起完成。正因為次梁與主梁的剛性連接，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主梁的影響更大。當程序出錯時，我們可以對這種連接方式進行人工干預，把剛性連接指定為鉸接連接。當次梁按次梁輸入時，程序是按二維連續梁的模型進行計算。計算時，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。其節點只傳遞豎向力，次梁與主梁無彎矩和扭矩傳遞。
        2 兩種方式的計算結果對比分析
        2.1 結構周期比對比分析 根據w=√k/m，T=2π/w可發現，若結構的總體質量保持不變，當結構的整體剛度增大就會導致結構的自振頻率增大，從而導致結構的自振周期減小。而當次梁按主梁輸入時，由于次梁與主梁是剛性連接，參與結構的整體計算，對結構剛度有一定貢獻，必然會使得結構的自振周期減��；同樣，次梁按次梁輸入時，次梁不參與結構整體計算，次梁有單獨的計算模塊，所以這時的結構自振周期比按主梁輸入時的小一些。
        2.2 結構構件內力對比分析 按主梁輸入時，次梁與主梁一起參加結構受力分析與計算，次梁與主梁剛接，導致次梁會傳給主梁扭矩。這樣，由于支座主梁的位移與轉角，次梁內力相對均勻一些。而按次梁輸入時，按二維連續模型計算，支座主梁無豎向位移，次梁鉸接與支座主梁，端跨次梁負彎矩一定為0.0，次梁與主梁無扭矩傳遞，跨中支座兩邊次梁負彎矩相等，將會導致端跨與中跨內力相差較大。
        至于對主梁的內力影響，按次梁輸時，次梁導荷傳給兩邊主梁的荷載值相等；而按主梁輸時，由于次梁參與結構整體計算，中間支座主梁較端主梁將承擔更多的內力。但由于主梁是關鍵的受力構件，總的來說，兩種輸入方式的支座主梁內力相差不會太大，兩種建模方式關鍵的差別只是在局部內力分布上，但這差別也不是很大，總荷載值相等。
        2.3 配筋對比分析 由于兩種輸入方式無論在內力標準值上，還是在內力組合上都有差別，因此在計算結構配筋上必然會有差別。在施工圖設計時，對于按主梁輸的次梁，程序會根據支座判斷規則重新進行主次梁判斷，所以當程序出錯時，我們可以對主次梁的支座連接方式進行人工干預，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，如果不進行人工干預，則程序會按次梁處理。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構受力配筋上會有差別，但由于兩種模式的設計原則及配筋參數是相同的，因此當構造配筋起控制作用時，兩種輸入方式的配筋數量還是相同的。

     3 實例模型
        以三層框架結構的計算模型為例，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。關于梁的幾個參數均設為1.0，其他設計參數均取程序默認值
        對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。分別對不同建模方式的結果進行對比。結果對比發現有以下這些規律：
        3.1 周期對比 對兩種不同建模方式的結構自振周期進行對比，發現按主梁輸入時的自振周期較按次梁輸入時的高如表1所示。這驗證了之前說分析的正確性，正是由于次梁按主梁輸入時，次梁參與整體計算這個原因，導致了其自振周期比按次梁輸入時大。
        3.2 主次梁內力對比 對模型中的一根次梁在恒載作用下的彎矩情況進行分析對比發現（如圖2所示），按主梁輸時，對于本例多跨次梁的同一房間內的次梁內力，中部次梁支座負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，不會相差太大。按次梁輸入時，內力分布與按主梁輸時趨勢基本相同，只是按次梁輸入時較按主梁輸入時變得不均勻，中部次梁內力較端部次梁大；而且在次梁端部，負彎矩必為零。按次梁輸入更突出短跨次梁的作用，短跨次梁將承擔更大的內力。這驗證了之前所分析的正確性。
        對不同建模方式的主梁查看其彎矩圖（如圖3所示）發現，對于端支座主梁，按次梁輸的計算結果稍大于按主梁輸；對于中間支座主梁，按次梁輸的計算結果小于按主梁輸。主要原因正是因為，按次梁輸時，次梁導荷傳給兩邊主梁的荷載值相等；而按主梁輸時，由于次梁參與結構整體計算，中間支座主梁較端主梁將承擔更多的內力，中間支座主梁彎矩大。總的來說，不同建模方式只是在局部稍有不同，但總體上相差不大。
        4 結語
        由上述建模、內力計算、構件內力等方面的對比可發現，對兩種輸入方式在結構自振周期、主梁內力等稍有差別，但差別不大；但兩者在端部次梁的內力上相差較大。通過對兩種建模過程及結果的分析比較可以看出，在結構設計中，次梁宜按主梁輸入，既方便模型的建立及荷載的輸入，同時SATWE有限元計算出來的配筋結果更加接近實際受力情況，建議結構設計人員在采用PKPMCAD軟件進行結構設計時，次梁宜按主梁進行輸入。
參考文獻：
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