高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計計算與結(jié)果分析判斷

周婧

摘要：淺析高層建筑結(jié)構(gòu)中荷載的概念及作用、結(jié)構(gòu)計算模型、結(jié)果合理性的分析判斷及細(xì)部內(nèi)力和配筋的分析判斷等。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；計算機(jī)計算；結(jié)果分析判斷

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)分析軟件的普及，高層建筑結(jié)構(gòu)的計算分析也方便多了，且精度和效費比更高。從具體工程情況、力學(xué)概念和工程經(jīng)驗等方面出發(fā)，合理地選擇計算分析方法、確定計算模型和相關(guān)參數(shù)、使用結(jié)構(gòu)分析軟件、檢驗和判斷計算結(jié)果的合理性和可靠性等，已成為了結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

2 荷載的概念及作用

①荷載概念。高層建筑結(jié)構(gòu)的永久性作用，即荷載，它包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重，可變作用（可變荷載）、風(fēng)荷載、地震作用、溫度變化、約束變形等?？勺冏饔脙H考慮風(fēng)荷載和地震作用即可；溫度變化大、可能產(chǎn)生約束變形的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮作用效應(yīng)的不利影響。②荷載影響。高層建筑結(jié)構(gòu)因是逐層施工完成的，豎向剛度和豎向荷載也是逐層形成的。該情況與結(jié)構(gòu)剛度一次形成、豎相荷載一次施加的計算方法就存在較大差異。房屋越高、構(gòu)件豎向剛度相差越大，影響就越大。因此，在對重力荷載作用效應(yīng)分析時，柱、剪力墻的軸向變形宜考慮施工過程影響。③地震影響。地震動參數(shù)可按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002相關(guān)規(guī)定直接采用。按照《地震安全性評價管理條例》，重大建設(shè)工程必須進(jìn)行場地地震安全性評價。高層結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮地震作用的偶然偏心，即平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

3 結(jié)構(gòu)計算模型

國家規(guī)范體系是采用線彈性方法計算結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)、進(jìn)行截面承載力設(shè)計的。比較柔軟的結(jié)構(gòu)通過近似方法考慮重力二階效應(yīng)的不利影響；復(fù)雜的不規(guī)則結(jié)構(gòu)或重要的結(jié)構(gòu)，驗算其在罕遇地震作用下薄弱層的彈塑性變形，以滿足二階段設(shè)計的要求。所以，高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移采用線彈性方法計算，框架梁及連梁等水平構(gòu)件可考慮局部塑性變形引起的內(nèi)力重分布。

1）結(jié)構(gòu)計算簡化處理。高層建筑為三維空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)件類型多、數(shù)量大，受力復(fù)雜；結(jié)構(gòu)計算分析軟件也有其適用條件，所以應(yīng)結(jié)合實際情況和所采用計算模型的要求，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，以適應(yīng)所選用的計算模型，保證分析結(jié)果的可靠性。①結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何形狀與模擬。應(yīng)嚴(yán)格按照幾何形狀進(jìn)行，可用桿單元模擬梁、柱，膜單元模擬樓板，殼單元模擬剪力墻。②支座的約束作用與模擬。支座所能提供的約束是建立在對構(gòu)件位移的約束作用之上的，所以支座應(yīng)采用相應(yīng)的構(gòu)造措施且應(yīng)具有足夠的剛度。

2）樓板模型化假定。高層樓、屋蓋多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板或有現(xiàn)澆面層的預(yù)制裝配整體式樓板，可視為水平放置的深梁，近似認(rèn)為樓板在其自身平面內(nèi)為無限剛性。根據(jù)這一假定，結(jié)構(gòu)分析的自由度數(shù)目大為減少，削減所帶來的計算誤差，使計算過程、結(jié)果的分析得到簡化。重點考慮：a.考慮樓板寬窄影響。b.考慮樓板面內(nèi)變形。c.考慮無梁樓蓋結(jié)構(gòu)。

3）結(jié)構(gòu)分析模型。其結(jié)構(gòu)分析模型中剪力墻和樓板的模型化假定為關(guān)鍵，決定了科學(xué)性和分析結(jié)果的精度、可信度。體型非常不規(guī)則，結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜的，應(yīng)采用不少于兩個不同的結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行整體計算并相互校核，加彈性時程分析法補充分析?，F(xiàn)采用空間桿單元模擬梁、柱，按其對剪力墻和樓板的模型化假定有四種：開口薄壁桿模型、嵌板單元模型、殼元模型及其他組合有限元模型。①開口薄壁桿模型：采用樓板平面內(nèi)無限剛假定，將同一層彼此不相連的剪力墻墻肢處理為一個開口薄壁桿單元，把上下層剪力墻洞口間部分處理為連梁單元，減少了結(jié)構(gòu)的自由度。要求剪力墻滿足兩個條件：剪力墻垂直落地，上下洞口對齊，截面剪心基本在同一垂線上；剪力墻在每層樓面均有嵌固。②嵌板單元模型：又稱板-梁墻元或空間膜元，采用樓板平面內(nèi)無限剛假定，將一片剪力墻簡化為一個膜單元+邊梁+邊柱的“鑲邊墻元”，膜單元只有墻平面內(nèi)的抗彎、抗剪和抗壓剛度，墻平面外剛度為零；邊梁系特殊的剛性梁，墻平面內(nèi)無限剛，墻平面外剛度為零；邊柱用以等效替代剪力墻平面外剛度。精度較開口薄壁桿模型為高。③殼元模型：采用每一節(jié)點六個自由度的殼元來模擬剪力墻單元，剪力墻既具有平面內(nèi)剛度，又具有平面外剛度；樓板有四種簡化假定（樓板平面內(nèi)無限剛、分塊無限剛、分塊無限剛帶彈性連接和彈性板），比較接近實際情況。通過靜力凝聚而成的殼元來模擬剪力墻，允許剪力墻洞口上下不對齊、不等寬，適用于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，較真實地反映結(jié)構(gòu)剛度。④組合有限元模型：其為一種介于開口薄壁桿單元和連續(xù)體有限元之間的分析單元（如TBWE程序提供的墻組元模型）。該新型剪力墻模型在開口薄壁桿模型的基礎(chǔ)上作了實質(zhì)性的改進(jìn)，考慮了剪切變形的影響，引入節(jié)點豎向位移變量代替開口薄壁桿模型的形心豎向位移變量，更準(zhǔn)確地描述剪力墻的變形狀態(tài)。

4）計算參數(shù)。①結(jié)構(gòu)內(nèi)力與分析中，框架-剪力墻或剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁剛度可予折減，抗風(fēng)設(shè)計控制時，折減系數(shù)不宜小于0.8；抗震設(shè)計控制時不宜小于0.5；作設(shè)防烈度（中震）構(gòu)件承載力校核時不宜小于0.3。②現(xiàn)澆樓面和裝配整體式樓面梁的抗彎剛度應(yīng)考慮翼緣的作用予以增大，系數(shù)通?？扇?.3～2.0，視帶翼緣與不帶翼緣時的抗彎剛度比而定。③豎向荷載作用下，框架梁端負(fù)彎矩往往很大；超靜定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在達(dá)到承載力極限狀態(tài)前，總會產(chǎn)生不同程度的塑性內(nèi)力重分布，最終內(nèi)力分布取決于構(gòu)件的截面設(shè)計情況和節(jié)點構(gòu)造情況。所以允許主動考慮塑性內(nèi)力重分布對梁端負(fù)彎矩進(jìn)行適當(dāng)調(diào)幅。一般裝配整體式框架梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)可取0.7～0.8，現(xiàn)澆框架梁端負(fù)彎矩取0.8～0.9?？蚣芰憾素?fù)彎矩減小后，梁跨中彎矩應(yīng)按平衡條件相應(yīng)增大。④結(jié)構(gòu)計算中未考慮樓蓋對梁扭轉(zhuǎn)的約束作用時，梁的扭轉(zhuǎn)變形和扭矩計算值過大，可對梁的計算扭矩折減。梁的扭矩折減系數(shù)與樓蓋的約束作用和梁的位置密切相關(guān)，介于0.1～0.7之間，不應(yīng)小于0.3。

4 結(jié)果合理性的分析判斷

結(jié)構(gòu)體系的合理性對其安全性和經(jīng)濟(jì)性起決定作用，所以要根據(jù)具體工程情況，選擇使用合適、可靠的結(jié)構(gòu)分析軟件外，還應(yīng)從力學(xué)概念和工程經(jīng)驗等觀點出發(fā)，對計算結(jié)果進(jìn)行總體分析與判斷，確認(rèn)合理性和可靠性，然后再對細(xì)部進(jìn)行分析與判斷。

1）平衡條件。按力的平衡原理，分析結(jié)構(gòu)在單一重力荷載或風(fēng)荷載作用下是否滿足平衡條件。平衡分析時，不能考慮施工過程的模擬加載影響，必須針對同一結(jié)構(gòu)在同一荷載作用下進(jìn)行。地震作用，只能對單一振型進(jìn)行校核，且必須在未作任何修正的情況下進(jìn)行。當(dāng)結(jié)構(gòu)對稱或接近對稱時，可利用對稱結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性判斷計算結(jié)果的正確性。出現(xiàn)異常情況，可能是相關(guān)的幾何或荷載數(shù)據(jù)有誤。

2）周期條件。結(jié)構(gòu)自振周期宏觀地反映了結(jié)構(gòu)的幾何特性和剛度性質(zhì)。若計算出來的周期出入較大，與地震作用有關(guān)的一系列計算說明就有問題了。若結(jié)構(gòu)比較一般、構(gòu)件截面尺寸符合常規(guī)要求，當(dāng)采用非耦聯(lián)計算地震作用時，則結(jié)構(gòu)第一自振周期T1應(yīng)落在常規(guī)范圍內(nèi)（框架結(jié)構(gòu)：T1=0.1～0.15N；框剪結(jié)構(gòu)：T1=0.08～0.12N；剪力墻結(jié)構(gòu)：T1=0.04～0.06N；筒中筒結(jié)構(gòu)：T1=0.06～0.10N。其N為結(jié)構(gòu)計算層數(shù)）。若輸出周期已考慮了周期折減系數(shù)ψT，則會稍短于上述數(shù)值。通常，結(jié)構(gòu)第二自振周期T2=（1/3～1/5）T1，結(jié)構(gòu)第三自振周期T3=（1/5～1/7）T1。采用扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算地震作用時，其結(jié)構(gòu)第一自振周期也應(yīng)落在常規(guī)范圍內(nèi)，但不能簡單地與非耦聯(lián)計算時比較；扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比應(yīng)小于0.9或0.85。

3）振型條件。計算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。振型曲線連續(xù)光滑，不應(yīng)出現(xiàn)突然的轉(zhuǎn)折點或不規(guī)則的凹凸。當(dāng)結(jié)構(gòu)豎向剛度有較大的突變、頂部有高塔時，在轉(zhuǎn)變處可能出現(xiàn)明顯的突變點。通常第一振型應(yīng)當(dāng)無零點；第二振型的零點應(yīng)在（0.7～0.8）H處，H為結(jié)構(gòu)高度；第三振型有兩個零點，分別位于（0.4～0.5）H和（0.8～0.9）H處。

4）地震力。當(dāng)采用非耦聯(lián)計算地震作用時，結(jié)構(gòu)底部總剪力應(yīng)在常規(guī)范圍內(nèi)（總剪重比：Q/W=1.2%～2.8%、2.8%～5.0%，即7度、Ⅱ種土和8度、Ⅱ種土情況）。按振型分解法計算地震作用時，低振型底部剪力大于高振型底部剪力。結(jié)構(gòu)豎向質(zhì)量、剛度有突變或結(jié)構(gòu)過于高柔時，可能出現(xiàn)高振型底部剪力反而大于低振型底部剪力的現(xiàn)象；采用扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算地震作用時，其振型較為復(fù)雜，底部總剪力與非耦聯(lián)計算相近或略小；底部總剪力過小，可能是因為結(jié)構(gòu)本身剛度過小，或未考慮周期折減系數(shù)ψT（反之可能是因為結(jié)構(gòu)本身剛度過大）；地震力計算值偏小時，結(jié)構(gòu)將偏于不安全。只有當(dāng)?shù)撞靠偧袅υ诤侠淼姆秶鷥?nèi)，檢查位移、內(nèi)力、配筋才有意義。

5）位移曲線。正常框架結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為剪切型；剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)為彎曲型；框剪結(jié)構(gòu)為彎剪型。除非豎向剛度有突變，位移曲線應(yīng)當(dāng)是連續(xù)光滑的，無明顯的轉(zhuǎn)折點，對于剪切型、彎曲型曲線不應(yīng)有拐點；而對彎剪型曲線則應(yīng)有一個拐點。位移和在考慮偶然偏心影響的地震作用下的扭轉(zhuǎn)位移比均應(yīng)滿足《高規(guī)》有關(guān)要求。采用開口薄壁桿模型計算時，最大層間位移以1/1600～1/2500為佳；當(dāng)采用墻元模型計算時，最大層間位移以1/1200～1/1600為佳。經(jīng)過宏觀概略檢查后，如果符合正常情況，或雖不在正常范圍內(nèi)，但有原因可解釋，確實如此，則這個計算結(jié)果基本可信。

5 細(xì)部內(nèi)力和配筋的分析判斷

細(xì)部內(nèi)力和配筋進(jìn)行細(xì)致的分析與判斷，還要加以調(diào)整。重點在：①構(gòu)件超筋超限情況的分析與判斷。②構(gòu)件配筋率應(yīng)在0.5%～1.5%之間，配筋規(guī)律符合一般構(gòu)件的內(nèi)力特性。③特殊構(gòu)件（轉(zhuǎn)換梁、長懸臂梁、大跨度梁、轉(zhuǎn)換柱、跨層柱及特殊荷載作用處的構(gòu)件等），內(nèi)力、配筋是否正常應(yīng)關(guān)注。

6 結(jié)語

利用計算機(jī)軟件進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)分析、計算，為人們提供了很大的方便，但是要時刻帶著清晰的概念正確把握和處理結(jié)構(gòu)所受的各種作用及其效應(yīng)。概念設(shè)計必須貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程。

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