結構計算模型常見問題分析

【摘 要】結合了規(guī)范的具體條文及基本的力學知識，從結構計算假定與實際情況不一致、計算參數(shù)的選取問題、對結構缺乏整體性思維三個大的方面分項舉例說明了結構計算模型中的常見錯誤，并給出了正確做法，可為廣大結構設計人員提供參考。

【關鍵詞】計算假定； 計算參數(shù)； 結構整體性思維

【中圖分類號】TU318.2【文獻標志碼】A

0 引言

在對結構計算模型進行校審的過程中，總能發(fā)現(xiàn)一些相似的問題重復出現(xiàn)，有的是由于缺乏力學概念，有的是由于缺乏對軟件的深入了解，還有的是由于缺乏對結構的整體把握?？偟膩碚f問題可以分為以下三個大的方面，即結構計算假定與實際情況不一致、計算參數(shù)的選取問題、對結構缺乏整體性思維。

本文將以上述三個方面的問題為提綱，分項舉例進行說明。

1 結構計算假定與實際情況不一致

結構計算假定與實際情況不一致，指的是計算模型中假設的結構計算簡圖及受力情況與結構的實際情況不一致。如果結構工程師缺乏基本的力學概念和對計算軟件的深入了解，這種情況是很容易出現(xiàn)，而這造成的結果就是，結構偏于不安全，以下將從幾個小的方面入手進行舉例說明。

1.1 坡屋面按平屋面建模

經(jīng)過簡單的建模計算，在相同的豎向均布活荷載作用下，坡屋面和平屋面僅在活荷載作用下的位移及受力見圖1～圖8。由計算結果可知，坡屋面模型中框架梁在豎向均布荷載作用下會產(chǎn)生比平屋面模型大得多的軸力，該軸力對柱子而言則是向外的推力，故柱子內(nèi)側相對于平屋面模型會產(chǎn)生附加彎矩。由此可知，對柱子而言，按平屋面建模是不安全的。但對梁來說，平屋面模型的梁底彎矩又比坡屋面模型大幾倍，又太偏于保守。故，對于帶坡屋面的建筑，結構計算模型應嚴格按實際情況進行建模，讓結構受力更接近實際情況。

1.2 錯層處仍按未錯層建模

圖9～圖10分別為按實際錯層建模的結構模型與沒有按錯層建模的模型，分別對應方案一與方案二。錯層結構按非錯層建模不僅僅是影響錯層處的梁上荷載（方案一錯層處梁只承擔左側或右側樓板傳來的荷載，而方案二梁同時承擔左右兩側樓板傳來的荷載），更會影響結構的整體指標，方案一與方案二的主要整體指標對比見表1。由表可知，除位移比以外的其它參數(shù)均存在差異，但差異不大，但方案一的位移比超限，結構為扭轉不規(guī)則，而方案二則沒有不規(guī)則項。

由此易得，對于錯層結構，不能因為按照非錯層建模交界部分的梁有更大的受荷面積就認為結構是偏于安全的，尚需要考慮局部錯層對整體結構的影響。

1.3 連續(xù)梁中間跨鉸接問題

對于支撐于主梁上的多跨連續(xù)次梁，由于荷載不均或其它原因，主梁有時會出現(xiàn)剪扭超限的問題，此時，很多結構工程師的常見做法就是將次梁與該主梁相交的節(jié)點設置為鉸接，不傳遞扭矩給主梁，自然而然模型就算過了。這種做法就是典型的沒有考慮結構的實際受力情況，出施工圖的時候，實際是按照連續(xù)梁去構造的，施工也是按連續(xù)梁進行施工，它實際上就是連續(xù)梁的受力模式，支座處是存在較大負彎矩的，而模型中卻設置為鉸接，配筋按構造處理，結構顯然是不安全的，當次梁荷載較大或跨度較大時，梁端極易出現(xiàn)由于抗彎能力不足而導致的裂縫。正確的做法是加大剪扭超限的主梁截面或者通過調(diào)整局部的結構布置，以此來達到計算通過。

1.4 嵌固端的選取不符合實際情況

對于主樓帶地下室的情況，經(jīng)常有結構工程師將主體結構的嵌固部位設置于基礎頂，原因僅僅是因為想把地下室頂板做到160 mm厚，樓板最小配筋率按0.2%構造，這是不正確的做法。因為，結構的嵌固端在哪層應該根據(jù)結構的實際情況來定，如果結構滿足GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》［1］第6.1.14條的規(guī)定，即地下一層相關范圍的剛度大于地上一層剛度的2倍且地下室頂板又沒有開設大洞口時，那么不管如何指定嵌固端位置，地下室頂板實際上都是起到了對主樓的嵌固作用。那么，也理應繼續(xù)滿足該條的構造要求，如樓板至少采用180 mm厚，雙層雙向配筋且最小配筋率不小于0.25%、地下室頂板的梁柱節(jié)點滿足相應的配筋要求，否則就會出現(xiàn)結構實際的嵌固端構造措施不足的情況。

1.5 荷載輸入與實際情況不符

對于樓板上有局部荷載的情況，比如某設備置于樓板上，一些結構工程師的常見做法是將該設備的重量直接除以該跨樓板的面積得到均布荷載，進而將該均布荷載作為附加面荷載施加于板上。對于結構整體來說，可能這樣操作問題不大，結構總荷載不變，但是對于局部（樓板及其周邊的梁）的受力影響較大。根據(jù)GB 50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》［2］附錄C.0.1的規(guī)定，對于樓板的等效均布活荷載，應在其設計控制部位上，根據(jù)需要按內(nèi)力、變形及裂縫的等值要求來確定，而不是簡單的通過重量直接除以樓板面積得到。現(xiàn)在很多計算軟件已經(jīng)支持直接輸入樓板局部荷載，可以直接按實際情況進行輸入而不用進行繁瑣的轉換。

2 計算參數(shù)的選取問題

結構模型中往往涉及到很多計算參數(shù)的選取與填寫，有的計算參數(shù)對整體結構的影響不大，有的計算參數(shù)取錯將嚴重影響結構安全或者導致重大返工，還有的計算參數(shù)取錯會導致不必要的浪費，以下將從幾個小的方面入手進行舉例說明。

2.1 忽略輸入斜交抗側力構件方向角度

這一項很容易被忽略，因為很多結構構件的布置都是橫平豎直的，斜交抗側力構件較少出現(xiàn)，久而久之就容易忽視該參數(shù)。根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》［1］第5.1.1.2條的規(guī)定：有斜交抗側力構件的結構，當相交角度大于15°時，應分別計算各抗側力構件方向的水平地震作用。此條為強制性條文，對于帶地下室的結構，斜交抗側力構件較多，應予以特別重視。

2.2 地震計算未勾選按新區(qū)劃圖計算

在模型中，如果未勾選按新區(qū)劃圖計算，將影響地震影響系數(shù)最大值，進而影響結構的水平地震作用大小。當場地類別較差時勾選與否對結構整體截面尺寸及配筋影響較大，容易造成重大返工。

現(xiàn)以7度（0.1g）為例，列出是否勾選按新區(qū)劃圖對地震影響系數(shù)最大值的影響，見表2。由表可知，當未勾選時，地震影響系數(shù)最大值與場地類別無關，均為0.08。當勾選時，隨著場地條件變差（由Ⅰ0類到Ⅳ類），除Ⅳ類場地地震影響系數(shù)最大值相對Ⅲ類略微減小外，其余的地震影響系數(shù)最大值均是呈變大的趨勢。由于大部分項目都處于Ⅱ類場地，如果漏勾選，可能影響不是很大，但是對于Ⅲ、Ⅳ類場地，應特別注意勾選，避免由于地震作用偏小而造成結構不安全或引起重大返工。

2.3 周期折減系數(shù)選取與實際情況不符

JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》［3］第4.3.17條對不同結構體系的結構周期折減系數(shù)進行了規(guī)定，比如當非承重墻體為砌體墻時，框架結構可取0.6～0.7，剪力墻結構取0.8～1.0等等。

實際操作過程中，很多結構工程師都容易忽略實際情況，直接取中間值。比如凡是框架結構周期折減系數(shù)就取0.65，而不管砌體墻體的多少，甚至一些特殊的建筑，根本就沒有砌體墻，也按0.65取值。根據(jù)規(guī)范條文解釋，對周期進行折減的原因主要是考慮砌體墻對結構周期的影響，由此可以推出如果沒有砌體墻那么也就不用對周期進行折減。

結構周期是否折減對地震作用的影響見圖11、圖12，圖11為結構周期不折減（周期折減系數(shù)1.0）的模型X方向的地震作用，圖12為結構周期折減（周期折減系數(shù)0.7）的模型X方向的地震作用。由圖可知結構周期折減后的模型地震作用將明顯增大，故而影響結構整體含鋼量，如果不管實際情況，而盲目對結構周期進行折減，勢必造成不必要的浪費。

3 對結構缺乏整體性思維

有時候，結構工程師會過度關注局部，而忽略了整體，只見樹木不見森林，以下將從幾個小的方面入手進行舉例說明。

3.1 只關注于規(guī)范有明確規(guī)定的指標而忽略了對超限情況的綜合判定

結構工程師對模型進行調(diào)整時，很容易陷入僅關注于規(guī)范有明確規(guī)定的指標，比如位移角、位移比、周期比之類，而忽略了提前從結構平面布置及立面收進等方面對結構進行判定。

比如根據(jù)DB51T 5058-2020《四川省抗震設防超限高層民用建筑工程界定標準》［4］第4.1.2.1條扭轉不規(guī)則，并不僅僅只有位移比大于1.2才屬于扭轉不規(guī)則，任一層的偏心率大于15%或相鄰層質(zhì)心水平距離大于相鄰層中該方向較大邊長的15%也是扭轉不規(guī)則。再比如該規(guī)范第4.1.2.3條樓板局部不連續(xù)，僅看模型的指標，是不能得出樓板是否存在不連續(xù)的結論的。如果忽略了這些，可能看著模型指標只有兩項不規(guī)則，沒有超限，實際上卻有四項不規(guī)則，屬于超限結構。由于前期沒有對超限情況采取措施予以避免，導致后期重大修改，得不償失。故，應一開始就從結構平面布置及立面收進等方面對結構進行綜合判定，做到心中有數(shù)。

3.2 只關注于承載能力，而忽略正常使用的要求

通常情況下，看構件是否算過僅僅通過對配筋結果的查看，即承載能力滿足要求就認為構件沒有問題，可能對大部分常規(guī)結構是適用的，但是對于大跨度的梁板、長懸挑構件等，應該對可能影響正常使用的撓度裂縫進行關注。通常來說，大跨度的梁板、長懸挑構件等多是由正常使用條件控制的。故，對于構件層次的計算，不僅應關注構件的承載能力，尚應關注該構件的正常使用，二者同樣重要。

3.3 只關注于配筋結果，不關注受力合理性

構件配筋計算通過，并不代表結構受力安全合理。比如在梁上柱的下端，垂直于該抬柱梁的方向沒有設置能抵抗該方向柱底彎矩的梁，而是靠抬柱梁受扭去硬抗梁上柱在該方向的彎矩，這顯然是不合理的，我們更希望梁去承受彎矩，而不是扭矩。而僅從計算模型的配筋結果來看可能只是受扭鋼筋大一些罷了，并不能看出該結構布置的不合理性。故，應該充分發(fā)揮結構工程師自身概念設計的能力，先布置出合理的結構體系，再用軟件去驗證，而不是相反。

4 結束語

本文從三個方面分項舉例說明了結構計算模型中的常見錯誤，并給出了正確做法。而在計算模型中，容易出錯的地方還有很多，以上列舉的僅僅是其中一小部分而已。因此，需要不斷地加強自身對規(guī)范及軟件的理解，不斷地進行總結，才能做出安全、經(jīng)濟、合理的建筑結構。

參考文獻

［1］ 建筑抗震設計規(guī)范：GB 50011-2010［S］.2016年版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

［2］ 建筑結構荷載規(guī)范：GB 50009-2012［S］.2012年版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

［3］ 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程： JGJ3-2010［S］.2010年版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

［4］ 四川省抗震設防超限高層民用建筑工程界定標準：DB51T 5058-2020 ［S］.2020年版.成都：西南交通大學出版社.

［作者簡介］耿強（1984—），男，本科，高級工程師，一級注冊結構工程師，從事工業(yè)與民用建筑結構設計工作。