大跨度楼盖、屋盖的建模方法及关键点介绍

文章作者：许圣洁

来源：PKPM构力科技

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Jonathan Percy 

1  .概述

网架本身具有：重量轻、刚度大、抗震性能好、空间大等自身的优势，所以越来越受到大家的青睐。大跨度楼盖和屋盖的应用也越来越普遍，也越来越多的出现在大家的视线中，比如：加油站、门厅、大型展厅，都喜欢采用这种混搭结构形式。但是大部分设计师，对于这种结构如何建模及进行整体计算非常困惑，本篇文章将详细讲解，如何在结构设计软件PKPM中快速完成这类结构的建模及相关参数的设置。

2  .网架独立计算的缺点和整体计算的必要性

大家对于这种结构，有一些很简化的处理方法。一般都是先对网架单独进行计算分析，然后把支座力以集中力的形式，加到下部主体结构中，以此来考虑网架荷载对下部结构的影响。另外，因为网架的面内刚度很大，所以设计师一般采用一些近似的方法，模拟网架刚度对主体结构的影响，比如：用虚梁、用等代梁、用刚性杆件、用刚性楼板模拟等。但这些模拟方法都是不准确的，因为不管用什么方法模拟，都没有真实的把上部网架建到模型中，更无法实现上部网架和下部主体结构的整体计算分析，尤其是网架单独分析与整体分析在动力特性上的差异。所以这些简化处理方法，都无法真实反映出网架的刚度、没有反映出网架真实的变形及振动、无法准确考虑竖向地震的影响、无法考虑上下部的相互作用，以及大屋盖结构和下部结构的整体效应。简言之，这些近似的处理方法都是不准确的，网架与下部结构整体计算是十分必要的。

3  .相关的规范条文

规范中对于该类结构的规定很多，下面列出其中几处，供大家参考：

《建筑抗震设计规范》10.2.7中提到：

屋盖结构抗震分析的计算模型，应符合下列要求：

1、应合理确定计算模型，屋盖与主要支承部位的连接假定应与构造相符。

2、计算模型应计入屋盖结构与下部结构的协同作用。

《建筑抗震设计规范》10.2.7条文说明：屋盖结构自身的地震效应是与下部结构协同工作的结果。由于下部结构的竖向刚度一般较大，以往在屋盖结构的竖向地震作用计算时通常习惯于仅单独以屋盖结构作为分析模型。但研究表明，不考虑屋盖结构与下部结构的协同工作，会对屋盖结构的地震作用，特别是水平地震作用计算产生显著影响，甚至得出错误结果。即便在竖向地震作用计算时，当下部结构给屋盖提供的竖向刚度较弱或分布不均匀时，仅按屋盖结构模型所计算的结果也会产生较大的误差。因此，考虑上下部结构的协同作用是屋盖结构地震作用计算的基本原则。

考虑上下部结构协同工作的最合理方法是按整体结构模型进行地震作用计算。因此对于不规则的结构，抗震计算应采用整体结构模型。当下部结构比较规则时，也可以采用一些简化方法(如等效为支座弹性约束)来计入下部结构的影响。但是，这种简化必须依据可靠且符合动力学原理。

透过以上内容，可以非常清晰的看到，对于这种结构结构进行整体分析的必要性。

4  .应用PKPM整体建模方法

为了实现这种结构形式的快速建模，V3以后的版本，利用PMSAP核心的集成设计，即图1。

图1

因为该产品线是PM和Spas的结合，对于下部的标准层依然可以在PM中正常建模，只有上部的空间网架需要采用Spas的建模方式。

具体的操作流程如下：

1、新建工程目录，并且在左侧选择第二条产品线：PMSAP核心的集成设计。然后直接进入【结构建模】模块中；

2、此时会进入PMCAD建模界面，设计师可以在该界面下，建立下部主体结构模型，如图2所示；

图2

3、建完下部主体结构后，开始建立空间网架；进到空间层有两条路径：路径一，点击：【基本丨工具】>【空间建模】菜单，程序即可自动进入空间建模模块，如图3所示；

图3

路径二，点击【添加新标准层】>【空间标准层】，也可以进入空间层建模功能，如图4所示：

图4

4、进入空间层功能后，程序会弹出图5的对话框。

图5

设计师可以根据工程需要，选择显示部分楼层，或者显示全部楼层（对于楼层比较多的工程，可以选择显示部分楼层，使得后续操作更方便）；

5、创建上部网架模型。对于上部网架，程序支持：自己创建或者外部导入两种方式；

方法一，围区网架：如果是非常规则的网架，可以使用程序提供的【围区网架】功能，如图6所示。

图6

具体操作步骤如下：

a）选择【围区网架】命令；

b）沿逆时针依次选择节点，直至形成封闭围区，然后右键确定。

c）选择与网架网格平行的两点，会弹出图7所示的对话框。

设置相应的参数后，即可形成图8所示的网架；最后按照实际截面进行构件布置即可。

图8

方法二，外部导入：

a）先用pmsap打开已经建好的网架，点击图9中的【设基点】命令，再点击网架中的某一点。这样，下次导入该网架时，就会以刚刚设置的点左右对位基点；

图9

b）【PMSAP核心的集成设计】打开已经建好的下部结构，然后进入空间标准层；

c）点击【导入子结构】，然后根据定位基点，把网架拼到下部结构中即可，如图10所示。

图10

6、对下部主体结构和上部空间网架层，进行组装：

1）点击【返回】键，回到PM建模界面，如图11所示；

图11

2）点击：【楼层组装】>【空间层组装】，会弹出图12所示的空间层组装对话框；

图12

3）根据实际工程情况，选择“空间标准层号”，以及对应的“标准层号”，本实例的空间层以及标准层号都是1；

4）设置好对应关系后，点击“添加”即可完成空间层的组装。拼装后的完整模型，如图13所示：

图13

 

5  .几个关键点说明 

如果设计师看的仔细的话，会发现刚才导入的网架中，有一根竖向的短线；其实这根短线是用来模拟支座的。因为网架和下部结构之间需要通过支座连接，所以这里通过一根短柱来模拟支座。

下面说一下支座的建模，以及支座和下部结构的连接如何模拟；

1）支座的模拟：

模拟支座的小短柱，可以按照实际支座的高度建模即可（一般是300-600mm之间）；支座的截面宽度，可以定在300-400mm左右。

如果把支座层单独建成一个标准层，并且与下部结构一起组装的话，因为该层柱子太短，刚度较大，为了规避掉这个问题，建议设计师把该短柱层，直接建到上部网架层中；本例题即是采用的这种建模方法。

2）支座层与下部结构的连接形式：

根据实际工程情况不同，网架与下部结构的连接形式，也可能有所不同，比如：滑动、铰接等。

设计师可以根据自己的工程情况，在程序中设置相应的参数，即可达到不同的约束效果，如图14所示;

图14

图14中，K11、K22、K33，表示三个方向的平动约束刚度；Kθ1、Kθ2、Kθ3，表示三个方向的转动约束刚度；如果按照上图的约束刚度填写，即是常见的铰接形式。

因为每个节点有三个平动、三个转动六个自由度，设计师可以根据自己的工程情况，进行约束刚度的填写，进而可以达到不同的约束情况。

另外：对于一般不会产生附加阻尼的支座，图14中的阻尼系数填零即可.

约束形式定义好后，即可布置到模型中，如图15所示：

图15

到此，上部网架和下部主体结构已经完整拼接到一起；设置好相应的计算参数后，就可以对结构进行整体计算和分析了。

6  .小结

本文较为详细的介绍了底部结构与顶层网架这种常见结构形式的建模方法、参数设置等，希望会对设计师能够有所帮助。

参考文献

[1] JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.