混凝土结构分析的基本方法及其应用

混凝土结构分析的基本方法及其应用
摘要：砼结构分析在砼结构设计中是仅次于结构方案的第二安全层次。

混凝土
结构分析应满足的三个基本条件，混凝土结构分析的基本方法及不同的使用条件，多高层钢筋混凝土建筑结构的计算分析及其应用。

结构分析是保证结构安全的前提，结构设计人员应采用科学、合理的分析手段，不断提高结构分析水平。

关键词：结构分析；分析方法；应用
许多结构事故或灾害调查都表明，结构分析中基本假定和计算简图的失误可
能造成很大的偏差，甚至会破坏形态的根本性变化。

长期以来，我国规范设计和
设计人员比较重视构件的配筋计算而往往忽视结构分析，斤斤计较于截面、配筋、强度，而作为对配筋设计依据的内力来源，却不甚了解。

因此，应尽快改变这种
本末倒置的现象，建立起清晰的力学概念，并具有必要的结构常识，尽量采用比
较科学，合理的分析手段，以提高结构分析的水平。

一、砼结构分析应满足的基本条件砼结构是由钢筋和砼组成的，钢筋是比较
理想的弹塑性材料，屈服以前为理想弹性，屈服以后则认为是塑性的，而砼材料
则要复杂的多，其抗压强度高而抗拉强度较低，相差一个数量级，变形也是非线
性的，开裂以后则变成各向异性体，垂直裂缝方向已不可能传递拉力，从而呈现
出复杂的弹塑性性质，而由这二种性质完全不同的材料构成的砼结构，力学性能
则更为复杂，承载受力以后构件可能经历线性、非线性、开裂、屈服、压溃等过程，而作为结构分析重要参数的“刚度”，也是处在持续变化之中，尽管砼结构分
析比较复杂和困难，但与其它所有的力学问题一样，结构分析应满足下列三个基
本条件：1、平衡条件。

无论是整个结构体系，各个结构构件，还是其中的局部，甚至是计算单元，力学的平衡条件是必须满足的，这是结构分析的基本保证。

2、变形协调。

作用(荷载)必然引起结构的变形，而变形以后结构体系仍应保
持完整，即在各个构件连接处仍然连续，在所有的计算单元边界上也应保持协调
变形。

3、本构关系。

在遭受荷载作用后，结构材料（钢筋，砼）或计算单元都会
发生变形，而其受力--变形的本构关系应基本符合实际情况。

在上述三个基本条件中，平衡条件必须满足，变形协调根据需要在不同程度
上满足，而本构关系则是合理选择的问题，它们在不同程度上都影响了结构分析
的准确程度。

二、混凝土结构分析的基本方法：砼结构分析的基本方法，主要有：弹性分
析法、塑性内力重分布法、弹塑性分析法、塑性极限分析法、试验分析法，结构
分析时，应根据结构类型，材料性能和受力特点等，选择合理的结构分析方法。

1、弹性分析法。

弹性分析法是结构分析中最简单，最基本的方法，其用定
值弹性模量的线形本构关系进行分析，因此十分简单。

砼材料可视为匀质体，不
考虑钢筋及预应力留孔洞的影响，并由此计算截面惯性矩。

分析可以采用结构力学、弹性力学的方法，也可以采用有限元分析或其他方法，体型规则的结构，还
可以根据作用的种类及性质，采用适当的简化分析方法。

结构弹性分析方法可用于正常使用极限状态和承载能力极限状态作用效应的
分析，由于弹性分析方法较简单，对一般结构计算所得的效应（内力）误差并不
太大，因此至今仍被大量使用。

但应该注意的问题是：构件受力变形后，由于在
边界连接处的变形协调可能会对构件本身以及邻近构件的内力造成影响，例如支
撑在梁上的板，当承载变形较大时，支承梁的竖向不均匀变形（沉降）以及转动
(约束扭转)，都可能会反过来影响板的内力分布。

2、塑性内力重分布分析法。

重力荷载作用下的框架、框架--剪力墙结构中的现浇梁以及双向板等，经弹性分析求得内力后，可对支座或节点弯矩进行适当调幅，并确定相应的调幅幅度。

采用塑性内力重分布分析方法设计结构和构件时，选用的钢筋应符合混凝土结构规范的规定，并应满足正常使用极限状态要求且采取有效的构造措施。

需要注意的是，对于直接承受动力荷载的构件，以及要求不出现裂缝或处于3a、3b 类环境情况下的结构，不应采用考虑塑性内力重分布的分析方法。

考虑采用塑性内力重分布时，钢筋砼梁、板、支座或节点边缘截面的负弯矩调幅幅度应符合混凝土结构规范的规定，并且考虑内力重分布后的支承梁，应按弯剪扭构件进行承载力计算。

3、弹塑性分析法。

工程中受力复杂的结构或重要的结构，应进一步采用弹塑性分析方法。

弹塑性分析法的特点是：应预先设定结构的形状、尺寸、边界条件、材料性能和配筋条件等，再对结构整体或局部进行验算，验算的规则如下：（1）采用弹塑性分析法确定作用效应时，材料的性能指标及本构关系（应力--应变关系）应取平均值，根据具体情况采用不同离散尺度的计算单元及本构关系，并应符合实际受力情况。

（2）结构分析的基本构件计算模型：对梁、柱等杆系构件可简化为一维单元，采用纤维束模型或塑性铰模型；墙、板等构件可简化为二维单元，采用膜单元、板单元或壳单元；复杂砼结构、大体积结构，结构的节点或局部区域需作精细分析时，宜采用三维块单元。

（3）根据实际情况采用静力或动力分析方法计算，并宜考虑结构几何非线性的不利影响。

构件、截面或各种计算单元的受力--变形本构关系应符合实际受力情况，某些变形较大的构件或节点进行局部精细分析时，应考虑钢筋与混凝土之间的粘结--滑移本构关系。

4、塑性极限分析法。

对于不承受多次重复荷载作用的混凝土结构，当有足够的塑性变形能力时，可采用塑性极限理论的分析方法进行结构的承载力计算，同时应满足正常使用的要求，整体结构的塑性极限分析计算应符合以下规定：（1）对可预测结构破坏机制的情况，结构的极限承载力可根据设定的结构塑性屈服机制，采用塑性极限理论进行分析。

（2）对难于预测结构破坏机制的情况，结构的极限承载力可采用静力或动力塑性分析方法确定。

（3）对直接承受偶然作用的结构构建或部位，应根据偶然作用的动力特征考虑其动力效应的影响。

承受均布荷载的周边支承的双向矩形板，可采用塑性铰线法或条带法等塑性极限分析方法进行承载能力极限状态的分析与设计。

5、试验分析法。

就是通过试验的方法，对结构进行分析，适用于结构或受力复杂，边界条件难以确定，采用上述的分析方法难以保证结果的正确性和适用性，或分析结果误差较大时的情况。

三、多高层钢筋混凝土建筑结构的计算分析多高层建筑结构是复杂的三维空间受力体系，计算分析时应根据结构实际情况，选取能较准确反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型。

1、多高层建筑的楼屋面绝大多数为现浇钢筋混凝土楼板和有现浇面层的预制装配式楼板，进行高层建筑内力与位移计算时，可视其为水平放置的深梁，具
有很大的面内刚度，可近似认为楼板在其平面内为无限刚性。

采用这一假设后结
构分析的自由度数目大大减少，可能减小由于庞大自由度系统而带来的计算误差，使计算过程和计算结果分析大为简化。

计算分析和工程实践证明，刚性楼板假定
对绝大多数高层建筑的分析具有足够的工程精度。

采用刚性楼板假定进行结构计
算时，设计上应采取必要措施保证楼面的整体刚度。

2、多高层建筑按空间整体工作计算时，不同计算模型的梁、柱自由度是相
同的，梁的弯曲、剪切、扭转变形、当考虑楼板面内变形时还有轴向变形，柱的
弯曲、剪切、轴向、扭转变形。

高层建筑层数多、重量大，墙、柱的轴向变形影
响显著，计算时应予考虑；构件内力与位移向量是相对应的，与截面设计对应的
分别为弯矩、剪力、轴力、扭矩等。

3、高层建筑结构层数多，每层的房间也很多，活荷载在各层间的分布情况
极其繁多，难以一一计算。

如果活荷载较大，其不利分布对梁弯矩的影响会比较
明显，计算时应予考虑。

除进行活载不利分布的详细计算分析外，也可将未考虑
活荷载不利分布计算的框架梁弯矩乘以放大系数予以近似考虑，该放大系数通常
可取为1.1~1.3，活载大时可选用较大数值，且梁正、负弯矩应同时予以放大。

4、对于层数较多的高层建筑，其重力荷载作用效应分析时，柱、墙轴向变
形宜考虑施工过程的影响，施工过程的模拟可根据需要采用适当的方法考虑，如
结构竖向刚度和竖向荷载逐层形成、逐层计算的方法。

5、多高层建筑结构进行水平荷载作用效应分析时，除对称结构外，结构构
件在正反二个方向的风荷载作用下效应一般是不相同的，按两个方向风效应的较
大值采用，这是为了保证安全的前提下的简化计算；体型复杂的高层建筑，应考
虑多方向风荷载作用，进行风效应对比分析，增加结构抗风安全性。

6、结构计算整体分析中，型钢混凝土和钢管混凝土构件宜按实际情况直接
参与计算，随着结构分析软件技术的进步，已经可以较容易地实现在整体模型中
直接考虑型钢混凝土和钢管混凝土构件。

7、多塔楼结构振动形态复杂，整体模型计算时有时不容易判断结果的合理性，应辅以分塔楼模型计算分析，取二者的不利结果进行设计较为妥当。

8、对受力复杂的结构构件，如竖向布置复杂的剪力墙、加强层构件、转换
层构件、错层构件、连接体及其相关构件等，除进行结构整体分析外，尚应按有
限元等方法进行更加仔细的局部应力分析，并可根据需要，按应力分析结果进行
截面配筋设计校核。

9、带加强层、转换层的高层建筑结构、错层结构、连体和立面开洞结构、
多塔楼结构、立面较大收进结构等，属于体系复杂的高层建筑结构，其竖向刚度
和承载力变化大，受力复杂，易形成薄弱部位；混合结构以及B 级高度的高层建
筑结构的房屋高度大、工程经验不多，因此整体计算分析时应从严要求。

总之，结构分析是正确结构设计过程中必不可少的一部分，是保证结构安全
的前提，结构设计人员必须掌握正确的结构概念，从整体到细部准确把握结构分
析的主体，建立起正确的计算简图和结构模型，采用科学、合理的分析手段，不
断提高结构分析水平。

参考文献：[1]多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例，中国建筑工
业出版社，2011[2]建筑结构设计常见及疑难问题解析,北京,中国建筑工业出版
社,2007[3]建筑抗震设计规范,北京,建设部，中国建筑工业出版社,2010。