談高層建筑結構設計計算結果的分析判斷

　　關鍵詞：計算機普遍應用；計算結果；分析判斷；整體性指標；工程經(jīng)驗性參考指標；規(guī)范明確規(guī)定的結構量化指標；結構局部分析;重視概念設計；安全經(jīng)濟適用合理。

　　隨著計算機的普遍應用，運算能力運算速度的不斷提高，使高層建筑結構計算設計更安全更合理更經(jīng)濟成為可能。但是高層建筑結構布置復雜，構件多，計算數(shù)據(jù)輸入輸出量都非常大，如果缺乏對計算程序適用條件范圍及計算過程進行盡可能地深入了解把握而輕率套用、濫用計算機，對計算結果的合理經(jīng)濟與可靠性缺乏準確的判斷力，那將會使計算結果有可能不準確甚至可能錯誤，對實際工程將可能遺留隱患甚至造成災難性后果，因此必須對計算機應用程序進行深入學習，選用合適恰當?shù)挠嬎丬浖�，輸入的計算�?shù)據(jù)必須反復核對確保無誤并根據(jù)計算結果循環(huán)調(diào)整直至滿足要求，對輸出計算結果的可靠性合理性經(jīng)濟性逐一判斷分析調(diào)整，最后才可用于實際工程。實際上《抗震規(guī)范》3.6.6條《混凝土規(guī)范》5.1.6條《高規(guī)》5.1.16條均有此規(guī)定。本文試圖從理論上全面理順高層建筑結構設計計算結果所需考慮的主要方面及注意調(diào)整事項，以期提高對高層建筑結構設計全面準確迅速的把握能力。

　　高層建筑結構設計者先依據(jù)建筑使用要求、規(guī)范規(guī)程的概念宏觀要求（如結構體系適用高度和高寬比等）、各種手冊上推薦的試算方法及構造措施要求得到結構類型體系、構件的初始截面尺寸和布置后通過空間三維分析或協(xié)調(diào)工作進行計算，得出一系列相應的計算結果。對這些計算結果的分析，首先進行計算結果總體判斷、調(diào)整，確認其可靠合理，然后再對結構局部進行詳細的檢查和分析。對高層建筑結構計算結果的分析一般可從結構整體和局部兩個方面考慮。反映計算結構的整體性指標可以分為兩類：工程經(jīng)驗性參考指標和規(guī)范明確規(guī)定的結構量化指標，以下分別對這兩類指標進行介紹分析。

　　工程經(jīng)驗性參考指標，主要包括以下五類：1).結構單位面積平均重度：根據(jù)其數(shù)值是否在正常數(shù)值范圍內(nèi)，可判斷荷載取值是否合適是否漏算，活荷載該折減時是否沒折減。2).結構自振周期：按正常的設計，大量單塔樓非耦連計算地震作用時，其第一周期一般在以下范圍內(nèi)：框架結構T1=0.1~0.15N；框剪結構T1=0.08~0.12N；剪力墻結構T1=0.04~0.08N；筒中筒結構T1=0.06~0.10N（其中N為結構計算層數(shù)，對于40層以上的建筑，上述近似周期的范圍可能有較大差別）。如果周期偏離上述數(shù)值太遠，應當考慮本工程剛度是否太大或太小，必要時調(diào)整結構截面尺寸。3）.底部總剪力與總重量比：根據(jù)許多工程計算的統(tǒng)計結果，在正常設計的條件下，對第一周期小于3.5秒的結構底部剪力在下列范圍內(nèi)較為正常：7度II類土：Q=1.6%~2.8%W;8度II類土：Q=3.2%~5%W(其中Q為結構底部水平地震作用標準值；W為建筑物的重力荷載)。層數(shù)多、剛度小時，偏于較小值；層數(shù)少、剛度大時，趨于較大值。若計算的地震作用偏離上述數(shù)值太大，必要時調(diào)整結構截面尺寸，借以調(diào)整結構剛度，使得結構設計比較安全經(jīng)濟合理。4）.振型曲線：正常計算結果，單塔樓結構的振型曲線多為連續(xù)光滑曲線。第一振型沒有零點；第二振型的零點在（0.7~0.8）H的高度上；第三振型的零點分別位于（0.4~0.5）H和（0.8~0.9）H的高度上（見圖一）。當沿豎向有非常顯著的剛度和質量突變（如帶加強層或轉換層等的不規(guī)則建筑結構或復雜高層建筑結構，尤其是超限高層結構）時，振型曲線有可能出現(xiàn)不光滑的畸變點。5）.位移曲線:將位移參考點上各層水平位移畫成曲線，一般情況下若沿豎向不發(fā)生剛度突變則不應出現(xiàn)畸點，曲線應連續(xù)、光滑（見圖二）。若沿豎向發(fā)生剛度突變，則層間位移曲線可能出現(xiàn)畸點、凹凸異形。如中國南方電力調(diào)度通訊大樓層間側移曲線（見圖三）。

　　(a)剪力墻(b)框架(c)框架-剪力墻（框架-筒體）

　　規(guī)范明確規(guī)定的結構量化指標，主要包括：綜合性指標、平面要求指標、豎向要求指標三大類。若計算結果不滿足其中任何一項，則必須進行調(diào)整直至滿足。1）.綜合性指標：（1）層間位移角（樓層層間最大位移與層高之比）：它是建筑結構設計剛度控制的重要指標，其數(shù)值的大小從一個側面反映出結構的整體剛度是否安全經(jīng)濟，可引起設計者對其中的結構體系選擇、結構的豎向及平面布置合理性的再思考，甚至再選擇。現(xiàn)行規(guī)范對層間位移角的限值確定不僅考慮了非結構構構件可能受到的破壞，還考慮控制了剪力墻、柱等重要抗側力構件的開裂，是結構性能目標控制中最重要的目標之一，也是其他性能目標控制和調(diào)整的基礎。理想的控制結果是層間位移角略小于規(guī)范值，且兩向側向位移值相近，當然層間位移角限值控制是結構設計需滿足的必要條件，還應滿足其它控制指標。另外高度超過150m的高層建筑結構應具有良好的使用條件，滿足舒適度要求，按規(guī)范要求限制結構頂點最大加速度。（2）.剪重比（樓層地震剪力系數(shù)）：是體現(xiàn)結構在地震作用下反應大小的一個重要指標，是對應于水平地震作用標準值的剪力與重力荷載代表值的比值，其大小主要與結構地震設防烈度有關。規(guī)范限制剪重比最小值是確保長周期地震作用下結構安全。當計算剪重比與規(guī)范要求的最小剪重比出入較大時，可考察地震剪力與層間位移角的大小進行調(diào)整，或增減結構剛度，或直接按最小剪重比調(diào)整樓層地震剪力。（3）.剛重比：主要為控制結構的整體穩(wěn)定性，避免結構在風荷載或地震力的作用下整體失穩(wěn)倒塌。剛重比不滿足要求，說明結構剛度相對于重力荷載過��；但剛重比過分大，則說明結構經(jīng)濟技術指標較差，宜

　　適當減少墻、柱等豎向構件的截面面積。另外對高層、超高層建筑，結構整體傾覆驗算十分重要，直接關系到整體結構安全度，應按《高規(guī)》JGJ3-2002第12.1.6條進行控制基礎底面零應力區(qū)面積。2）.平面要求指標：（1）.周期比：它是控制結構扭轉效應的重要指標。規(guī)范對其限制的目的是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理，使結構不致出現(xiàn)過大的扭轉效應，而不是要求結構具有足夠大的剛度。當計算周期比與規(guī)范要求周期比出入較大時，可參看層間位移角的大小進行調(diào)整，或通過調(diào)整結構布置，增加結構周邊構件剛度，降低結構中間構件的剛度，甚至改變結構類型，或降低結構平動剛度，使平動周期加長。（2）.位移比：它是控制建筑結構在地震作用下扭轉效應的重要指標，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結構產(chǎn)生較大的扭轉效應，是指樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移與本樓層平均值的比值。位移比不滿足時只能通過調(diào)整改變結構平面布置，減小結構剛心與形心的偏心距。3).豎向要求指標:(1).剛度比:主要為限制結構豎向布置的不規(guī)則性，避免結構剛度沿豎向突變，形成薄弱層，體現(xiàn)結構整體的豎向剛度勻稱度；對于形成的薄弱層應按規(guī)范予以加強或調(diào)整結構布置和材料強度等級，加強結構抗震延性連接構造措施，來加強甚至避免薄弱層。另外，可用層剛度比來判斷樓層是否為薄弱層、地下室是否能作為嵌固端以及轉換層剛度是否滿足規(guī)范要求。(2).層間受剪承載力比：它是用來限制結構豎向布置不規(guī)則的重要指標，避免樓層抗側力結構的受剪承載能力沿豎向突變，形成薄弱層。層間受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上，該層全部柱及剪力墻的受剪承載力比之和，其值與柱墻構件尺寸、配筋有關，與他們的連接方式無關。對于形成的薄弱層應按規(guī)范予以加強，或提高本層構件強度（如增大配筋、提高混凝土強度或加大截面）以提高本層墻、柱等抗側力構件的抗剪承載力，或適當降低上部相關樓層墻、柱等抗側力構件的抗剪承載力，以滿足規(guī)范要求。

　　高層結構整體分析無法包括所有構件，或包括了但由于模型關系而給不出較準確的內(nèi)力，故高層建筑結構計算結果的分析除了從結構整體方面考察滿足要求后，還應對結構局部進行補充計算和分析，尤其是對重要部位和關鍵構件應進行必要的局部分析，并采取相應的處理措施。結構局部分析主要包括三個方面：1).重要部位和關鍵構件的分析設計:主要包括特殊部位構件（如轉換層、轉換梁、大懸臂梁、轉換柱、跨層柱、特別荷載作用部位、框支梁柱、異型板）應分析其內(nèi)力（可借助計算數(shù)據(jù)及圖形文件）、配筋是否合理正常；必要時應進一步分析，包括采用合適的局部分析軟件、相關或類似工程實驗數(shù)據(jù)結果、手算（導荷載及內(nèi)力計算）等措施進行復核，再對照處理。2).墻柱軸壓比：限制墻柱軸壓比主要是為保證結構的延性要求，規(guī)范對墻柱軸壓比均有相應限值要求。軸壓比不滿足要求，結構的延性要求無法保證，應增大墻、柱的截面面積或提高該層墻柱混凝土強度；軸壓比過小，則說明結構的經(jīng)濟技術指標較差，宜適當減少相應墻、柱的截面面積。3).構件優(yōu)化設計：在安全經(jīng)濟適用的原則下，根據(jù)構件的計算結果（數(shù)形文件）、實際受力狀況(傳力大小途徑、構件受力平衡性及受力變形對稱性等)、規(guī)范抗震措施及概念加強措施、構件配筋合理性等，進行構件分析判斷優(yōu)化調(diào)整：包括構件的異常及超筋信息處理、截面尺寸配筋率、構件內(nèi)力變形配筋的平衡對稱性、構件材料形式選擇。另外，設計者必須明白目前規(guī)范為實現(xiàn)三個水準的抗震設防目標，通常通過彈性地震作用和承載力計算來滿足第一水準的設防要求，然后通過與概念設計相關內(nèi)力調(diào)整和抗震構造措施來滿足第二水準和第三水準地震的宏觀性能控制要求，有些工程還要求進行彈塑性變形驗算調(diào)整，以滿足有特殊要求的建筑結構達到某些抗震設防性能目標，或防止某些建筑物在大震下倒塌，因此必須重視計算結果，同樣也必須滿足規(guī)范抗震措施及概念加強措施。

　　以上內(nèi)容主要是對高層建筑結構設計計算結果的分析判斷的兩個主要方面。實際上建筑結構設計是一項綜合性很強的系統(tǒng)工程，與建筑材料、施工技術水平、國家及地方經(jīng)濟水平、規(guī)范規(guī)程發(fā)展要求等眾多因素相關，具有許多不確定影響因素，同時現(xiàn)有的各種計算程序模型都是基于各種假定下作必要的簡化處理才得以實現(xiàn)的，其計算結果有的不一定是結構真實受力狀態(tài)的反映；對于實際工程中出現(xiàn)的各種各樣的復雜結構形式，現(xiàn)有的計算模型也不是都能適用，即使采用實驗模型試驗分析，由于尺寸效應差異和各種難以模擬的復雜因素影響，其實驗結果也未必都能反映建筑結構的真實受力性能狀態(tài)。因此在設計高層結構時，應重視結構的計算，但也不應過于依賴計算和盲目應用計算結果，應從工程結構的基本力學、地震災害、抗震概念和相關工程經(jīng)驗出發(fā)，對計算結果認真加以分析；也應重視結構的概念設計，重視工程實踐經(jīng)驗的應用，使高層建筑結構的設計達到安全經(jīng)濟適用合理的目的。

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