PKPM系列CAD软件中砌体结构的辅助设计

　摘　要　介绍了PKPM系列中砌体结构CAD软件的关键技术及主要功能和特点，并讨论了工程应用中若干常见的问题。该软件采用图形交互快速建立结构模型；自动导算荷载并生成设计所需的结构信息；可完成砌体及底框结构抗震计算及静力计算；绘制混凝土梁、柱、板及结构平面施工图及砌体圈梁、构造柱和芯柱大样图；完成阳台、雨篷、墙梁及挑梁等混凝土构件的计算和绘图。
　　关键词　砌体结构　CAD软件

Computer Aided Design Software for Masonry or Concrete Masonry
Structures in PKPM CAD System

Jin Xinyang　Chen Dailin　Huang Lixin　Gu Weiping
(Institute of Building Structures, China Academy of Building Research)

　　Abstract　This paper introduces the CAD software for masonry or concrete masonry structure, which is a part of PKPM CAD system. By means of graphic interactive input, a model of masonry or concrete masonry structure can be built up efficiently. Structure analysis for anti-earthquake and vertical loads can be carried out. The working drawings of structure plan and the details of beam, column and balcony can be drawn out automatically. Some common questions occurred in structural design are discussed。
　　Keywords　masonry structure; CAD software

1　概　述

　　砌体结构辅助设计是PKPM系列CAD软件中研制开发最早且应用最广泛的功能之一。据调查，用户中采用PKPM软件设计砌体结构工程的, 约占30％。
　　该软件的主要功能及特点有：
　　(1) 利用图形交互输入快速高效建立砌体结构模型。自动导算荷载并生成荷载信息，自动生成抗震计算及结构设计所需的结构信息。
　　(2) 自动完成砌体结构及底框上砖房结构抗震承载力验算及墙体静力计算，完成底框结构分析和施工图设计。
　　(3) 计算现浇板的内力及配筋，完成板配筋图及结构平面图。自动生成并绘制砌体圈梁、构造柱及芯柱节点大样图。
　　(4) 完成砌体结构中挑梁、墙梁及阳台、雨篷、挑檐等构件的计算及绘图。
　　(5) 将上部结构平面布置及导算的荷载自动传给基础，完成条基、独基、弹性地基梁及桩基的设计及施工图。
　　上述功能形成了一个砌体结构辅助设计的完整系统(见图1)。

图1　PKPM系列软件砌体结构辅助设计过程图

2　砌体结构抗震验算及受压计算

2.1　主要依据及技术条件
　　砌体结构抗震验算所依据的主要规范有：
　　GBJ 11-89《建筑抗震设计规范》；
　　GBJ 3-88《砌体结构设计规范》；
　　JGJ/T 13－94《设置钢筋混凝土构造柱多层砖房抗震技术规程》等。
　　主要技术条件有：
　　(1) 按底部剪力法计算结构的总水平地震力和各楼层的地震力F_i，其中地震影响系数α取α_max，不考虑顶部附加地震作用。
　　第 i 层地震剪力V_i 按式（1）计算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　n为楼层总层数。
　　(2) 按楼面刚度特性将各层的地震剪力分配至各片墙上，有以下三种情况：
　　● 对现浇或装配整体式刚性楼盖，按墙体的抗侧力刚度分配：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

式中　k_ij――第i 层第 j 片墙的抗侧力刚度，按下述情况计算：
　　　当高宽比ρ＝h/b≤1.0 时，
　　　
　　　当1.0＜ρ≤4.0时，
　　　
　　　当ρ＞4.0时，k_ij＝0
　　● 对开洞率很大或木楼盖等柔性楼盖，按墙体承受的重力荷载分配：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

式中　G_ij――第 i 层第 j 片墙体承受的重力荷载。
　　● 对钢筋混凝土装配式刚柔性楼盖，按刚度和重力荷载分配：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

　　 ( 3 ) 砌体结构抗震承载力验算，包括墙体抗震承载力验算及布置芯柱的混凝土小型砌块墙体抗震承载力验算。
　　● 墙体抗震承载力，按式（5）验算：

　　　　　　　　　　　　　　γ_EhV_ij≤（f_vEA+0.15f_yA_s）／γRE　　　　　　　　　　(5)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)

式中　γ_Eh――地震作用分项系数，取1.3；
　　　γ_RE――承载力抗震调整系数，对自承重墙取0.75，当设置适当构造柱时取0.9，其他情况取1.0；
　　　A_s、f_y――配筋砌体层间竖向截面中，总的钢筋截面面积及强度；
　　　f_v、f_vE――分别为砌体抗剪强度和抗震抗剪强度；
　　　ξ――矩形截面剪应力不均匀系数，取1.2；
　　　σ₀――砌体在重力荷载代表值作用下的平均压应力；
　　　A――砌体截面面积。
　　当考虑构造柱共同作用时，砌体截面面积由式（7）确定：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)

式中　A_n、A_c――分别为砌体净截面积和验算墙体中构造柱总截面面积；
　　　E_c、E――分别为构造柱钢筋混凝土及砌体的弹性模量；
　　　η_c――构造柱参与系数，取0.26～0.3。
　　● 布置芯柱的混凝土小型砌块墙体抗震承载力，按式（8）验算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)

式中　A_c、f_c――分别为芯柱总截面积和芯柱混凝土强度等级；
　　　A_s、f_y――分别为芯柱插筋截面积及强度等级；
　　　ζ_c――芯柱影响系数，按填空率取0～1.15。
2.2　砌体抗震及受压承载力自动验算
　　首先由PMCAD软件主菜单A、1 和2 建立砌体结构全楼模型，包括楼层数及层高、地震信息、墙体、洞口、预制楼板等的布置。然后由PMCAD主菜单3 和C 完成荷载输入、导算及校核。
　　在此基础上，软件将自动生成每层中各片墙体以及墙段的信息，包括该墙承受的地震剪力及恒活荷载作用下的轴力，水平截面面积，构造柱的数量及截面面积等。然后按式(5)验算整片墙体和各墙段的抗震承载力。
　　验算结果以墙体的抗力与荷载效应之比值给出，将结果直接标注在平面图的每片墙和每个墙段上。当墙体不满足抗震承载力要求时(比值小于1.0)，软件会在屏幕上用红色提示，并计算出墙体水平配筋的面积，供用户参考。在结果图中还给出本层重力荷载代表值、水平地震力、地震剪力、砂浆强度等的信息。
　　自动生成各墙体的受压构件截面特征并导算其荷载，计算它们的受压承载力。
　　除抗震验算结果图外，软件还可根据用户需要给出各层墙体的轴力图、地震剪力图等，供用户做更细致的设计。