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【摘要】文章通过对PKPM结构设计软件中部分概念的解释，提高解决设计问题的能力，以概念为本，结合规范，对结构安全性、经济性进行更合理分析设计。
【关键词】结构设计; 框架柱; 框架梁; 承载力
【中国分类号】G642.0【文献标志码】A
经营与管理
〖FQ（4*1。82mm，YX-W〗
〖HJ158mm〗
[定稿日期]2020-12-10
[作者简介]郭培成（1978～），男，硕士，副教授，主要从事土木工程专业的教学与研究工作。
从20世纪90年代开始，计算机辅助设计软件与结构设计软件不断出现，为建筑设计提供了更加便捷的工具和方式。尤其是PKPM软件，在近三十年的发展过程中，不断在技术方面、操作方面完善，能够满足绝大多数建筑结构设计的要求，例如框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构等。
1 PKPM功能介绍
PKPM主要有基本模型建立、SATWE参数设置、SATWE计算、结果查看。在设计过程中的基本具体流程或顺序（部分可以调整先后顺序），节点形成、构件选择与布置、楼板厚度定义、楼板错层定义、梁上线荷载或集中力定义布置、楼板恒与活荷载布置、楼层高度组装、SATWE参数设置（特数梁、特殊柱、多塔、地震信息、设计信息等完善）、结果查看（位移角、位移比、轴压比、刚度比、配筋信息等），针对结果进行模型修改，直到结果信息的各项指标满足规范规定的要求。为了适应本科生教学，设计过程中的参数均以框架结构为例。为了更有效地掌握该软件，要不断进行操作命令的巩固学习，这样有利于熟悉菜单;课后积极查阅专业课本，如《高层建筑结构设计》、《混凝土设计原理全册》、《抗震设计》、《基础工程》等课程，掌握了基本的专业课程后，然后再去熟悉相应的规范;看懂建筑施工图、结构施工图、101图集，对后期进行绘图、计算分析均有很大帮助。
2 部分结构参数的分析
2.1 特殊梁的处理
特殊梁：调幅梁、非调幅梁、连梁、框支梁、一端铰接、两端铰接等。按照受力特征有框架梁（KL）与非框架梁（L），主梁与次梁。框架梁是指一端或两端与框架柱刚性连接，非框架梁是指两端与其它梁连接。梁与梁连接，支撑的梁称为主梁，被主梁支撑的梁称为次梁，次梁根据支撑条件分为一级次梁、二级次梁、三级次梁等，非框架的作用分隔楼板的大小、支撑其上部填充墙传下来的线荷载。在PKPM设计过程中，主梁仅一侧或两侧有次梁时，次梁端部宜按铰接处理，次梁底弯矩增大，底筋纵向钢筋面积增大，在竖向重力荷载下次梁偏安全，同时也减少了次梁传给主梁的平面外扭矩。铰接处理时，应保证主梁的宽度满足钢筋水平锚固的构造要求。框架梁是框架结构的一部分，参与整体受力分析;非框架梁仅仅承受竖向荷载，不参与抗震抗风。框架梁抗震措施对应的抗震等级划分为一级、二级、三级、四级，非框架梁不需要进行划分抗震等级。对于混凝土连续梁中间支座不建议点铰接，点铰接仅仅用于端支座。
2.2 特殊柱的处理
特殊柱包括上端铰接、下端铰接、角柱等，一般在設计中，主要用来定义和判断角柱。角柱的含义是指框架柱（KZ）与两根框架梁相连接，且框架梁相互近似垂直，产生两个近似垂直方向的不平衡弯矩，类似于双向偏心受压构件。特别强调角柱不一定是角部的框架柱。框架柱根据位置和受力特征分为角柱、边柱、中柱，类型不同延性不同，导致构造措施不相同。若未处理角柱，程序会按照普通框架柱进行计算，会导致该柱受力分析结果与实际受力有较大差异。
2.3 框架梁、框架柱截面尺寸的确定
JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》以下简称《高规》6.3.1，框架梁截面高度取柱距或跨度的1/10-1/18（称为系数，该系数不是固定值，随条件改变而改变）左右，但应满足相应的强度、刚度、延性、耗能要求，一般在具体计算分析过程中，取1/10-1/12左右。其高度与设防烈度、结构高度、建筑物抗震设防分类、层高、跨数、填充墙材料性质等有关。在实际工程中，四周外部框架梁截面高度取系数1/10左右，同时还应结合立面要求。一般内部框架梁由于两边有楼板，受扭较小，因此其截面高度较相同的四周外部框架梁会小一些，取系数1/12左右。框架柱除了满足最小截面构造要求外，还要结合设防烈度、结构高度、建筑物抗震设防分类、层高、层数、柱距等分析决定。
2.4 框架梁箍筋确定
框架梁箍筋考虑以下几方面因素：首先由SATWE内力计算分析得出数据，称为计算值;其次结合梁箍筋构造要求，参见《高规》6.3.2条第4、表6.3.2-2、6.4.6、6.3.5来确定箍筋最小直径、箍筋加密区最大肢距、最小配箍率（ρsv≥（A）ftfyv）验算，A代表系数，取值0.24、0.26、0.28、0.30，由抗震等级决定;最后结合梁纵向钢筋的面积。由以上信息来综合确定箍筋的直径、肢数。
2.5 框架柱箍筋确定
框架柱箍筋考虑几方面：首先由SATWE内力计算分析得出数据，称为计算值;其次结合柱箍筋构造要求，参见《高规》6.4.3条第2、6.4.6、6.4.8、6.4.7来确定箍筋最小直径、箍筋加密区最大肢距、最小体积配箍比（ρv≥λvfcfyv）验算，λv代表最小配箍率特征值，与轴压比、抗震等级、箍筋形式有关，具体参见《高规》表6.4.7;最后结合柱纵向钢筋的面积与相应截面方向的根数。以上综合确定箍筋的直径、肢数。
2.6 框架梁与非框架梁出现抗剪、抗弯不足如何解决
框架梁与非框架梁的受弯过大与其截面尺寸和内力分配有关，一般解决的方案加大截面高度，尤其非框架梁按照这样处理效果明显改善，但是框架梁如果跨高比比较大，加大截面效果不明显的原因是因为梁的截面越大分配到的内力增加越多，这时建议减小截面高度。在进行抗剪分析时，框架梁与非框架梁基本可以加大梁截面宽度或混凝土标号，梁截面高度一般不加大，因为梁的刚度与截面高度的平方成正比，会导致其分配到的内力急剧增加。 2.7 框架柱出现轴压比过大、纵筋配筋率过高如何解决
轴压比是指组合的轴压力设计值与柱全截面面积与混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值（μ=NfcA），减小轴压比的措施可以采用增加柱截面宽度和高度，也可以提高混凝土强度等级，降低轴压比可以有效提高其延性。若框架柱配筋率过大，说明该柱受弯矩较大，截面抗弯能力较小，一般采用增大柱截面尺寸，从而降低配筋率，也有利于钢筋的布置。柱配筋率参见《高规》6.4.3第1条，一般情况下，框架柱配筋率控制在1 %～1.5 %之间，过大则说明柱截面偏小，受力效果不理想。
2.8 梁柱活荷载折减探讨
根据规范规定，柱轴压比计算采用考虑地震作用下组合的轴力设计值，地震作用组合中的活荷载代表值组合系数取值0.5～0.8左右，该系数考虑了各层活载的出现概率。由于规范修正，V3、V4版本在柱轴压比考虑活荷载折减，但V5版本柱轴压比计算时活荷载不进行折减。
2.9 如何控制框架结构合理的位移比、位移角、周期比
规范对结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值进行了规定限制，一般情况下，高层建筑结构规定该比值不应大于0.9，其比值越小，扭转作用就越小。周期比与位移比都是控制结构平面扭转不规则的。位移比计算时，我们通常会选择整体指标，考虑刚性楼板。
2.10 侧向刚度不规则、楼层受剪承载力突变怎么解决
侧向刚度不规则是指本层侧向刚度小于上一层的70 %或上部连续三层平均值的80 %，一般处理方式，加大本层构件截面尺寸或降低上部若干层构件截面尺寸，加大或减小过程要结合相邻层的信息综合分析。楼层受剪承载力突是指本层小于上一层的80 %，处理的方法加大本层截面或减小上一层截面尺寸。
2.11 斜截面受剪承载力与楼层受剪承载力的含义
楼层受剪承载力按照GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》3.5.3条或《抗规》3.4.3条规定，在水平地震作用下，该层全部框架柱、剪力墙、斜撑的受剪承载力之和（框架柱受剪承载力根据柱两端实配的受弯承载力按照两端同时屈服反算，剪力墙受剪承载力可根据实配钢筋按照抗剪设计公式计算）。斜截面受剪承载力通常指梁柱进行剪力验算采用的计算公式，与截面尺寸、混凝土标号等有关。例如地震区跨高比大于2.5的框架梁，其斜截面受剪承载力为
2.12 模型中楼层高度如何考虑
PKPM模型中各层层高均指结构层高，与建筑层高含义不同。结构模型一层结构高度是指基础顶部到二层楼面的垂直距离，由三部分组成，基础顶部到室外地面（查地质勘察报告确定）、室内外高差（由建筑立面图或剖面图提供）、一、二层建筑楼层高差。在这部分一定注意结构高度并非建筑高度，含义完全不一样。
2.13 对于跃层柱，如何建模
将跃层柱打断，分别建立在各层，称为模型1;将跃层构件建立在上层，通过降低柱底高度的方式建模，称为模型2。以上两种建模方式均较常用，程序对于两个模型在周期、振型、构件内力计算上基本一致。但对其它指标及配筋，程序处理上存在差异。
模型1统计2层位移指标时，会将2层所有节点都统计在内，包括二层范围内的跃层柱。模型2统计2层位移指标时，虽然2层内存在3层降低柱底标高的跃层柱，但此躍层柱是在3层建立的，此构件归属于3层，2层在统计位移指标时，不会将此跃层柱中间节点的位移统计在内。因此导致两模型2层位移指标有差异，包括位移比、位移角的统计。
3 结束语
（1）熟悉PKPM各种命令的含义与操作流程，为以后从事设计工作打下基础;将所学专业知识与相应的规范结合起来，有深度地理解规范，尤其强制性条文。
（2）结合PKPM的计算结算结果，对出现的各种问题结合专业知识，用有效的方法去解决各种不合理的设计问题，使结构设计的各项指标符合要求，做到安全、经济、适用。
（3）对于设计参数，不要机械式的记忆，学会根据不同情况选择不同的定义。结构设计过程中，通过不断地分析、解决问题，积累自己的判断能力和解决问题的能力。
参考文献
[1] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[2] 卿科.剪力墙数量与空间位置对框架剪力墙结构抗震性能影响的研究[D].长沙：湖南大学，2007： 15-18.
[3] GB 50011-2010 （2016年版） 建筑抗震设计规范[S].
[4] GB 5009-2006 （2016年版） 建筑结构荷载规范[S].
[5] 张宇鑫， 刘海成， 张星源. PKPM结构设计应用[M]. 2版.上海：同济大学出版社，2010.
【关键词】结构设计; 框架柱; 框架梁; 承载力
【中国分类号】G642.0【文献标志码】A
经营与管理
〖FQ（4*1。82mm，YX-W〗
〖HJ158mm〗
[定稿日期]2020-12-10
[作者简介]郭培成（1978～），男，硕士，副教授，主要从事土木工程专业的教学与研究工作。
从20世纪90年代开始，计算机辅助设计软件与结构设计软件不断出现，为建筑设计提供了更加便捷的工具和方式。尤其是PKPM软件，在近三十年的发展过程中，不断在技术方面、操作方面完善，能够满足绝大多数建筑结构设计的要求，例如框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构等。
1 PKPM功能介绍
PKPM主要有基本模型建立、SATWE参数设置、SATWE计算、结果查看。在设计过程中的基本具体流程或顺序（部分可以调整先后顺序），节点形成、构件选择与布置、楼板厚度定义、楼板错层定义、梁上线荷载或集中力定义布置、楼板恒与活荷载布置、楼层高度组装、SATWE参数设置（特数梁、特殊柱、多塔、地震信息、设计信息等完善）、结果查看（位移角、位移比、轴压比、刚度比、配筋信息等），针对结果进行模型修改，直到结果信息的各项指标满足规范规定的要求。为了适应本科生教学，设计过程中的参数均以框架结构为例。为了更有效地掌握该软件，要不断进行操作命令的巩固学习，这样有利于熟悉菜单;课后积极查阅专业课本，如《高层建筑结构设计》、《混凝土设计原理全册》、《抗震设计》、《基础工程》等课程，掌握了基本的专业课程后，然后再去熟悉相应的规范;看懂建筑施工图、结构施工图、101图集，对后期进行绘图、计算分析均有很大帮助。
2 部分结构参数的分析
2.1 特殊梁的处理
特殊梁：调幅梁、非调幅梁、连梁、框支梁、一端铰接、两端铰接等。按照受力特征有框架梁（KL）与非框架梁（L），主梁与次梁。框架梁是指一端或两端与框架柱刚性连接，非框架梁是指两端与其它梁连接。梁与梁连接，支撑的梁称为主梁，被主梁支撑的梁称为次梁，次梁根据支撑条件分为一级次梁、二级次梁、三级次梁等，非框架的作用分隔楼板的大小、支撑其上部填充墙传下来的线荷载。在PKPM设计过程中，主梁仅一侧或两侧有次梁时，次梁端部宜按铰接处理，次梁底弯矩增大，底筋纵向钢筋面积增大，在竖向重力荷载下次梁偏安全，同时也减少了次梁传给主梁的平面外扭矩。铰接处理时，应保证主梁的宽度满足钢筋水平锚固的构造要求。框架梁是框架结构的一部分，参与整体受力分析;非框架梁仅仅承受竖向荷载，不参与抗震抗风。框架梁抗震措施对应的抗震等级划分为一级、二级、三级、四级，非框架梁不需要进行划分抗震等级。对于混凝土连续梁中间支座不建议点铰接，点铰接仅仅用于端支座。
2.2 特殊柱的处理
特殊柱包括上端铰接、下端铰接、角柱等，一般在設计中，主要用来定义和判断角柱。角柱的含义是指框架柱（KZ）与两根框架梁相连接，且框架梁相互近似垂直，产生两个近似垂直方向的不平衡弯矩，类似于双向偏心受压构件。特别强调角柱不一定是角部的框架柱。框架柱根据位置和受力特征分为角柱、边柱、中柱，类型不同延性不同，导致构造措施不相同。若未处理角柱，程序会按照普通框架柱进行计算，会导致该柱受力分析结果与实际受力有较大差异。
2.3 框架梁、框架柱截面尺寸的确定
JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》以下简称《高规》6.3.1，框架梁截面高度取柱距或跨度的1/10-1/18（称为系数，该系数不是固定值，随条件改变而改变）左右，但应满足相应的强度、刚度、延性、耗能要求，一般在具体计算分析过程中，取1/10-1/12左右。其高度与设防烈度、结构高度、建筑物抗震设防分类、层高、跨数、填充墙材料性质等有关。在实际工程中，四周外部框架梁截面高度取系数1/10左右，同时还应结合立面要求。一般内部框架梁由于两边有楼板，受扭较小，因此其截面高度较相同的四周外部框架梁会小一些，取系数1/12左右。框架柱除了满足最小截面构造要求外，还要结合设防烈度、结构高度、建筑物抗震设防分类、层高、层数、柱距等分析决定。
2.4 框架梁箍筋确定
框架梁箍筋考虑以下几方面因素：首先由SATWE内力计算分析得出数据，称为计算值;其次结合梁箍筋构造要求，参见《高规》6.3.2条第4、表6.3.2-2、6.4.6、6.3.5来确定箍筋最小直径、箍筋加密区最大肢距、最小配箍率（ρsv≥（A）ftfyv）验算，A代表系数，取值0.24、0.26、0.28、0.30，由抗震等级决定;最后结合梁纵向钢筋的面积。由以上信息来综合确定箍筋的直径、肢数。
2.5 框架柱箍筋确定
框架柱箍筋考虑几方面：首先由SATWE内力计算分析得出数据，称为计算值;其次结合柱箍筋构造要求，参见《高规》6.4.3条第2、6.4.6、6.4.8、6.4.7来确定箍筋最小直径、箍筋加密区最大肢距、最小体积配箍比（ρv≥λvfcfyv）验算，λv代表最小配箍率特征值，与轴压比、抗震等级、箍筋形式有关，具体参见《高规》表6.4.7;最后结合柱纵向钢筋的面积与相应截面方向的根数。以上综合确定箍筋的直径、肢数。
2.6 框架梁与非框架梁出现抗剪、抗弯不足如何解决
框架梁与非框架梁的受弯过大与其截面尺寸和内力分配有关，一般解决的方案加大截面高度，尤其非框架梁按照这样处理效果明显改善，但是框架梁如果跨高比比较大，加大截面效果不明显的原因是因为梁的截面越大分配到的内力增加越多，这时建议减小截面高度。在进行抗剪分析时，框架梁与非框架梁基本可以加大梁截面宽度或混凝土标号，梁截面高度一般不加大，因为梁的刚度与截面高度的平方成正比，会导致其分配到的内力急剧增加。 2.7 框架柱出现轴压比过大、纵筋配筋率过高如何解决
轴压比是指组合的轴压力设计值与柱全截面面积与混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值（μ=NfcA），减小轴压比的措施可以采用增加柱截面宽度和高度，也可以提高混凝土强度等级，降低轴压比可以有效提高其延性。若框架柱配筋率过大，说明该柱受弯矩较大，截面抗弯能力较小，一般采用增大柱截面尺寸，从而降低配筋率，也有利于钢筋的布置。柱配筋率参见《高规》6.4.3第1条，一般情况下，框架柱配筋率控制在1 %～1.5 %之间，过大则说明柱截面偏小，受力效果不理想。
2.8 梁柱活荷载折减探讨
根据规范规定，柱轴压比计算采用考虑地震作用下组合的轴力设计值，地震作用组合中的活荷载代表值组合系数取值0.5～0.8左右，该系数考虑了各层活载的出现概率。由于规范修正，V3、V4版本在柱轴压比考虑活荷载折减，但V5版本柱轴压比计算时活荷载不进行折减。
2.9 如何控制框架结构合理的位移比、位移角、周期比
规范对结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值进行了规定限制，一般情况下，高层建筑结构规定该比值不应大于0.9，其比值越小，扭转作用就越小。周期比与位移比都是控制结构平面扭转不规则的。位移比计算时，我们通常会选择整体指标，考虑刚性楼板。
2.10 侧向刚度不规则、楼层受剪承载力突变怎么解决
侧向刚度不规则是指本层侧向刚度小于上一层的70 %或上部连续三层平均值的80 %，一般处理方式，加大本层构件截面尺寸或降低上部若干层构件截面尺寸，加大或减小过程要结合相邻层的信息综合分析。楼层受剪承载力突是指本层小于上一层的80 %，处理的方法加大本层截面或减小上一层截面尺寸。
2.11 斜截面受剪承载力与楼层受剪承载力的含义
楼层受剪承载力按照GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》3.5.3条或《抗规》3.4.3条规定，在水平地震作用下，该层全部框架柱、剪力墙、斜撑的受剪承载力之和（框架柱受剪承载力根据柱两端实配的受弯承载力按照两端同时屈服反算，剪力墙受剪承载力可根据实配钢筋按照抗剪设计公式计算）。斜截面受剪承载力通常指梁柱进行剪力验算采用的计算公式，与截面尺寸、混凝土标号等有关。例如地震区跨高比大于2.5的框架梁，其斜截面受剪承载力为
2.12 模型中楼层高度如何考虑
PKPM模型中各层层高均指结构层高，与建筑层高含义不同。结构模型一层结构高度是指基础顶部到二层楼面的垂直距离，由三部分组成，基础顶部到室外地面（查地质勘察报告确定）、室内外高差（由建筑立面图或剖面图提供）、一、二层建筑楼层高差。在这部分一定注意结构高度并非建筑高度，含义完全不一样。
2.13 对于跃层柱，如何建模
将跃层柱打断，分别建立在各层，称为模型1;将跃层构件建立在上层，通过降低柱底高度的方式建模，称为模型2。以上两种建模方式均较常用，程序对于两个模型在周期、振型、构件内力计算上基本一致。但对其它指标及配筋，程序处理上存在差异。
模型1统计2层位移指标时，会将2层所有节点都统计在内，包括二层范围内的跃层柱。模型2统计2层位移指标时，虽然2层内存在3层降低柱底标高的跃层柱，但此躍层柱是在3层建立的，此构件归属于3层，2层在统计位移指标时，不会将此跃层柱中间节点的位移统计在内。因此导致两模型2层位移指标有差异，包括位移比、位移角的统计。
3 结束语
（1）熟悉PKPM各种命令的含义与操作流程，为以后从事设计工作打下基础;将所学专业知识与相应的规范结合起来，有深度地理解规范，尤其强制性条文。
（2）结合PKPM的计算结算结果，对出现的各种问题结合专业知识，用有效的方法去解决各种不合理的设计问题，使结构设计的各项指标符合要求，做到安全、经济、适用。
（3）对于设计参数，不要机械式的记忆，学会根据不同情况选择不同的定义。结构设计过程中，通过不断地分析、解决问题，积累自己的判断能力和解决问题的能力。
参考文献
[1] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[2] 卿科.剪力墙数量与空间位置对框架剪力墙结构抗震性能影响的研究[D].长沙：湖南大学，2007： 15-18.
[3] GB 50011-2010 （2016年版） 建筑抗震设计规范[S].
[4] GB 5009-2006 （2016年版） 建筑结构荷载规范[S].
[5] 张宇鑫， 刘海成， 张星源. PKPM结构设计应用[M]. 2版.上海：同济大学出版社，2010.