高层混凝土建筑结构的合理设计计算与结果分析判断
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摘要：浅析高层建筑结构中荷载的概念及作用、结构计算模型、结果合理性的分析判断及细部内力和配筋的分析判断等。
关键词：高层建筑结构；计算机计算；结果分析判断
1 引言
随着计算机技术的发展和结构分析软件的普及，高层建筑结构的计算分析也方便多了，且精度和效费比更高。从具体工程情况、力学概念和工程经验等方面出发，合理地选择计算分析方法、确定计算模型和相关参数、使用结构分析软件、检验和判断计算结果的合理性和可靠性等，已成为了结构设计的重要环节。
2 荷载的概念及作用
①荷载概念。高层建筑结构的永久性作用，即荷载，它包括结构构件和非结构构件的自重，可变作用（可变荷载）、风荷载、地震作用、温度变化、约束变形等。可变作用仅考虑风荷载和地震作用即可；温度变化大、可能产生约束变形的结构，应考虑作用效应的不利影响。②荷载影响。高层建筑结构因是逐层施工完成的，竖向刚度和竖向荷载也是逐层形成的。该情况与结构刚度一次形成、竖相荷载一次施加的计算方法就存在较大差异。房屋越高、构件竖向刚度相差越大，影响就越大。因此，在对重力荷载作用效应分析时，柱、剪力墙的轴向变形宜考虑施工过程影响。③地震影响。地震动参数可按《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002相关规定直接采用。按照《地震安全性评价管理条例》，重大建设工程必须进行场地地震安全性评价。高层结构应考虑地震作用的偶然偏心，即平扭耦联计算结构的扭转效应。
3 结构计算模型
国家规范体系是采用线弹性方法计算结构的作用效应、进行截面承载力设计的。比较柔软的结构通过近似方法考虑重力二阶效应的不利影响；复杂的不规则结构或重要的结构，验算其在罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形，以满足二阶段设计的要求。所以，高层建筑结构的内力与位移采用线弹性方法计算，框架梁及连梁等水平构件可考虑局部塑性变形引起的内力重分布。
1）结构计算简化处理。高层建筑为三维空间结构，构件类型多、数量大，受力复杂；结构计算分析软件也有其适用条件，所以应结合实际情况和所采用计算模型的要求，对结构进行适当的简化处理，以适应所选用的计算模型，保证分析结果的可靠性。①结构构件的几何形状与模拟。应严格按照几何形状进行，可用杆单元模拟梁、柱，膜单元模拟楼板，壳单元模拟剪力墙。②支座的约束作用与模拟。支座所能提供的约束是建立在对构件位移的约束作用之上的，所以支座应采用相应的构造措施且应具有足够的刚度。
2）楼板模型化假定。高层楼、屋盖多为现浇钢筋混凝土楼板或有现浇面层的预制装配整体式楼板，可视为水平放置的深梁，近似认为楼板在其自身平面内为无限刚性。根据这一假定，结构分析的自由度数目大为减少，削减所带来的计算误差，使计算过程、结果的分析得到简化。重点考虑：a.考虑楼板宽窄影响。b.考虑楼板面内变形。c.考虑无梁楼盖结构。
3）结构分析模型。其结构分析模型中剪力墙和楼板的模型化假定为关键，决定了科学性和分析结果的精度、可信度。体型非常不规则，结构型式复杂的，应采用不少于两个不同的结构分析程序进行整体计算并相互校核，加弹性时程分析法补充分析。现采用空间杆单元模拟梁、柱，按其对剪力墙和楼板的模型化假定有四种：开口薄壁杆模型、嵌板单元模型、壳元模型及其他组合有限元模型。①开口薄壁杆模型：采用楼板平面内无限刚假定，将同一层彼此不相连的剪力墙墙肢处理为一个开口薄壁杆单元，把上下层剪力墙洞口间部分处理为连梁单元，减少了结构的自由度。要求剪力墙满足两个条件：剪力墙垂直落地，上下洞口对齐，截面剪心基本在同一垂线上；剪力墙在每层楼面均有嵌固。②嵌板单元模型：又称板-梁墙元或空间膜元，采用楼板平面内无限刚假定，将一片剪力墙简化为一个膜单元+边梁+边柱的“镶边墙元”，膜单元只有墙平面内的抗弯、抗剪和抗压刚度，墙平面外刚度为零；边梁系特殊的刚性梁，墙平面内无限刚，墙平面外刚度为零；边柱用以等效替代剪力墙平面外刚度。精度较开口薄壁杆模型为高。③壳元模型：采用每一节点六个自由度的壳元来模拟剪力墙单元，剪力墙既具有平面内刚度，又具有平面外刚度；楼板有四种简化假定（楼板平面内无限刚、分块无限刚、分块无限刚带弹性连接和弹性板），比较接近实际情况。通过静力凝聚而成的壳元来模拟剪力墙，允许剪力墙洞口上下不对齐、不等宽，适用于较为复杂的结构，较真实地反映结构刚度。④组合有限元模型：其为一种介于开口薄壁杆单元和连续体有限元之间的分析单元（如TBWE程序提供的墙组元模型）。该新型剪力墙模型在开口薄壁杆模型的基础上作了实质性的改进，考虑了剪切变形的影响，引入节点竖向位移变量代替开口薄壁杆模型的形心竖向位移变量，更准确地描述剪力墙的变形状态。
4）计算参数。①结构内力与分析中，框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予折减，抗风设计控制时，折减系数不宜小于0.8；抗震设计控制时不宜小于0.5；作设防烈度（中震）构件承载力校核时不宜小于0.3。②现浇楼面和装配整体式楼面梁的抗弯刚度应考虑翼缘的作用予以增大，系数通常可取1.3～2.0，视带翼缘与不带翼缘时的抗弯刚度比而定。③竖向荷载作用下，框架梁端负弯矩往往很大；超静定钢筋混凝土结构在达到承载力极限状态前，总会产生不同程度的塑性内力重分布，最终内力分布取决于构件的截面设计情况和节点构造情况。所以允许主动考虑塑性内力重分布对梁端负弯矩进行适当调幅。一般装配整体式框架梁端负弯矩调幅系数可取0.7～0.8，现浇框架梁端负弯矩取0.8～0.9。框架梁端负弯矩减小后，梁跨中弯矩应按平衡条件相应增大。④结构计算中未考虑楼盖对梁扭转的约束作用时，梁的扭转变形和扭矩计算值过大，可对梁的计算扭矩折减。梁的扭矩折减系数与楼盖的约束作用和梁的位置密切相关，介于0.1～0.7之间，不应小于0.3。
4 结果合理性的分析判断
结构体系的合理性对其安全性和经济性起决定作用，所以要根据具体工程情况，选择使用合适、可靠的结构分析软件外，还应从力学概念和工程经验等观点出发，对计算结果进行总体分析与判断，确认合理性和可靠性，然后再对细部进行分析与判断。
1）平衡条件。按力的平衡原理，分析结构在单一重力荷载或风荷载作用下是否满足平衡条件。平衡分析时，不能考虑施工过程的模拟加载影响，必须针对同一结构在同一荷载作用下进行。地震作用，只能对单一振型进行校核，且必须在未作任何修正的情况下进行。当结构对称或接近对称时，可利用对称结构的力学特性判断计算结果的正确性。出现异常情况，可能是相关的几何或荷载数据有误。
2）周期条件。结构自振周期宏观地反映了结构的几何特性和刚度性质。若计算出来的周期出入较大，与地震作用有关的一系列计算说明就有问题了。若结构比较一般、构件截面尺寸符合常规要求，当采用非耦联计算地震作用时，则结构第一自振周期T1应落在常规范围内（框架结构：T1=0.1～0.15N；框剪结构：T1=0.08～0.12N；剪力墙结构：T1=0.04～0.06N；筒中筒结构：T1=0.06～0.10N。其N为结构计算层数）。若输出周期已考虑了周期折减系数ψT，则会稍短于上述数值。通常，结构第二自振周期T2=（1/3～1/5）T1，结构第三自振周期T3=（1/5～1/7）T1。采用扭转耦联计算地震作用时，其结构第一自振周期也应落在常规范围内，但不能简单地与非耦联计算时比较；扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比应小于0.9或0.85。
3）振型条件。计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。振型曲线连续光滑，不应出现突然的转折点或不规则的凹凸。当结构竖向刚度有较大的突变、顶部有高塔时，在转变处可能出现明显的突变点。通常第一振型应当无零点；第二振型的零点应在（0.7～0.8）H处，H为结构高度；第三振型有两个零点，分别位于（0.4～0.5）H和（0.8～0.9）H处。
4）地震力。当采用非耦联计算地震作用时，结构底部总剪力应在常规范围内（总剪重比：Q/W=1.2%～2.8%、2.8%～5.0%，即7度、Ⅱ种土和8度、Ⅱ种土情况）。按振型分解法计算地震作用时，低振型底部剪力大于高振型底部剪力。结构竖向质量、刚度有突变或结构过于高柔时，可能出现高振型底部剪力反而大于低振型底部剪力的现象；采用扭转耦联计算地震作用时，其振型较为复杂，底部总剪力与非耦联计算相近或略小；底部总剪力过小，可能是因为结构本身刚度过小，或未考虑周期折减系数ψT（反之可能是因为结构本身刚度过大）；地震力计算值偏小时，结构将偏于不安全。只有当底部总剪力在合理的范围内，检查位移、内力、配筋才有意义。
5）位移曲线。正常框架结构的位移曲线应为剪切型；剪力墙结构应为弯曲型；框剪结构为弯剪型。除非竖向刚度有突变，位移曲线应当是连续光滑的，无明显的转折点，对于剪切型、弯曲型曲线不应有拐点；而对弯剪型曲线则应有一个拐点。位移和在考虑偶然偏心影响的地震作用下的扭转位移比均应满足《高规》有关要求。采用开口薄壁杆模型计算时，最大层间位移以1/1600～1/2500为佳；当采用墙元模型计算时，最大层间位移以1/1200～1/1600为佳。经过宏观概略检查后，如果符合正常情况，或虽不在正常范围内，但有原因可解释，确实如此，则这个计算结果基本可信。
5 细部内力和配筋的分析判断
细部内力和配筋进行细致的分析与判断，还要加以调整。重点在：①构件超筋超限情况的分析与判断。②构件配筋率应在0.5%～1.5%之间，配筋规律符合一般构件的内力特性。③特殊构件（转换梁、长悬臂梁、大跨度梁、转换柱、跨层柱及特殊荷载作用处的构件等），内力、配筋是否正常应关注。
6 结语
利用计算机软件进行高层建筑结构分析、计算，为人们提供了很大的方便，但是要时刻带着清晰的概念正确把握和处理结构所受的各种作用及其效应。概念设计必须贯穿于结构设计的全过程。
参考文献
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