PKPM结构设计软件入门与应用实例

1PKPM结构设计软件入门与应用实例—钢结构前言随着经济的高速发展，我国建筑钢结构发展迅速。结构形式的多样化和复杂化，设计周期的缩短，对结构分析与设计的效率和质量都提出了很高的要求，结构计算商用软件的出现和推广，是解决这一矛盾的有效途径。现在计算机辅助设计已经成为建筑结构设计领域工作的主流。对于有志于从事结构设计的即将毕业的土木工程专业学生来言，尽快的掌握结构计算软件已经成为一个基本技能。在众多的结构计算软件中，由中国建筑科学研究院PKPM工程部研发的PKPM系列软件有着很高的市场占有率。该系列软件自1987年的研发以来，经过不断开发，现在已非常成熟，并且由于其与我国规范很接近，受到我国用户的青睐。无疑，掌握STS的使用对设计工作者是很重要的，尤其是对于初学者。对于刚毕业的学生来说，大家已经具有一定的力学和结构知识，但是对软件的使用还不够熟悉，对规范的了解也比较欠缺，设计经验也很不足。因此，在介绍软件应用的同时，也应对其它几个方面给予介绍。通过实例来讲解，对初学者来说，是一种好形式。考虑到这些因素，本书的写作基本是分开为三个模块，即软件部分、设计知识、规范部分，这三个方面都围绕实例展开。我们希望通过这种方式作到实例、设计原理、规范、软件的有机结合。这种编写方式是我们对于此类书籍的一种尝试。鉴于本书工具书的定位，我们对这四部分的内容处理原则为：软件部分侧重于讲解步骤和例题用到的参数，对于软件的技术条件等请参看PKPM公司的用户手册或技术条件。设计知识部分侧重于讲解结构设计概念和设计经验，对于构造知识由于其内容广泛，本书也不多涉及，这些内容请参看相关构造手册和国标图集。规范链接部分指出与设计阶段相关的规范条款，限于篇幅，对于规范具体条款内容从略，实际上是用到条文的索引。同时，也希望这种方式能有效的帮助读者自己去查阅规范，以尽快的熟悉相关规范。本书的使用方法，我们推荐采用三阶段的学习：1、软件部分的学习：读者先阅读设计条件，然后按照设计步骤，自己跟着软件操作一遍，在本阶段，主要是让初学者首先对软件的全局和基本的操作流程有个基本的了解。2、设计知识的学习：本部分是作者简要统计的有关设计原理和设计经验，和作者自己在设计过程中的一些体会。结合例题阅读本文的设计知识部分，以便对于设计原理和常用经验作个熟悉。明白设计中的一些参数的来龙去脉，加深对软件的认识。3、就是结合规范链接再把实例过一遍，明确规范都有那些要求，这样才能游刃有余。规范是设计的法规性文件，是必须遵守的，规范也是行业成熟经验的总结。对于结构的安全和经济都给予了总结。一个成熟的设计必须是符合现行规范的设计。刚接触结构设计的人，对规范是很不熟悉的。规范函盖面广，内容太多。运用软件独立的设计，是使用软件的终极目标。这需要不断的积累和提高，特别是对于概念设计、构造设计方面，是一个不懈努力学习的结果，希望本书在这个过程中，能对读者有所帮助，我们就很欣慰了。2特别需要提到的是：PKPM工程部拥有该软件的最终解释权。程序的版本是不断更新的，我们采用的版本以2005.04以后版本为准。PKPM公司对软件升级后，相关操作与本书不符的，以其解释为准。本书第一章、第三章由中国建筑技术集团有限公司设计七所王建编写，本书第二章由杭州浙华建筑设计事务所董卫平编写。本书在编写过程中，得到中华钢结构论坛（）的大力帮助，论坛顾问钟志宪高工给予了审校，论坛万叶青教授级高工多次给予编写意见，吴稀政高工也多次参与讨论，中国建筑科学研究院PKPM工程部对于书稿中程序的相关部分作了审定，中国建筑技术集团有限公司设计七所所长白剑波给予了很多帮助，在此一并致谢。限于我们的水平，书中难免有不足之处，还请读者多赐教。编者2007.013目录第一章门式刚架1.1设计条件（工程实例）……………………………………………41.2平面建模……………………………………………………………91.3计算分析…………………………………………………………..341.4设计成果判断……………………………………………………..351.5施工图绘制………………………………………………………..491.6维护结构设计……………………………………………………..571.7吊车梁设计……………………………………………………....681.8支撑设计……………..…………………………………………..781.9三维建模与刚架二维设计………………………………..………864第一章门式刚架门式刚架是目前应用较多的一种结构形式，PKPM系列软件的STS模块能很好的完成该结构的分析与设计。下面就以一个具体实例，简单介绍PKPM软件在实际应用中的操作流程和对计算结果的判断方法。1.1设计条件（工程实例）某厂房位于北京郊区，该厂房长91.5m，宽54.5m，檐口高度8.1m，女儿墙高0.6m。屋面为双坡屋面，坡度1：15，室内外高差为0.3米。厂房为三连跨，单跨跨度18米，每跨有2台吊车，柱距7米。厂房端部有夹层。本工程建筑图具体见图1.1-1、图1.1-2、图1.1-3、图1.1-4、图1.1-5和图1.1-6。本厂房耐火等级二级，生产类别为戊类。结构类型：门式刚架屋面材料：采用压型钢板轻钢屋面墙面材料：±0.000到1.200m采用页岩砖，1.2m以上采用压型钢板。主体结构钢材：采用Q345-B，焊接材料采用E50系列。维护结构钢材：采用Q235冷弯薄壁型钢。结构的重要性：二类建筑物设计使用年限：50年本地设防烈度：8度，场地土类别II类基本风压：0.45kN/m2基本雪压：0.40kN/m2不上人屋面活荷载：0.5kN/m2夹层部分活荷载：2.0kN/m2楼梯间活荷载：3.5kN/m2本工程的刚架布置图见图1.1-7，支撑布置图见图1.1-8。56图1-2A~K立面图图1-3K~A立面图图1-41-1剖面图78图1.1-7刚架布置图图1.1-8支撑布置图91.2平面建模L编者按：门式刚架的结构分析在设计中多以平面分析为主，相应的软件模型也为平面建模为主。本书重点介绍的就是门式刚架的平面建模。由本工程条件可知，门式刚架可分为5榀，现在以其典型的6轴线刚架为例讲述STS的使用。1.2.1启动门式刚架平面设计启动PKPM软件STS模块后，进入用户界面，如图1.2-1所示，图1.2-1门式刚架主界面在正式进行设计之前，需要为所分析工程建立一个独立的工作目录，存放其模型和分析数据。这样做的优点是可以避免不同工程的数据发生冲突，发生错误。和有效利用设计成果，实际设计时，往往需要经过几次反复和调整，才能确定最终方案。每个方案就相当于一个独立的工程，需要为每个方案分别建立一个工作目录。这样就可以防止程序在执行调整方案后覆盖了原方案的数据，利于方案之间的比较和提高工作效率。建立工作目录的具体方法为：单击按钮，打开如图1.2-2所示的对话框：10图1.2-2改变工作目录对话框本工程所建工作目录定名为“6轴”。接下来，就可以正式进行建模了（下面就以1.1节所述实例具体讲解）在选定的工作目录“6轴”下，双击“图1.2-1”中的主菜单A后，打开如图1.2-3所示界面。对于首次设计，需要点选“新建文件”按钮，程序弹出输入工程名的对话框（如图1.2-4所示），本工程命名为GJ-1，输入GJ-1后，单击“确定按钮，进入平面建模的主界面，如图1.2-5。图1.2-4输入文件名称对话框1.2.2轴网建立轴网是PKPM建模的基础，所有的构件必须以此为基础进行布置。轴网的正确与否直接关系到结构模型是否正确。程序提供两种轴网输入方式，普通方式和快速建模方式。实际设计中多利用快速建模辅助一般建模方式的方法来完成。快速建模的方法为：打开快速建模页面，根据需要改写其中参数即可。有三种途径可以打开。1、单击“工具栏”中的按纽2、“网格生成”/“快速建模”/门式刚架。3、“快速建模”下拉菜单11图1.2-3门式刚架PK交互输入界面图1.2-5门式刚架平面建模主页面本工程轴网建立步骤：单击“网格生成”\“快速建模”\“门式刚架”，弹出“图1.2-6”所示页面：12图1.2-6a门式刚架快速建模13图1.2-6b门式刚架快速建模总跨数：按实际情况填写，各具体参数的取值如页面所示。当修改其中的参数后，模型会动态更新。当前跨：其余参数都是针对当前跨而言，通过改变当前跨，实现对整个模型的建立。柱高是从檐口到基础顶面（钢柱底面）的距离，本工程的基础顶面标高为-0.100m。中柱高度根据屋面坡度和边柱高度计算得出。14梁的分段主要是考虑受力和运输要求。由于功能需要，此工程分为3跨，每跨跨度18米，柱距7米。规范链接：结构形式——《门规》4.1.1跨度形式——《门规》4.1.2屋面坡度——《门规》4.1.5屋面单元划分——《门规》4.1.6跨度确定——《门规》4.2.1第1款高度——《门规》4.2.1第2款轴线取法——《门规》4.2.1第3款檐口高度、最大高度、宽度、长度——《门规》4.2.1第4款适用范围，经济跨度，高度，柱距，挑檐长度——《门规》4.2.2设计知识：1、厂房的坡度和建筑排水、屋面材料类别密切相关。常用的坡度范围是1/10~1/20。2、厂房的高度取决于使用条件和建筑要求，有吊车时还要满足吊车运行的净空要求。3、厂房跨度取决于功能、经济要求4、刚架的间距应考虑使用功能、刚架跨度、檩条合理跨度、荷载大小等综合确定，一般多在6~9m。退出快速建模后，接下来可以为轴线命名。轴线命名后可以把命名的轴线数据传递到施工图绘制中。方法为：通过[网格]\[轴线命名]菜单完成，见图1.2-7。说明，程序提供单根轴线命名、连续轴线命名方式。现采用单根轴线方式为刚架依次命名轴线A、D、K、G。操作时注意按命令行的提示操作即可。15图1.2-7轴线命名1.2.3布置柱本工程柱采用采用等截面的焊接H型钢，边柱截面选用300×280×8×12，中柱截面采用280×280×8×12。程序通过“柱布置”菜单完成柱的布置。具体步骤是：1、单击“柱布置”，弹出下级菜单，如“图1.2-8”所示：2、接着点击“截面定义”，程序弹出“图1.2-9”所示对话框。（完成需要布置的柱截面，）3、首次设计，需要点击“增加”按钮，进行输入。此时，打开如“图1.2-10”的对话框。4、选择“H型钢”类型，弹出“图1.2-11”界面。根据所选H型钢依次修改各参数即可。5、建立了边柱截面后，通过“复制”按钮建立中柱截面。此时，只需把腹板高度由300修改为280即可。（这个功能对变截面梁更有效率，可以减少不少工作量）6、定义完成后，接下来的工作是布置柱，先从定义好的截面库中选中要布置的截面类型。然后布置，程序提供四种选择方式，此处按TAB键转成轴线方式注意的是对于边柱考虑偏心的影响。程序规定左偏为正，右偏为负。单位为mm。A轴边柱布置时候，输入-150，K轴边柱则输入150，中柱无偏心。16图1.2-8柱布置图1.2-9PK-STS截面定义17图1.2-10柱截面类型图1.2-11H型钢截面定义设计知识：门式刚架一般多采用变截面构件，当有吊车时，柱多用等截面的。常用的柱截面高度一般为300~700。截面定义时考虑的原则有：1、翼缘必须满足宽厚比要求，腹板满足高厚比要求，对于腹板，当不满足时，程序会按考虑屈曲强度计算。所以说，截面翼缘满足宽厚比，显的很重要。2、截面选择要考虑常用的板型，结合市场上常用的材料规格选择比较好，对于翼缘，18常选用的规格有180，200，220，250等。3、选择截面还要考虑节点螺栓布置的实际情况，满足规范对于螺栓的容许距离要求，综合这些因素，4、对于腹板截面，考虑的往往是制作问题，以及和翼缘截面厚度的协调问题，腹板厚度一般比翼缘小些为宜，其高厚比用到150左右比较合适，制作中的变形也比较小，板件厚度不宜低于6mm厚，否则易焊穿。常用的门式刚架翼缘截面一般为：180×8，180×10，200×8，200×10，220×10，220×12，240×10，240×12，250×10，250×12，260×12，260