談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的分析判斷
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)普遍應(yīng)用；計(jì)算結(jié)果；分析判斷；整體性指標(biāo)；工程經(jīng)驗(yàn)性參考指標(biāo)；規(guī)范明確規(guī)定的結(jié)構(gòu)量化指標(biāo)；結(jié)構(gòu)局部分析;重視概念設(shè)計(jì)；安全經(jīng)濟(jì)適用合理。
隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，運(yùn)算能力運(yùn)算速度的不斷提高，使高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)更安全更合理更經(jīng)濟(jì)成為可能。但是高層建筑結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，構(gòu)件多，計(jì)算數(shù)據(jù)輸入輸出量都非常大，如果缺乏對計(jì)算程序適用條件范圍及計(jì)算過程進(jìn)行盡可能地深入了解把握而輕率套用、濫用計(jì)算機(jī)，對計(jì)算結(jié)果的合理經(jīng)濟(jì)與可靠性缺乏準(zhǔn)確的判斷力，那將會使計(jì)算結(jié)果有可能不準(zhǔn)確甚至可能錯誤，對實(shí)際工程將可能遺留隱患甚至造成災(zāi)難性后果，因此必須對計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，選用合適恰當(dāng)?shù)挠?jì)算軟件，輸入的計(jì)算數(shù)據(jù)必須反復(fù)核對確保無誤并根據(jù)計(jì)算結(jié)果循環(huán)調(diào)整直至滿足要求，對輸出計(jì)算結(jié)果的可靠性合理性經(jīng)濟(jì)性逐一判斷分析調(diào)整，最后才可用于實(shí)際工程。實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果所需考慮的主要方面及注意調(diào)整事項(xiàng)，以期提高對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全面準(zhǔn)確迅速的把握能力。
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(gòu)造措施要求得到結(jié)構(gòu)類型體系、構(gòu)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(jìn)行計(jì)算，得出一系列相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。對這些計(jì)算結(jié)果的分析，首先進(jìn)行計(jì)算結(jié)果總體判斷、調(diào)整，確認(rèn)其可靠合理，然后再對結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行詳細(xì)的檢查和分析。對高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的分析一般可從結(jié)構(gòu)整體和局部兩個方面考慮。反映計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體性指標(biāo)可以分為兩類：工程經(jīng)驗(yàn)性參考指標(biāo)和規(guī)范明確規(guī)定的結(jié)構(gòu)量化指標(biāo)，以下分別對這兩類指標(biāo)進(jìn)行介紹分析。
工程經(jīng)驗(yàn)性參考指標(biāo)，主要包括以下五類：1).結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自振周期：按正常的設(shè)計(jì)，大量單塔樓非耦連計(jì)算地震作用時，其第一周期一般在以下范圍內(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=0.04~0.08N；筒中筒結(jié)構(gòu)T1=0.06~0.10N（其中N為結(jié)構(gòu)計(jì)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(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)考慮本工程剛度是否太大或太小，必要時調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸。3）.底部總剪力與總重量比：根據(jù)許多工程計(jì)算的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在正常設(shè)計(jì)的條件下，對第一周期小于3.5秒的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)底部水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算的地震作用偏離上述數(shù)值太大，必要時調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸，借以調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較安全經(jīng)濟(jì)合理。4）.振型曲線：正常計(jì)算結(jié)果，單塔樓結(jié)構(gòu)的振型曲線多為連續(xù)光滑曲線。第一振型沒有零點(diǎn)；第二振型的零點(diǎn)在（0.7~0.8）H的高度上；第三振型的零點(diǎn)分別位于（0.4~0.5）H和（0.8~0.9）H的高度上（見圖一）。當(dāng)沿豎向有非常顯著的剛度和質(zhì)量突變（如帶加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層等的不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)或復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，尤其是超限高層結(jié)構(gòu)）時，振型曲線有可能出現(xiàn)不光滑的畸變點(diǎn)。5）.位移曲線:將位移參考點(diǎn)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(yīng)出現(xiàn)畸點(diǎn)，曲線應(yīng)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(diǎn)、凹凸異形。如中國南方電力調(diào)度通訊大樓層間側(cè)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(jié)構(gòu)量化指標(biāo)，主要包括：綜合性指標(biāo)、平面要求指標(biāo)、豎向要求指標(biāo)三大類。若計(jì)算結(jié)果不滿足其中任何一項(xiàng)，則必須進(jìn)行調(diào)整直至滿足。1）.綜合性指標(biāo)：（1）層間位移角（樓層層間最大位移與層高之比）：它是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度控制的重要指標(biāo)，其數(shù)值的大小從一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的整體剛度是否安全經(jīng)濟(jì)，可引起設(shè)計(jì)者對其中的結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)的豎向及平面布置合理性的再思考，甚至再選擇�，F(xiàn)行規(guī)范對層間位移角的限值確定不僅考慮了非結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件可能受到的破壞，還考慮控制了剪力墻、柱等重要抗側(cè)力構(gòu)件的開裂，是結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)控制中最重要的目標(biāo)之一，也是其他性能目標(biāo)控制和調(diào)整的基礎(chǔ)。理想的控制結(jié)果是層間位移角略小于規(guī)范值，且兩向側(cè)向位移值相近，當(dāng)然層間位移角限值控制是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足的必要條件，還應(yīng)滿足其它控制指標(biāo)。另外高度超過150m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度。（2）.剪重比（樓層地震剪力系數(shù)）：是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)大小的一個重要指標(biāo)，是對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力與重力荷載代表值的比值，其大小主要與結(jié)構(gòu)地震設(shè)防烈度有關(guān)。規(guī)范限制剪重比最小值是確保長周期地震作用下結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)計(jì)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(jìn)行調(diào)整，或增減結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)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(jié)構(gòu)剛度相對于重力荷載過小；但剛重比過分大，則說明結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較差，宜
適當(dāng)減少墻、柱等豎向構(gòu)件的截面面積。另外對高層、超高層建筑，結(jié)構(gòu)整體傾覆驗(yàn)算十分重要，直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)安全度，應(yīng)按《高規(guī)》JGJ3-2002第12.1.6條進(jìn)行控制基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)面積。2）.平面要求指標(biāo)：（1）.周期比：它是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。規(guī)范對其限制的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不致出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而不是要求結(jié)構(gòu)具有足夠大的剛度。當(dāng)計(jì)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(jìn)行調(diào)整，或通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，甚至改變結(jié)構(gòu)類型，或降低結(jié)構(gòu)平動剛度，使平動周期加長。（2）.位移比：它是控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，是指樓層豎向構(gòu)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(jié)構(gòu)平面布置，減小結(jié)構(gòu)剛心與形心的偏心距。3).豎向要求指標(biāo):(1).剛度比:主要為限制結(jié)構(gòu)豎向布置的不規(guī)則性，避免結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變，形成薄弱層，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的豎向剛度勻稱度；對于形成的薄弱層應(yīng)按規(guī)范予以加強(qiáng)或調(diào)整結(jié)構(gòu)布置和材料強(qiáng)度等級，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震延性連接構(gòu)造措施，來加強(qiáng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)豎向布置不規(guī)則的重要指標(biāo)，避免樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)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(gòu)件尺寸、配筋有關(guān)，與他們的連接方式無關(guān)。對于形成的薄弱層應(yīng)按規(guī)范予以加強(qiáng)，或提高本層構(gòu)件強(qiáng)度（如增大配筋、提高混凝土強(qiáng)度或加大截面）以提高本層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪承載力，或適當(dāng)降低上部相關(guān)樓層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪承載力，以滿足規(guī)范要求。
高層結(jié)構(gòu)整體分析無法包括所有構(gòu)件，或包括了但由于模型關(guān)系而給不出較準(zhǔn)確的內(nèi)力，故高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的分析除了從結(jié)構(gòu)整體方面考察滿足要求后，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算和分析，尤其是對重要部位和關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行必要的局部分析，并采取相應(yīng)的處理措施。結(jié)構(gòu)局部分析主要包括三個方面：1).重要部位和關(guān)鍵構(gòu)件的分析設(shè)計(jì):主要包括特殊部位構(gòu)件（如轉(zhuǎn)換層、轉(zhuǎn)換梁、大懸臂梁、轉(zhuǎn)換柱、跨層柱、特別荷載作用部位、框支梁柱、異型板）應(yīng)分析其內(nèi)力（可借助計(jì)算數(shù)據(jù)及圖形文件）、配筋是否合理正常；必要時應(yīng)進(jìn)一步分析，包括采用合適的局部分析軟件、相關(guān)或類似工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果、手算（導(dǎo)荷載及內(nèi)力計(jì)算）等措施進(jìn)行復(fù)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(jié)構(gòu)的延性要求，規(guī)范對墻柱軸壓比均有相應(yīng)限值要求。軸壓比不滿足要求，結(jié)構(gòu)的延性要求無法保證，應(yīng)增大墻、柱的截面面積或提高該層墻柱混凝土強(qiáng)度；軸壓比過小，則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較差，宜適當(dāng)減少相應(yīng)墻、柱的截面面積。3).構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)：在安全經(jīng)濟(jì)適用的原則下，根據(jù)構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果（數(shù)形文件）、實(shí)際受力狀況(傳力大小途徑、構(gòu)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(qiáng)措施、構(gòu)件配筋合理性等，進(jìn)行構(gòu)件分析判斷優(yōu)化調(diào)整：包括構(gòu)件的異常及超筋信息處理、截面尺寸配筋率、構(gòu)件內(nèi)力變形配筋的平衡對稱性、構(gòu)件材料形式選擇。另外，設(shè)計(jì)者必須明白目前規(guī)范為實(shí)現(xiàn)三個水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)，通常通過彈性地震作用和承載力計(jì)算來滿足第一水準(zhǔn)的設(shè)防要求，然后通過與概念設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)力調(diào)整和抗震構(gòu)造措施來滿足第二水準(zhǔn)和第三水準(zhǔn)地震的宏觀性能控制要求，有些工程還要求進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算調(diào)整，以滿足有特殊要求的建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到某些抗震設(shè)防性能目標(biāo)，或防止某些建筑物在大震下倒塌，因此必須重視計(jì)算結(jié)果，同樣也必須滿足規(guī)范抗震措施及概念加強(qiáng)措施。
以上內(nèi)容主要是對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的分析判斷的兩個主要方面。實(shí)際上建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，與建筑材料、施工技術(shù)水平、國家及地方經(jīng)濟(jì)水平、規(guī)范規(guī)程發(fā)展要求等眾多因素相關(guān)，具有許多不確定影響因素，同時現(xiàn)有的各種計(jì)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(shí)現(xiàn)的，其計(jì)算結(jié)果有的不一定是結(jié)構(gòu)真實(shí)受力狀態(tài)的反映；對于實(shí)際工程中出現(xiàn)的各種各樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)有的計(jì)算模型也不是都能適用，即使采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)分析，由于尺寸效應(yīng)差異和各種難以模擬的復(fù)雜因素影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也未必都能反映建筑結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力性能狀態(tài)。因此在設(shè)計(jì)高層結(jié)構(gòu)時，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的計(jì)算，但也不應(yīng)過于依賴計(jì)算和盲目應(yīng)用計(jì)算結(jié)果，應(yīng)從工程結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)、地震災(zāi)害、抗震概念和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對計(jì)算結(jié)果認(rèn)真加以分析；也應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，重視工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用，使高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)適用合理的目的。
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