结构系列软件常见问题解析—钢结构

王建新
中国建筑科学研究院有限公司 北京构力科技有限公司 北京 100013

[摘要] 在PKPM软件使用过程中，常常遇到操作上或者程序处理方式上的疑问。如果不能准确把握程序的处理原则，或者不了解程序的操作方式，会直接导致计算上的错误。因此，本文以钢结构模块中遇到的多个常见的问题为例，解释程序的处理原则，引导软件使用者正确利用软件进行设计。
[关键词] 内力包络；抗风柱；地震分组；轴压比；弹性挠度；法兰；桁架式檩条；

1 二维模块计算砼柱钢梁、轻钢屋面的排架结构模型，为何应力比图（如图1）中钢梁的上部受拉强度应力比均为0？

图1 应力比图

答：经查该模型梁与柱铰接，且布置的恒活荷载较大，而风荷载相对较小，所以经过荷载组合后屋面钢梁无法产生向上弯曲的弯矩（即负弯矩），由图2所示的弯矩包络图中也可以看到钢梁均为下部受拉，不存在上部受拉的情况，因此在构件信息中输出的梁上部受拉弯矩M=0，最大应力σ=0，应力比图中显示上翼缘受拉时的截面最大应力比为0。

图2 弯矩包络图

2 二维模型中抗风柱设置为仅传递风荷载不承担竖向力，为什么该抗风柱的长细比限值是按受压构件的长细比限值180来控制呢？

图3 抗风柱构件信息

答：程序中说的不承担竖向力是指不承担其他荷载工况（恒活风等荷载）下的竖向力，但抗风柱的自重还是要考虑的；所以无论如何设置抗风柱的属性，本质上抗风柱还是压弯构件，因此程序按照受压构件的长细比限值来控制其长细比。

3网架网壳模块的地震参数中定义了计算“水平和竖向地震”，设计地震分组为“第三组”，为何计算书中输出的设计地震分组（竖向）是第一组？

图4 参数设置与计算书输出信息

答：根据《抗规》5.1.4条：地震设计分组一般有第一组、第二组和第三组，也就是水平地震设计地震分组可以根据实际情况选择第一组、第二组或第三组；但根据抗规5.3.4条（如图5）：竖向地震的特征周期可均按设计第一组采用，因此计算书中输出的设计地震分组（竖向）是第一组。

图5 《抗规》5.3.4条

4 对于轴心受压钢构件，程序输出的轴压比为什么和强度应力比不一样？

图6 轴心受压钢柱构件信息

答：轴心受压钢构件的轴压比和强度应力比两者的区别如下：

轴压比和轴心受压强度应力比之间相差一个净截面系数，已上图为例，输入的净截面系数为0.85，输出的轴压比为0.28，强度应力比为0.33，两者的关系为0.28/0.85=0.33。

5 钢框架支撑结构选择由程序自动判断有无侧移，当钢号选择Q235时一层和二层X向判断为无侧移，而钢号选择Q355时判断结果是有侧移，如图7所示，这个判断结果准确吗

图7 不同钢号的判断结果

答：首先程序根据钢标公式8.3.1-6（如图8）进行有无侧移的判断，若满足该式则为无侧移，如不满足则为有侧移。

图8 《钢标》公式8.3.1-6

公式右侧除以fy（fy为屈服强度，也就是钢材牌号）初步看该公式应该是钢号越大越容易判定为无侧移，但实际上公式右侧的N_bi和N_0i也与钢号有关，因此单纯看公式实际上是无法确定该结构为有侧移还是无侧移的，需要经过计算得出不同钢号下的侧移刚度及轴压承载力差值后才能确定。而根据程序输出的结果来看确实是无论钢号选择Q235还是Q355，结构的侧移刚度并未改变，但轴压承载力的差值明显增大了，这就导致钢号由Q235改为Q355时，结构从无侧移变为有侧移了。

6 SATWE后处理展示弹性挠度中有绝对挠度、相对挠度和跨度与挠度比（图9），这三个指标分别具体是什么意思，有何区别？

图9 SATWE弹性挠度

答：程序中绝对挠度、相对挠度和跨度与挠度比的含义如下：

绝对挠度：是指该挠度值是考虑了梁支座的变形，即为梁自身的变形+支座处的变形；

相对挠度：是指梁构件相对于其支座的挠度，梁的挠度不考虑支座的变形（支座变形视为0）；

跨度与挠度比：是指梁的跨度与相对挠度的比值，该值越大说明梁挠度越小，也就越容易满足规范要求，规范规定的挠跨比实际就是相对挠度与跨度的比值。

7 工具箱法兰连接工具中，程序输出的加劲肋厚度90mm与输入的厚度10mm相差较大（如图10），是何原因？

图10 法兰连接工具计算书

答：法兰连接工具中有“设计”和“验算”两个功能，如下图11所示。

图11 法兰连接设计方法

使用设计功能时如果按输入的参数经计算后不满足，程序会自动调整加劲肋的厚度（加劲肋高度和宽度不会调整），因此会出现输出的厚度与输入不一致的情况，本次计算使用的就是法兰连接得设计功能；如果计算完发现加劲肋厚度较大，则需增大高度或宽度后重新输入再设计，以保证加劲板厚度在可控范围。

验算法兰连接时程序按照输入的参数进行计算，无论验算结果是否满足程序均不会调整计算参数。

8 工具箱连续檩条和简支檩条的抗剪应力（图12）是如何计算的？

图12 连续檩条抗剪验算

答：檩条的抗剪计算在《门刚规范》9.1.5条中有相关公式（图13），无论简支檩条还是连续檩条，程序均按照该公式进行计算；如果檩条验算规范选为《薄钢规范》，则程序不计算檩条的抗剪强度，这是由于《薄钢规范》中没有檩条抗剪验算的公式。

图13 檩条抗剪验算公式

上图连续檩条跨中抗剪最大应力计算过程如下：

9 工具箱计算桁架式檩条时，为何在进行强度判断时强度设计值折减了0.9倍？

图14 桁架式檩条设计工具及计算书

答：根据《门刚规范》9.2.2条，桁架式檩条的上下弦杆及腹杆的强度稳定验算时强度设计值要考虑0.9的折减（如图15），这主要是桁架式檩条所有杆件的强度和稳定验算要考虑节点的偏心影响，因此设计强度值均乘以折减系数0.9，详见《门刚规范》9.2.2条文说明。

图15 《门刚规范》9.2.2条第2款

10 左右基本对称的结构，为什么右侧柱顶的梁柱节点没有生成？

图16 门刚节点设计

答：该模型由于用户在建模过程未注意将右侧梁端设成了铰接（图17），但门刚结构中没有门刚梁与门刚柱铰接的情况，所以程序不支持生成铰接的门刚梁柱节点，因此右侧柱顶的梁柱节点没有生成，将梁端铰接改成梁端刚接后即可生成梁柱节点。

图17 门刚约束设置

11 二维钢框架模块建的车棚模型，为什么出图时梁柱连接采用的门刚端板连接节点（如图18所示）？如何生成框架的栓焊连接节点？

图18 车棚端板连接节点

答：自动生成门刚端板连接是因为程序会自动判断梁柱连接的节点形式，钢梁如果有坡度时程序自动判断成门刚节点，这主要是带坡度的梁一般都出现在厂房结构中；如果钢梁没有坡度则程序自动判断为框架节点，当然程序也支持手动进行节点类型转换；对于此模型由于梁有坡度程序自动判断为门刚节点，且未进行手动转换节点，导致最终出的图为门刚端板连接节点形式了。

手动修改节点类型为框架节点类型后，可以生成框架节点中的栓焊连接形式（图19）。

图19 车棚栓焊连接节点

12 二维门刚模块计算门刚结构，风荷载工况下肯定是有风吸力的，在门刚施工图中的柱脚节点计算书中显示柱脚锚栓抗拉承载力“不验算”（图20），这是为什么？

图20 柱脚计算书

答：根据计算结果查询中的轴力包络图（图21），可以看到柱底是受压的，因此无需计算锚栓受拉，仅需按构造配置锚栓即可；虽然斜屋面存在风吸作用，但考虑恒载及其他荷载后明显向下的压力大于向上的吸力，因此柱底不会出现拉力，也即轴力包络图中的柱底不受拉，也就无需验算柱脚锚栓的抗拉承载力。

图21 轴力包络图

参 考 文 献

[1] GB50017-2017 钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2018

[2] GB51022-2015 门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016

[3] GBJGJ99-2015 高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2016

[4] 但泽义 柴昶 李国强 童根树编著.钢结构设计手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2019