谈高层建筑结构设计计算结果的分析判断

谈高层建筑结构设计计算结果的分析判断摘要：本文借助相关规范规程及资料从理论按结构整体和局部两方面全面理顺高层建筑结构设计计算结果所需考虑的内容、注意事项及其内在影响联系，以期提高对高层建筑结构设计全面准确迅速的把握能力。

关键词：计算机普遍应用；计算结果；分析判断；整体性指标；工程经验性参考指标；规范明确规定的结构量化指标；结构局部分析; 重视概念设计；安全经济适用合理。

随着计算机的普遍应用，运算能力运算速度的不断提高，使高层建筑结构计算设计更安全更合理更经济成为可能。

但是高层建筑结构布置复杂，构件多，计算数据输入输出量都非常大，如果不顾计算程序软件适用条件范围及假定，或计算输入失误错误，或对计算结果的合理经济与可靠性缺乏以可靠工程经验（自己的或别人的）、相关知识储备（尤其是力学知识，地震震害、科学试验成果）、相关概念设计知识为基础的判断力，又缺乏对计算程序及计算过程进行尽可能地深入了解把握而轻率套用、滥用计算机，那将会使计算结果有可能不准确甚至可能错误，用之于实际工程将可能遗留隐患甚至造成灾难性后果，因此必须对计算机应用程序进行深入学习，选用计算软件必须是合适恰当的，计算数据输入时必须认真仔细反复核对确保无误并根据计算结果反复调整直至满足要求，对输出计算结果的可靠性合理性经济性必须逐一判断分析调整，最后才可作为可靠成果用于实际工程。

实际上《抗震规范》3.6.6条《混凝土规范》5.1.6条《高规》5.1.16条均规定，对结构分析软件的计算结果，应进行分析判断，确认其合理、有效后方可作为工程设计的依据。

本文试图从理论上全面理顺高层建筑结构设计计算结果所需考虑的主要方面及注意调整事项，以期提高对高层建筑结构设计全面准确迅速的把握能力。

高层建筑结构设计者依据建筑使用要求、各种计算手册上推荐的试算方法及各种规范手册构造措施要求得到结构构件的初始截面尺寸和布置后通过空间三维分析或协调工作进行计算，得出一系列相应的计算结果。

对这些计算结果的分析，首先从大量工程的设计经验、相关规范规程要求、结构总体受力状态出发，进行计算结果总的判断、调整，确认其可靠合理，然后再对结构局部进行详细的检查和分析。

对高层建筑结构计算结果的分析一般可从结构整体和局部两个方面考虑。

反映整体性指标可以分为两类：工程经验性参考指标和规范明确规定的结构量化指标，以下分别对这两类指标进行介绍分析。

工程经验性参考指标，主要包括适用高度和高宽比；结构单位面积平均重度；结构自振周期；底部总剪力（各振型底部剪力的平方和平方根）与总重量比；振型曲线、位移曲线（图形形态）六类。

1). 适用高度和高宽比:各种结构体系的最大适用高度，是指满足规范限定要求的结构体系，按现行规范、规程的各项规定进行设计时，结构选型是合适的。

若所设计的建筑结构房屋高度超过规定，仍按现行规范、规程的有关规定设计，则不完全合适。

该类结构的设计应有可靠依据，采取有效的加强措施，并按规定报请有关部门审查。

高宽比的规定是对结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定、承载能力以及经济合理性的宏观控制指标。

实际上当满足高规对侧向位移、结构稳定、抗倾覆能力、承载能力等性能的规定时，高宽比的规定可不作为一个必须满足的条件，也不作为判断结构规则与否及超限高层建筑抗震专项审查的一个指标。

2). 结构单位面积平均重度：根据其数值是否在正常数值范围内，可判断荷载取值是否漏算，是否合适，活荷载该折减时是否没折减。

3). 结构自振周期：按正常的设计，大量单塔楼（40层以下）非耦连计算地震作用时，其第一周期一般在以下范围内：框架结构 T1=0.1~0.15N；框剪结构T1=0.08~0.12N ；剪力墙结构T1=0.04~0.08N ；筒中筒结构T1=0.06~0.10N （其中N为结构计算层数，对于40层以上的建筑，上述近似周期的范围可能有较大差别）。

如果周期偏离上述数值太远，应当考虑本工程刚度是否太大或太小，必要时调整结构截面尺寸。

4）. 底部总剪力与总重量比：根据许多工程计算的统计结果，在正常设计的条件下，对第一周期小于 3.5秒的结构底部剪力在下列范围内较为正常：7度II类土：Q =1.6%~2.8% W;8度II类土：Q =3.2%~5% W(其中Q为结构底部水平地震作用标准值；W为建筑物的重力荷载)。

层数多、刚度小时，偏于较小值；层数少、刚度大时，趋于较大值。

若计算的地震作用偏离上述数值太大，必要时调整结构截面尺寸，借以调整结构刚度，使得结构设计比较安全经济合理。

5）. 振型曲线：第I振型第II振型第III振型图一振型曲线正常计算结果，单塔楼结构的振型曲线多为连续光滑曲线。

第一振型没有零点；第二振型的零点在（0.7~0.8）H的高度上；第三振型的零点分别位于（0.4~0.5）H和（0.8~0.9）H 的高度上（见图一）。

当沿竖向有非常显著的刚度和质量突(a) 剪力墙(b) 框架(c) 框架-剪力墙（框架-筒体）图二位移曲线变（如带加强层或转换层等的不规则建筑结构或复杂高层建筑结构，尤其是超限高层结构）时，振型曲线有可能出现不光滑的畸变点。

6）. 位移曲线:将位移参考点上各层水平位移画成曲线，一般情况下若沿竖向不发生刚度突变则不应出现畸点，曲线应连续、光滑（见图二）。

若沿竖向发生刚度突变，则层间位移曲线可能出现畸点、凹凸异形。

如中国南方电力调度通讯大楼层间侧移曲线（见图三）。

规范明确规定的结构量化指标，主要包括：综合性指标（含层间位移角、剪重比、刚重比三类）、平面要求指标（反映结构整体扭转效应控制指标，含周期比、位移比两类）、竖向要求指标（控制竖向不规则程度的指标，刚度比、层间受剪承载力比两类）三大类。

若计算结果不满足其中任何一项，则必须进行调整直至满足。

1）. 综合性指标：（1）层间位移角（楼层层间最大位移与层高之比）：它是建筑结构设计刚度控制的重要指标，其数值的大小从一个侧面反映出结构的整体刚度是否安全经济，可引起设计者对其中的结构体系选择、结构的竖向及平面布置合理性的再思考，甚至再选择。

现行规范对层间位移角的限值确定不仅考虑了非结构构图三中国南方电力调度通讯大楼层间侧移曲线 构件可能受到的破坏，还考虑控制了剪力墙、柱等重要抗侧力构件的开裂，是结构性能目标控制中最重要的目标之一，也是其他性能目标控制和调整的基础。

理想的控制结果是层间位移角略小于规范值，且两向侧向位移值相近，当然层间位移角限值控制是结构设计需满足的必要条件，而不是充分条件，还应满足其它控制指标。

另外高度超过150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求，按规范要求限制结构顶点最大加速度αmax。

（2）. 剪重比（楼层地震剪力系数）：是体现结构在地震作用下反应大小的一个重要指标，是对应于水平地震作用标准值的剪力与重力荷载代表值的比值，其大小主要与结构地震设防烈度有关。

规范限制剪重比最小值是确保长周期地震作用下结构安全。

当计算剪重比与规范要求的最小剪重比出入较大时，可考察地震剪力与层间位移角的大小进行调整，或增减结构刚度，或直接按最小剪重比调整楼层地震剪力。

（3）. 刚重比：主要为控制结构的整体稳定性，避免结构在风荷载或地震力的作用下整体失稳倒塌。

刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

另外对高层、超高层建筑，结构整体倾覆验算十分重要，直接关系到整体结构安全度，应按《高规》JGJ3-2002第12.1.6条进行控制基础底面零应力区面积。

2）. 平面要求指标：（1）. 周期比：它是控制结构扭转效应的重要指标。

规范对其限制的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致出现过大的扭转效应，而不是要求结构具有足够大的刚度。

当计算周期比与规范要求周期比出入较大时，可参看层间位移角的大小进行调整，或通过调整结构布置，增加结构周边构件刚度，降低结构中间构件的刚度，甚至改变结构类型，或降低结构平动刚度，使平动周期加长。

（2）. 位移比：它是控制建筑结构在地震作用下扭转效应的重要指标，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。

位移比不满足时只能通过调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距，作如下调整：(i）由于位移比是在刚性楼板假定下计算的，最大位移比往往出现在结构的四角部位；因此应注意调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度；同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚度予以保证。

(ii）利用程序的节点搜索功能快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度；也可找出位移最小的节点削弱其刚度；直到位移比满足要求。

3). 竖向要求指标: (1). 刚度比: 主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层，体现结构整体的竖向刚度匀称度；对于形成的薄弱层应按规范予以加强或调整结构布置和材料强度等级，加强结构抗震延性连接构造措施，来加强甚至避免薄弱层。

另外，可用层刚度比来判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端以及转换层刚度是否满足规范要求。

(2). 层间受剪承载力比：它是用来限制结构竖向布置不规则的重要指标，避免楼层抗侧力结构的受剪承载能力沿竖向突变，形成薄弱层。

层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力比之和，其值与柱墙构件尺寸、配筋有关，与他们的连接方式无关。

对于形成的薄弱层应按规范予以加强，或提高本层构件强度（如增大配筋布、提高混凝土强度或加大截面）以提高本层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力，或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力，以满足规范要求。

高层结构整体分析无法包括所有构件，或包括了但由于模型关系而给不出较准确的内力，故高层建筑结构计算结果的分析除了从结构整体方面考察满足要求后，还应对结构局部进行补充计算和分析，尤其是对重要部位和关键构件应进行必要的局部分析，并采取相应的处理措施。

结构局部分析主要包括重要部位和关键构件的分析设计、墙柱轴压比、构件优化设计三个方面。

1). 重要部位和关键构件的分析设计:主要包括特殊部位构件（如转换层、转换梁、大悬臂梁、转换柱、跨层柱、特别荷载作用部位、框支梁柱、异型板）应分析其内力（可借助计算数据及图形文件）、配筋是否合理正常；必要时应进一步分析，包括采用合适的局部分析软件、相关或类似工程实验数据结果、手算（导荷载及内力计算）等措施进行复核，再对照处理。

2). 墙柱轴压比：限制墙柱轴压比主要是为保证结构的延性要求，规范对墙柱轴压比均有相应限值要求。

轴压比不满足要求，结构的延性要求无法保证，应增大墙、柱的截面面积或提高该层墙柱混凝土强度；轴压比过小，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少相应墙、柱的截面面积。