基于概念设计的高层建筑混凝土结构计算

基于概念设计的高层混凝土建筑结构计算分析第8页共8页基于概念设计的的高层混凝凝土建筑结结构计算分分析谢杰文（广东海海海外建筑筑设计计院有限限公司司广州51000775）[提要]在计计算机技术和和和结构分析析软软件已经经相当当普及的的今天天，概念念设计计仍然是是作好好结构设设计的的重要环环节。本本文针对对概念念设计在在高层层混凝土土建筑筑结构计计算分分析中的的应用用谈谈个个人的的几点粗粗浅体体会。[关键词]概概念念设计计算模型分析与判判断断计算机技术和结结结构分析析软件件的普及及，使使结构计计算分分析的精精度和和效费比比越来来越高，为为比比较准确确地把把握结构构的工工作性能能提供供了有力力的技技术手段段。但但是，即即使到到了人工工智能能技术高高度发发展的时时候，人人脑也永永远不不是包括括电脑脑在内的的任何何工具所所能代代替的，结结构构设计的的关键键仍然在在于概概念设计计。对对于建筑结结构构的计算算分析析，从具体体工工程情况况、力力学概念念和工工程经验验等方方面出发发合理理地选择择计算算分析方方法、确确定计算算模型型和相关关参数数、使用用结构构分析软软件、检检验和判判断计计算结果果的合合理性和和可靠靠性等，是是作作好结构构设计计的重要要环节节。针对对高层层混凝土土建筑筑结构（以以下下简称高高层结结构），本本文文试就概概念设设计在其其计算算分析中中的应应用谈谈谈个人人的几点点粗浅浅体会。1.荷载和作用用高层建筑结构的的的永久作作用（荷荷载）包包括结结构构件件（梁梁、板、柱柱、支支撑、墙墙体）和和非结构构构件件的自重重，可可变作用用包括括楼面可可变荷荷载（活活荷载载）、风风荷载载、地震震作用用、温度度变化化、约束束变形形等。一一般情情况下，可可变变作用可可仅考考虑风荷荷载和和地震作作用；；对于温温度变变化大、可可能能产生约约束变变形（如如不可可忽略的的地基基不均匀匀沉降降等）的的结构构，应考考虑其其作用效效应的的不利影影响。目目前，温温度变变化、约约束变变形、混混凝土土材料的的收缩缩和徐变变的不不利影响响，通通常通过过总体体设计和和构造造设计来来解决决。随着着研究究工作的的不断断深入和和计算算分析软软件的的不断进进步，对对于通过过目前前的构造造措施施不能很很好解解决的非非荷载载效应问问题，有有可能列列入将将来的计计算分分析范畴畴。高层建筑结构是是是逐层施施工完完成的，其其竖竖向刚度度和竖竖向荷载载也是是逐层形形成的的。这种种情况况与结构构刚度度一次形形成、竖相相荷载一次次施加的计计算方法存存在较大的的差异，房房屋越高、构构件竖向刚刚度相差越越大，其影影响越大。因因此对于层层数较多的的高层建筑筑，进行重重力荷载作作用效应分分析时，柱柱、剪力墙墙的轴向变变形宜考虑虑施工过程程的影响。地震动参数一般般般可按《高高层层建筑混混凝土土结构技技术规规程》（以以下下简称《高高规规》）JGJ33--20002相关规定定直直接采用用。根根据《地地震安安全性评评价管管理条例例》，对对于重大大建设设工程必必须进进行场地地地震震安全性性评价价，此时时，应应采用场场地地地震安全全性评评价报告告提供供的地震震动参参数及相相应的的人工模模拟加加速度时时程曲曲线。所所有高高层结构构均应应考虑地地震作作用的偶偶然偏偏心，宜宜考虑虑平扭耦耦联计计算结构构的扭扭转效应应。当当有夹角角大于于15°的斜交抗抗侧侧力构件件时，应应附加该该斜交交方向的的地震震作用。对对于于质量与与刚度度分布明明显不不对称、不不均均匀的结结构，尚尚应计算算双向向水平地地震作作用下的的扭转转影响。2.结构计算模模型型的建立目前，我国规范范范体系是是采用用线弹性性方法法计算结结构的的作用效效应、进进行截面面承载载力设计计的。对对于比较较柔软软的结构构通过过近似方方法考考虑重力力二阶阶效应的的不利利影响；；对于于复杂的的不规规则结构构或重重要的结结构（如如甲类建建筑和和9度抗震设设防防的乙类类建筑筑），验验算其其在罕遇遇地震震作用下下薄弱弱层的弹弹塑性性变形，以以满满足二阶阶段设设计的要要求。因因此，一一般情情况下，高高层层建筑结结构的的内力与与位移移采用线线弹性性方法计计算，框框架梁及及连梁梁等水平平构件件可考虑虑局部部塑性变变形引引起的内内力重重分布。2.1结构计算算算简图处处理高层建筑是三维维维空间结结构，构构件类型型多、数数量大，受受力力复杂；；结构构计算分分析软软件都有有其适适用条件件。因因此，结结构分分析时应应结合合实际情情况和和所采用用计算算模型的的要求求，对结结构进进行适当当的简简化处理理，使使其既能能比较较正确地地反映映结构的的受力力性能，又又适适应所选选用的的计算模模型，从从根本上上保证证分析结结果的的可靠性性。结构计算简图应应应根据结结构的的实际形形状和和尺寸、构构件件的连接接构造造、支承承条件件和边界界条件件、构件件的受受力和变变形特特点等合合理地地确定，既既要要符合工工程实实际，又又要抓抓住主要要矛盾盾和矛盾盾的主主要方面面，弃弃繁就简简，满满足工程程设计计精度要要求，保保证设计计安全全。2.1.1结构构构构件的的几何何形状与与模拟拟结构构件的几何何何形状是是其力力学行为为的主主要内因因之一一，结构构构件件的模拟拟应严严格按照照其几几何形状状来进进行。一一般情情况下，可可用用杆单元元模拟拟梁、柱柱，膜膜单元模模拟楼楼板，壳壳单元元模拟剪剪力墙墙。柱墙截面高宽比比比不宜大大于3。矩形截截面面柱的边边长，非非抗震设设计时时不宜小小于250mmm，抗震设设计计时不宜宜小于于300mmm；圆柱截截面面不宜小小于350mmm。至于剪剪力力墙，矩矩形截截面独立立墙肢肢高厚比比hw/bw不宜小于5。当hw/bw大于8时为一般般剪剪力墙；；当hhw/bw为5～8时为短肢肢剪剪力墙，其其截截面厚度度不应应小于200mmm；当hw/bw不大于3时，应按按柱柱的要求求进行行设计。剪力墙开洞形成成成的梁为为连梁梁，连梁梁可用用杆单元元或壳壳单元来来模拟拟。当其其跨高高比小于2时，宜用用壳壳单元模模拟。当当其跨高高比不不小于5时，宜按按框框架梁进进行设设计。2.1.2支座座座的约束束作用用与模拟拟支座所能提供的的的约束是是建立立在其对对构件件位移的的约束束作用之之上的的，故支支座应应采用相相应的的构造措措施且且应具有有足够够的刚度度。通常，结构的计计计算嵌固固端宜宜设于基基础面面，并要要求基基础采用用适当当的构造造、具具有足够够的刚刚度。有有地下下室时可可考虑虑地下室室外墙墙的影响响，用用壳元或或其它它合适的的单元元模拟地地下室室外墙。当当地地下室层层数较较多时，可可于于地下二二层及及以下楼楼层设设置土弹弹簧考考虑土侧侧向约约束的影影响。梁、板支座类型型型的确定定，不不仅与支支承柱柱、梁的的刚度度有关，而而且且与邻跨跨梁、板板的刚度度比有有关。当当支承承柱、梁梁的刚刚度不足足时，则则属弹性性支座座，计算算中应应考虑其其竖向向位移的的影响响。由于于邻跨跨无梁、板板，故故连续梁梁边支支座、边边跨板板边支座座一般般应按简简支考考虑。在在跨度度悬殊的的相邻邻楼板中中，对对小跨度度板而而言两者者间的的相邻边边可按按固定边边考虑虑，对大大跨度度板则不不宜按按固定边边考虑虑。2.2楼板的模模模型化假假定高层建筑的楼、屋屋盖多为现浇浇钢筋混凝土土楼板或有现现浇面层的预预制装配整体体式楼板，可可视为水平放放置的深梁，故故可近似认为为楼板在其自自身平面内为为无限刚性。采采用这一假定定后，结构分分析的自由度度数目大大减减少，可能减减少由于庞大大自由度系统统而带来的计计算误差，使使计算过程和和计算结果的的分析大为简简化。此时，设设计上应采取取相应的措施施保证楼板的的整体刚度。比比如，平面体体形宜符合《高高层建筑混凝凝土结构技术术规程》（以以下简称《高高规》）JGJ3--2002第4.3.3条的规定；；宜采用现浇浇钢筋混凝土土楼板或有现现浇面层的预预制装配整体体式楼板；局局部削弱的楼楼板，可采取取楼板局部加加厚、设置边边梁、加大楼楼板配筋等措措施。特别是是，《高规》关关于结构扭转转位移比和扭扭转周期比限限值的规定，系系基于楼板平平面内无限刚刚的假定而作作出的。楼板有效宽度较较较窄的环环形楼楼面或其其他大大开洞楼楼面、有有狭长外外伸段段楼面、局局部部变窄产产生薄薄弱连接接的楼楼面、连连体结结构的狭狭长连连接体楼楼面等等情况下下，楼楼板面内内刚度度有较大大削弱弱且不均均匀，楼楼板的面面内变变形会使使楼层层内抗侧侧刚度度较小的的构件件的位移移和内内力加大大（相相对刚性性楼板板假定而而言），计计计算时应应考虑虑楼板面面内变变形的影影响。根根据楼面面的实实际情况况，楼楼板面内内变形形可全楼楼考虑虑、仅部部分楼楼层考虑虑或仅仅部分楼楼层的的部分区区域考考虑。当需要考虑楼板板板面内变变形而而计算中中采用用刚性楼楼板假假定时，应应对对所得结结果进进行适当当的调调整。具具体的的调整方方法和和调整幅幅度与与结构体体系、结结构平面面布置置、楼板板削弱弱情况等等密切切相关，一一般般可对楼楼板削削弱部位位的抗抗侧刚度度相对对较小的的结构构构件，适适当当增大计计算内内力，加加强配配筋和构构造措措施。对于无梁楼盖结结结构，由由于楼楼板较厚厚，其其面外刚刚度在在结构整整体计计算中不不能忽忽略，否否则会会对结构构的整整体分析析带来来较大的的影响响。如果果计算算软件具具有考考虑楼板板面外外刚度的的功能能，应直直接按按楼板的的实际际情况计计算；；如果作作为近近似计算算，可可采用等等代框框架梁加加以考考虑。2.3结构分析析析模型对于高层结构分分分析模型型，剪剪力墙和和楼板板的模型型化假假定是关关键，它它直接决决定了了其科学学性，同同时也决决定了了分析结结果的的精度和和可信信度。对对于体体型特别别不规规则,结构型式式复复杂的结结构，应应采用不不少于于两个不不同的的结构分分析程程序进行行整体体计算并并相互互校核，并并采采用弹性性时程程分析法法进行行补充分分析。当前，国内外流流流行的高高层结结构分析析软件件均采用用空间间杆单元元模拟拟梁、柱柱，按按其对剪剪力墙墙和楼板板的模模型化假假定主主要有四四种，即即开口薄薄壁杆杆模型、嵌嵌板板单元模模型、壳壳元模型型及其其他组合合有限限元模型型等。2.3.1开口口口薄壁杆杆模型型这种模型采用楼楼楼板平面面内无无限刚假假定，将将同一层层彼此此不相连连的剪剪力墙墙墙肢处处理为一一个开开口薄壁壁杆单单元，把把上下下层剪力力墙洞洞口间部部分处处理为连连梁单单元，从从而大大大的减减少了了结构的的自由由度。因因而要要求剪力力墙同同时满足足下述述条件：⑴剪力墙垂垂直直落地，上上下下洞口对对齐，截截面剪心心基本本在同一一垂线线上；⑵剪力墙在在每每层楼面面均有有嵌固。故故不不适用于于长墙墙、矮墙墙、多多肢剪力力墙、框框支剪力力墙、悬悬挑剪力力墙、无无楼板约约束剪剪力墙等等复杂杂剪力墙墙的计计算。同同时，它它忽略了了薄壁壁杆中间间层剪剪切变形形的影影响，无无法反反映剪力力滞后后现象，导导致致结构偏偏刚。TBSA、TAT、SS等软件均均采采用这种种计算算模型。2.3.2嵌板板板单元模模型这种模型又称板板板－梁墙墙元或或空间膜膜元，它它采用楼楼板平平面内无无限刚刚假定，将将一一片剪力力墙简简化为一一个膜膜单元＋＋边梁梁＋边柱柱的“镶边墙元”，膜单元元只只有墙平平面内内的抗弯弯、抗抗剪和抗抗压刚刚度，墙墙平面面外刚度度为零零；边梁梁系一一种特殊殊的刚刚性梁，墙墙平平面内无无限刚刚，墙平平面外外刚度为为零；；边柱用用以等等效替代代剪力力墙平面面外刚刚度。因因而，其其精度较较开口口薄壁杆杆模型型为高。对对于于剪力墙墙上下下洞口不不对齐齐、不等等宽时时，为了了使上上下层间间变形形协调，计计算算单元有有可能能被划分分的又又细又长长，造造成单元元刚度度奇异，使使分分析结果果失真真。此外外，将将剪力墙墙洞口口简化为为一个个梁单元元，削削弱了剪剪力墙墙实际的的变形形协调关关系，导导致结构构偏柔柔。ETABBS、TUS//AADBW、SSW等软件均均采采用这种种计算算模型。2.3.3壳元元元模型这种模型采用每每每一节点点六个个自由度度的壳壳元来模模拟剪剪力墙单单元，因因而剪力力墙既既具有平平面内内刚度又又具有有平面外外刚度度；而楼楼板则则有四种种简化化假定，即即楼楼板平面面内无无限刚、分分块块无限刚刚、分分块无限限刚带带弹性连连接和和弹性板板，因因而比较较接近近实际情情况。它它通过静静力凝凝聚而成成的壳壳元来模模拟剪剪力墙，允允许许剪力墙墙洞口口上下不不对齐齐、不等等宽，适适用于较较为复复杂的结结构，较较真实地地反映映结构刚刚度。SATWWE、SAP等软件均均采采用这种种计算算模型。2.3.4其他他他组合有有限元元模型这是一种介于开开开口薄壁壁杆单单元和连连续体体有限元元之间间的分析析单元元。如TBWE程序提供供的的墙组元元模型型，这种种新型型剪力墙墙模型型在开口口薄壁壁杆模型型的基基础上作作了实实质性的的改进进，不但但考虑虑了剪切切变形形的影响响，而而且引入入节点点竖向位位移变变量代替替开口口薄壁杆杆模型型的形心心竖向向位移变变量，更更准确地地描述述剪力墙墙的变变形状态态。此外，型钢混凝凝凝土和钢钢管混混凝土构构件宜宜按实际际情况况直接参参与计计算，此此时要要求计算算软件件具有相相应的的计算单单元。当当结构中中只有有少量型型钢混混凝土和和钢管管混凝土土构件件时，也也可采采用等刚刚度原原则将其其等效效为钢筋筋混凝凝土构件件进行行计算。2.4计算参数数数计算参数是指进进进行结构构计算算分析时时，与与计算分分析方方法、计计算分分析模型型相关关的参数数，包包括几何何参数数、物理理参数数以及对对所采采用计算算模型型所得计计算结结果的修修正参参数等。在结构内力与分分分析中，框框架架－剪力力墙或或剪力墙墙结构构中的连连梁刚刚度可予予折减减，抗风风设计计控制时时，折折减系数数不宜宜小于0.8；抗震设设计计控制时时不宜宜小于0.5；作设防防烈烈度（中中震）构构件承载载力校校核时不不宜小小于0.3。现浇楼面和装配配配整体式式楼面面梁的抗抗弯刚刚度应考考虑翼翼缘的作作用予予以增大大，增增大系数数通常常可取1.3～2.0，视带翼翼缘缘与不带带翼缘缘时的抗抗弯刚刚度比而而定。在竖向荷载作用用用下，框框架梁梁端负弯弯矩往往往很大大；同同时，超超静定定钢筋混混凝土土结构在在达到到承载力力极限限状态之之前，总总会产生生不同同程度的的塑性性内力重重分布布，其最最终内内力分布布取决决于构件件的截截面设计计情况况和节点点构造造情况。因因此此允许主主动考考虑塑性性内力力重分布布对梁梁端负弯弯矩进进行适当当调幅幅，一般般情况况下，装装配整整体式框框架梁梁端负弯弯矩调调幅系数数可取取0.7～0.8，现浇框框架架梁端负负弯矩矩调幅系系数可可取0.8～0.9。同时，框框框架梁端端负弯弯矩减小小后，梁梁跨中弯弯矩应应按平衡衡条件件相应增增大。当结构计算中未未未考虑楼楼盖对对梁扭转转的约约束作用用时，梁梁的扭转转变形形和扭矩矩计算算值过大大，因因此可对对梁的的计算扭扭矩予予以折减减。研研究表明明，梁梁的扭矩矩折减减系数与与楼盖盖的约束束作用用和梁的的位置置密切相相关，介介于0.1～0.7之间，一一般般不应小小于0.3。3.计算结果的的合合理性分析析析与判断断由于结构体系的的的合理性性对结结构的安安全性性和经济济性起起着决定定作用用，因此此，结结构工程程师除除了要根根据具具体工程程情况况，选择择使用用合适、可可靠靠的结构构分析析软件外外，还还应从力力学概概念和工工程经经验等方方面出出发，首首先对对其计算算结果果进行总总体分分析与判判断，确确认其合合理性性和可靠靠性，然然后再对对细部部进行分分析与与判断。3.1平衡条件件件根据力的平衡原原原理，分分析结结构在单单一重重力荷载载或风风荷载作作用下下计算结结果是是否满足足平衡衡条件，判判断断其正确确性。进进行平衡衡分析析时，不不能考考虑施工工过程程的模拟拟加载载的影响响，因因平衡校校核必必须针对对同一一结构在在同一一荷载作作用下下进行。至至于于地震作作用，只只能对单单一振振型进行行校核核，而且且必须须在未作作任何何修正的的情况况下进行行。校校核时，可可用用小例题题试算算。当结构对称或近近近乎对称称时，可可利用对对称结结构的力力学特特性判断断计算算结果的的正确确性。如如出现现异常情情况，可可能是相相关的的几何或或荷载载数据有有误。一般而言，平衡衡衡条件已已在编编制程序序时经经过严格格校核核，这是是程序序正确性性判断断的必经经步骤骤。因而而，用用户可以以不必必再行校校核。3.2周期结构自振周期宏宏宏观地反反映了了结构的的几何何特性和和刚度度性质，若若计计算出来来的周周期出入入较大大，那么么与地地震作用用有关关的一系系列计计算就都都是有有问题的的了。在正常情况下，若若结构比较一一般、构件截截面尺寸符合合常规要求，当当采用非耦联联计算地震作作用时，则结结构第一自振振周期T1应落在常规规范围内，即即，框架结构T1＝0.1～0.155N框剪结构T1＝0.08～0.122N剪力墙结构T1＝0.04～0.066N筒中筒结构T1＝0.06～0.100N其中N为结构计计计算层数数。如果输出周期已已已考虑了了周期期折减系系数ψψT，则会稍稍短短于上述述数值值。通常，结构第二二二自振周周期TT2＝(1/3～1/5))T1，结构第第三三自振周周期TT3＝(1/5～1/7))T1。当采用扭转耦联联联计算地地震作作用时，其其结结构第一一自振振周期也也应落落在常规规范围围内，但但不能能简单地地与非非耦联计计算时时比较；；扭转转为主的的第一一自振周周期TTt与平动为为主主的第一一自振振周期T1之比应小小于0.9或0.85。如果周期过长或或或过短，可可能能以下两两个原原因之一一：⑴结构方案本身身身不很合理理，刚刚度过大大或过过小。如如果结结构方案案基本本正常，则则检检查下一一步。⑵输入数据有误误误。先检查查几几何数据据，再再检查质质量或或荷载信信息。质质量（荷荷载）偏偏大，则则周期期偏长；；质量量（荷载载）偏偏小，则则周期期偏短。3.3振型计算振型数应使使使振型参参与质质量不小小于总总质量的90％。一般般情情况下，振振型型曲线连连续光光滑，不不应出出现突然然的转转折点或或不规规则的凹凹凸。当当结构竖竖向刚刚度有较较大的的突变、顶顶部部有高塔塔时，在在转变处处可能能出现明明显的的突变点点。通常，第一振型型型应当无无零点点；第二二振型型的零点点应在在（0.7～0.8）H处，H为结构高高度度；第三三振型型有两个个零点点，分别别位于于（0.4～0.5）H和（0.8～0.9）H处。3.4地震力当采用非耦联计计计算地震震作用用时，结结构底底部总剪剪力应应在常规规范围围内，即即总剪重比Q/W＝1.2%～2.8%（7度、Ⅱ种土）Q/W＝2.88%～55.0%（8度、Ⅱ种土）按振型分解法计计计算地震震作用用时，在在正常常情况下下，低低振型底底部剪剪力大于于高振振型底部部剪力力。当结结构竖竖向质量量、刚刚度有突突变或或结构过过于高高柔时，可可能能出现高高振型型底部剪剪力反反而大于于低振振型底部部剪力力的现象象。当采用扭转耦联联联计算地地震作作用时，其其振振型较为为复杂杂，底部部总剪剪力与非非耦联联计算相相近或或略小。底部总剪力过小小小，可能能是因因为结构构本身身刚度过过小，或或者未考考虑周周期折减减系数数ψT。反之，则则则可能是是因为为结构本本身刚刚度过大大。在地震力计算值值值偏小的的情况况下，结结构将将偏于不不安全全。而结结构本本身刚度度过大大以致地地震力力过大情情况下下，则要要么下下一步难难以进进行，要要么很很不经济济。所所以，只只有当当底部总总剪力力在合理理的范范围内，检检查查位移、内内力力、配筋筋才有有意义。3.5位移曲线线线在正常情况下，框框架结构的位位移曲线应为为剪切型；剪剪力墙结构应应为弯曲型；；框剪结构为为弯剪型。除除非竖向刚度度有突变,位移曲线应应当是连续光光滑的，无明明显的转折点点，对于剪切切型、弯曲型型曲线不应有有拐点；而对对弯剪型曲线线则应有一个个拐点。位移和在考虑偶偶偶然偏心心影响响的地震震作用用下的扭扭转位位移比均均应满满足《高高规》3-200002的有关要要求求。当采采用开开口薄壁壁杆模模型计算算时，最最大层间间位移移以1/166000～1/255000为佳；当当采采用墙元元模型型（包括括膜元元、壳元元）计计算时，最最大大层间位位移以以1/122000～1/166000为佳。经过上述宏观概概概略检查查后，如如果符合合正常常情况，或或虽虽不在正正常范范围内，但但有有原因可可解释释，确实实如此此，则这这个计计算结果果基本本可信。4.细部内力和和配配筋的分析析析与判断断结构工程师尚应应应对细部部内力力和配筋筋进行行更细致致的分分析与判判断，并并加以调调整。⑴个别构件超筋筋筋超限情况况的的分析与与判断断。⑵一般构件的配配配筋率应在在0.5％～1.5％之间，配配配筋规律律符合合一般构构件的的内力特特性。竖竖向构件件的轴轴压比应应符合合规范要要求，其其加强部部位的的配筋应应得到到反映。⑶特殊构件，如如如转换梁、长长悬臂梁、大大跨度梁、转转换柱、跨层层柱及特殊荷荷载作用处的的构件等，其其内力、配筋筋是否正常？？有否异常现现象，能否解解释得通？5.补充分析对于较复杂的高高高层结构构，除除了整体体分析析外，尚尚应对对照《高高规》JGJ33--20002的有关规规定定进行必必要的的补充分分析，主主要包括括多遇遇地震下下的弹弹性时程程分析析、复杂杂框支支框架的的应力力分析以以及特特殊荷载载作用用处的构构件的的补充分分析等等。6.结语离开了计算机的的的帮助，高高层层建筑给给结构构工程师师所带带来的工工作量量将是难难以想想像的。但但是是，即使使是在在使用结结构分分析软件件进行行结构计计算的的时候，离离开开了概念念设计计也将是是根本本无法想想像的的，概念念设计计要求结结构工工程师，时时刻刻带着清清晰的的概念去去正确确地把握握和处处理结构构所受受的各种种作用用以及结结构在在各种作作用下下的效应应。概概念设计计应贯贯穿于结结构设设计的整整个过过程中，对对