PKPM多塔、设缝的建模和计算

PKPM多塔、设缝的建模及
计算处理
沈耀军张吉徐飞略
中国建筑科学研究院PKPM工程部
2009年7月
一、多塔的建模方法
建模方式一：普通层模型多塔补充定义
对于在PMCAD建立的普通层模型多塔结构，需要在TAT、SATWE、PMSAP软件前处理程序中进行多塔定义，其定义方法为：
1）多塔指定时，按程序提示依次输入塔楼起始、终止层号、塔总数以后，在平面图中以围区的方式指定各塔范围内的构件；但需注意，同一个构件只能也必须属于某一塔，塔号应以塔高最高者为1号塔，从高到矮依次进行编号，且总塔数不能大于9个；
2）多塔结构中的各塔，如果层高、梁、柱、墙构件砼等级及钢号需要更改时，均可以在“多塔立面”中执行。

建模方式二：多塔结构广义层建模
按方式一进行多塔建模，所有的塔楼平面都在同一标准层中布置完成，下一层的楼顶标高即是上一层的层底标高，任何楼层都只能和层号紧相邻的上下层相连。

新增的广义层建模方式，单塔子结构在标准层建模时只需考虑与大底盘结构的连接问题，而与其他塔楼无关，楼层组装时直接定义楼层底标高即可，不需要再补充定义多塔信息。

因此，广义层建模方式是对建模方式一的有效扩充，适合复杂多塔工程的建模。

多塔结构采用广义层建模的步骤如下：
1）分别建立大底盘部分的标准层及大底盘以上各单塔独立的标准层模型，各单塔标准层的节点网格坐标要求和大底盘标准层对齐；对于像地下室相连、地面部分裙房脱开的层叠状多塔结构，可分离为地下室大底盘标准层、多个裙房标准层及各裙房以上的单塔标准层模型。

2）楼层组装时先勾选“自动计算底标高(m)”按楼层组装顺序自下而上完成第一个单塔（包括裙房）的组装；然后取消勾选“自动计算底标高(m)”项并指定第二个单塔底部标高为裙房顶部标高，然后重新勾选“自动计算底标高(m)”，依次将第二塔的各楼层添加组装完毕，
目前广义层模型的楼层总数暂不能超过190层、塔数7个。

两种基本建模方式的区别
1、所需标准层不同-广义层需要较多标准层
广义层建模方式需要的标准层和建模方式一相比，除了大底盘部分一样，上部的标准层数量一般均大于建模方式一，这是因为广义层建模法将建模方式一中的多塔标准层拆分成各塔独立的标准层；
2、楼层组装方式不同
按建模方式一，自下而上依次添加楼层；广义层建模方式先自下而上完成第一个单塔，然后其余单塔通过修改楼层底标高以大底盘顶部为基底依次组装完成，由程序自动判别所有楼层的空间位置并形成连接。

两种建模方式的标准层、自然层号对应关系见下页图；
为了减少水平地震作用下扭转对结构的影响，《高规》4.3.5条规定了高层建筑周期比的控制。

目前没有计算多塔情况下每个振型的平动因子和扭转因子的方法，在周期比控制计算中只好暂时近似地采用离散模型，其直接结果是增加了设计人员的计算工作量。

为了提高效率，作为近似估算，在方案阶段位移比控制计算也可采用离散模型，与周期比控制计算相同，这样通过一次模型近似离散和一次计算，就可以同时近似得到周期比控制计算结果和位移比控制计算结果。

待条件成熟，有了计算多塔情况下每个振型的平动因子和扭转因子的方法时，可以都采用刚性楼板条件下的整体模型。

二、多塔的设计要点
1、地下室相连，地上分开的多塔计算模型
1）各塔地上部分单独建模，单独设计，嵌固点取在正负零位置,包括每个塔的周期比、内力及配筋。

（嵌固端一般均满足）
2）整体建模，设计地下室，传基础力。

3）各塔底层(地上一层)的设计结果，两种模型取保守。

1、地下室相连，地上分开的多塔计算模型
2、地下室相连，地上有裙房及塔楼
1）45度线剖分法，嵌固于基础顶面，截取单塔计算的周期比、塔楼部分位移比、塔楼配筋都可使用。

45°45°45°
45°
“离散模型”底盘范围
2）整体建模，设计裙房、地下室及基础。

包括裙房位移比、裙房及地下室配筋。

3、裙房层数设置
从地震灾害调查结果可以发现：多塔结构，塔楼部分底部与裙房顶层连接部位，立面缩进较大，造成楼层刚度突变，在地震作用下，这些部位往往成为薄弱环节，破坏比较严重；地震作用时，各塔楼各自振动，但都通过底盘共同作用，相互影响，此时底盘连接各塔部分受力通常比较复杂，因此《高规》10.6.3条中规定：底盘屋面楼板厚度不宜小于150mm，并应加强配筋构造；底盘屋面上、下层结构的楼板也应加强构造措施。

当底盘屋面为结构转换层时，应符合《高规》10.2.20 条的规定，该条内容主要是对楼板厚度与配筋的构造要求。

《高规》10.6.4条还规定：抗震设计时，多塔楼之间裙房连接体的屋面梁应加强；塔楼中与裙房连接体相连的外围柱、剪力墙，从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内，柱纵向钢筋的最小配筋率宜适当提高，柱箍筋宜在裙楼屋面上、下层的范围内全高加密，剪力墙宜按《高规》7.2.16条的规定设置约束边缘构件。

基于以上规定，设计人员须在SATWE总信息中正确填写裙房层数（注意裙房层数指的是自然层的总数，含地下室层数），以便程序根据该参数值自动找出裙房顶层，确定裙房上一层到底部固定端范围为剪力墙加强高度，同时与按规范确定的剪力墙底部加强区高度比较取大值。

普通剪力墙结构的加强区规范取法为：墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者的较大值，且不大于15m，当各塔剪力墙高度不同时，取最大墙肢总高度计算；除剪力墙以外，需加强的梁、柱构件，程序尚未自动采取加强措施，需由设计人员自行完成。

对于底盘楼层数很多、上部单塔高度不大的多塔结构。

此时若输入较高的裙房楼层号，会出现剪力墙底部加强区过高的不合理现象，可输入0由程序按规范计算剪力墙加强区高度，再对受力复杂的大底盘顶连接层及上、下一层结构构件人工作另外的加强处理。

4、多塔风荷载
下图若按单塔结构计算，在计算X方向的风荷载时，其迎风面积为X向迎风面宽度与层高的乘积，计算得到的本层X向风荷载均分到两个塔的所有节点上，与实际情况相比，各节点的风荷载值少算一半，同理Y向计算的节点风荷载将偏大。

4、多塔风荷载的遮挡定义
对于距离很近的两个塔，要进行遮挡面定义，同时填写“设缝多塔背风面体型系数”来完成风荷载的调整。

每个塔可以同时有几个遮挡面。

由于遮挡造成的风荷载扣减值通过“设缝多塔背风面体型系数”参数来指定，比如缝隙很小的矩形单塔该值可取软件默认值0.5，设计人员可按工程实际情况调整输入，填0表示没有遮挡作用。

由于有的工程“缝”两边塔楼高度、宽度不尽相同，在进行遮挡定义时需正确圈选遮挡部分的节点网格，并输入遮挡面相应的楼层起止层号。

4、多塔风荷载的遮挡定义
高规5.1.10条的条文说明：高层建筑结构进行水平风荷载作用效应分析时，除对称结构外，结构构件在正反两个方向的风荷载作用下效应一般是不相同的，按两个方向风效应的较大值采用，是为了保证安全的前提下简化计算。

伸缩缝
4、多塔风荷载的遮挡定义
5、群楼效应与多塔结构风荷载计算
《荷载规范》7.2.3条规定：当多个建筑物，特别是群集的建筑物，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应；一般可将单独建筑物的体型系数μs 乘以相互干扰增大系数，该系数可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出。

根据国内学者的研究，当相邻建筑物的间距小于3.5倍的迎风面宽度且两栋建筑物中心连线与风向成450时，群楼效应比较明显，其相互干扰增大系数一般为1.25～
1.5，最大可达到1.8。

多塔结构中各单塔的平面布置往往间距比较近，需要考虑此群体效应，设计人员可根据塔楼平、立面布置情况，建筑物重要性，风洞试验成果等因素综合确定该放大系数。

计算时可将多塔结构的体型系数分段，大底盘以上塔楼部分的体型系数μ
用修正后的体型系
s
替换。

数μ
sm
6、分段、分塔0.2Q0调整
高规8.1.4条：对框架柱数量从下至上分段有规律变
应取每段最下一层结构对应于地震作用标准化的结构，V
值的总剪力；V
应取每段中对应于地震作用标准值且
max
未经调整的各层框架承担的地震剪力中的最大值。

08版软件已经实现了“一模多算”功能，即TAT、SATWE、PMSAP三个计算模块可共用前处理数据，包括参数定义、特殊构件定义、多塔定义、特殊荷载定义。

不过在调整方面，TAT软件与SATWE、PMSAP软件略有不同，
0.2Q
可通过人工指定的方式实现更细化的分段调整功能，例如竖向收进结构，对于每段取本段起始层底部的剪力作为调整基数，实现了《高规》8.1.4条的要求。

6、分段、分塔0.2Q0调整
7、广义层多塔的模拟施工次序定义
采用模拟施工3计算对于广义层多塔模型需要在软件中定义合适的施工顺序，以符合工程实际施工情况。

8、超大底盘次梁模型的多塔结构
在大体量地下室中，若所有梁按主梁建模，有可能造成房间过多，或者主梁、节点数量过多，超过PMCAD所能处理的上限，这时可将地下室中部分受力接近次梁的梁按“次梁布置”方式输入，以减小房间及主梁数量，确保后续计算的顺利进行。

PMCAD中可以处理的梁、房间数按照层来控制。

目前每层可以处理主梁5000根，房间2000个，一般该数量会随着计算机的发展而逐步增多。

主梁
主梁
次梁次梁次梁次梁次梁
图中Y向次梁为PMCAD中执行“次梁布置”建立的，由于该梁两端搭在框架梁上，受力与通常简化手算的次梁相似；同时又位于地下室，按次梁输对结构整体受力影响很小，但却可以大大减小地下室的房间数量，满足PMCAD的限值要求，同时退出PMCAD及后续计算的效率也会成倍提高。

9、底盘斜交布置的双塔结构
9、底盘斜交布置的双塔结构
10、广义层建模七塔结构
该模型位于7度区、抗震等级1级，场地土3类，2层地下室，7个塔。

除2层地下室及部分裙房外，其余楼层都采用广义层建模，即每个结构标准层只建一个塔楼中的一层，最后通过广义楼层组装形成模型，共建立了189个结构标准层。

三、错层结构
《高规》10.4.3及条文说明：当采用错层结构时，为了保证结构分析的可靠性，相邻错开的楼层不应归并为一个楼层计算（如当错层高大于框架梁高时）。

目前，国内开发的三维空间分析程序TAT、SATWE等均可进行错层结构的计算。

框架错层：建议优先选用在错层处分开建模，特别是错层较大时。

也可采用降低梁端标高的方法。

剪力墙错层：在每层楼板处切开，即也是分层建模。

该模型剪力墙间的洞口比较规则，主要表现为洞口起始标高为0，且连梁跨高比较大。

对于在楼板处划分标准层的错层剪力墙模型，由于往往存在层高较小的楼层。

可能存在过小的洞口导致程序对其忽略等问题，洞口处尽量按梁建模。

立面模型（共四层）
三维模型（共四层）
模型中存在洞口跨越楼层的情况，但由于洞口起始位置不位于楼面处，还要按照墙开洞形式来建模，程序可以正确计算。

立面模型（四层）
模型立面
1、建模时需注意，错层处若无楼板，不要输入假想的楼
板，对整体分析结果将产生影响。

2、对于越层柱的计算长度系数，软件可以正确识别计
算，一般不需要人工干预。

3、错层处框架柱和平面外受力剪力墙，人工提高一级抗
震等级。

谢谢。