基于概念设计的高层建筑混凝土结构计算分析

基于概念设计的高层混凝土建筑结构计算分析第1页共8页基于概念设计的高层混凝土建筑结构计算分析谢杰文（广东海外建筑设计院有限公司广州510075）[提要]在计算机技术和结构分析软件已经相当普及的今天，概念设计仍然是作好结构设计的重要环节。本文针对概念设计在高层混凝土建筑结构计算分析中的应用谈谈个人的几点粗浅体会。[关键词]概念设计计算模型分析与判断计算机技术和结构分析软件的普及，使结构计算分析的精度和效费比越来越高，为比较准确地把握结构的工作性能提供了有力的技术手段。但是，即使到了人工智能技术高度发展的时候，人脑也永远不是包括电脑在内的任何工具所能代替的，结构设计的关键仍然在于概念设计。对于建筑结构的计算分析，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，是作好结构设计的重要环节。针对高层混凝土建筑结构（以下简称高层结构），本文试就概念设计在其计算分析中的应用谈谈个人的几点粗浅体会。1.荷载和作用高层建筑结构的永久作用（荷载）包括结构构件（梁、板、柱、支撑、墙体）和非结构构件的自重，可变作用包括楼面可变荷载（活荷载）、风荷载、地震作用、温度变化、约束变形等。一般情况下，可变作用可仅考虑风荷载和地震作用；对于温度变化大、可能产生约束变形（如不可忽略的地基不均匀沉降等）的结构，应考虑其作用效应的不利影响。目前，温度变化、约束变形、混凝土材料的收缩和徐变的不利影响，通常通过总体设计和构造设计来解决。随着研究工作的不断深入和计算分析软件的不断进步，对于通过目前的构造措施不能很好解决的非荷载效应问题，有可能列入将来的计算分析范畴。高层建筑结构是逐层施工完成的，其竖向刚度和竖向荷载也是逐层形成的。这种情况与结构刚度一次形成、竖相荷载一次施加的计算方法存在较大的差异，房屋越高、构件竖向刚度相差越大，其影响越大。因此对于层数较多的高层建筑，进行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的影响。地震动参数一般可按《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）JGJ3-2002相关规定直接采用。根据《地震安全性评价管理条例》，对于重大建设工程必须进行场地地震安全性评价，此时，应采用场地地震安全性评价报告提供的地震动参数及相应的人工模拟加速度时程曲线。所有高层结构均应考虑地震作用的偶然偏心，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应。当有夹角大于15°的斜交抗侧力构件时，应附加该斜交方向的地震作用。对于质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，尚应计算双向水平地震作用下的扭转影响。基于概念设计的高层混凝土建筑结构计算分析第2页共8页2.结构计算模型的建立目前，我国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。对于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；对于复杂的不规则结构或重要的结构（如甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑），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。因此，一般情况下，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。2.1结构计算简图处理高层建筑是三维空间结构，构件类型多、数量大，受力复杂；结构计算分析软件都有其适用条件。因此，结构分析时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，使其既能比较正确地反映结构的受力性能，又适应所选用的计算模型，从根本上保证分析结果的可靠性。结构计算简图应根据结构的实际形状和尺寸、构件的连接构造、支承条件和边界条件、构件的受力和变形特点等合理地确定，既要符合工程实际，又要抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，弃繁就简，满足工程设计精度要求，保证设计安全。2.1.1结构构件的几何形状与模拟结构构件的几何形状是其力学行为的主要内因之一，结构构件的模拟应严格按照其几何形状来进行。一般情况下，可用杆单元模拟梁、柱，膜单元模拟楼板，壳单元模拟剪力墙。柱墙截面高宽比不宜大于3。矩形截面柱的边长，非抗震设计时不宜小于250mm，抗震设计时不宜小于300mm；圆柱截面不宜小于350mm。至于剪力墙，矩形截面独立墙肢高厚比hw/bw不宜小于5。当hw/bw大于8时为一般剪力墙；当hw/bw为5～8时为短肢剪力墙，其截面厚度不应小于200mm；当hw/bw不大于3时，应按柱的要求进行设计。剪力墙开洞形成的梁为连梁，连梁可用杆单元或壳单元来模拟。当其跨高比小于2时，宜用壳单元模拟。当其跨高比不小于5时，宜按框架梁进行设计。2.1.2支座的约束作用与模拟支座所能提供的约束是建立在其对构件位移的约束作用之上的，故支座应采用相应的构造措施且应具有足够的刚度。通常，结构的计算嵌固端宜设于基础面，并要求基础采用适当的构造、具有足够的刚度。有地下室时可考虑地下室外墙的影响，用壳元或其它合适的单元模拟地下室外墙。当地下室层数较多时，可于地下二层及以下楼层设置土弹簧考虑土侧向约束的影响。梁、板支座类型的确定，不仅与支承柱、梁的刚度有关，而且与邻跨梁、板的刚度比有关。当支承柱、梁的刚度不足时，则属弹性支座，计算中应考虑其竖向位移的影响。由于邻跨无梁、板，故连续梁边支座、边跨板边支座一般应按简支考虑。在跨度悬殊的相邻楼板中，对小跨度板而言两者间的相邻边可按固定边考虑，对大跨度板则不宜按固定边考虑。基于概念设计的高层混凝土建筑结构计算分析第3页共8页2.2楼板的模型化假定高层建筑的楼、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，故可近似认为楼板在其自身平面内为无限刚性。采用这一假定后，结构分析的自由度数目大大减少，可能减少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的分析大为简化。此时，设计上应采取相应的措施保证楼板的整体刚度。比如，平面体形宜符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）JGJ3-2002第4.3.3条的规定；宜采用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；局部削弱的楼板，可采取楼板局部加厚、设置边梁、加大楼板配筋等措施。特别是，《高规》关于结构扭转位移比和扭转周期比限值的规定，系基于楼板平面内无限刚的假定而作出的。楼板有效宽度较窄的环形楼面或其他大开洞楼面、有狭长外伸段楼面、局部变窄产生薄弱连接的楼面、连体结构的狭长连接体楼面等情况下，楼板面内刚度有较大削弱且不均匀，楼板的面内变形会使楼层内抗侧刚度较小的构件的位移和内力加大（相对刚性楼板假定而言），计算时应考虑楼板面内变形的影响。根据楼面的实际情况，楼板面内变形可全楼考虑、仅部分楼层考虑或仅部分楼层的部分区域考虑。当需要考虑楼板面内变形而计算中采用刚性楼板假定时，应对所得结果进行适当的调整。具体的调整方法和调整幅度与结构体系、结构平面布置、楼板削弱情况等密切相关，一般可对楼板削弱部位的抗侧刚度相对较小的结构构件，适当增大计算内力，加强配筋和构造措施。对于无梁楼盖结构，由于楼板较厚，其面外刚度在结构整体计算中不能忽略，否则会对结构的整体分析带来较大的影响。如果计算软件具有考虑楼板面外刚度的功能，应直接按楼板的实际情况计算；如果作为近似计算，可采用等代框架梁加以考虑。2.3结构分析模型对于高层结构分析模型，剪力墙和楼板的模型化假定是关键，它直接决定了其科学性，同时也决定了分析结果的精度和可信度。对于体型特别不规则,结构型式复杂的结构，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，并采用弹性时程分析法进行补充分析。当前，国内外流行的高层结构分析软件均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主要有四种，即开口薄壁杆模型、嵌板单元模型、壳元模型及其他组合有限元模型等。2.3.1开口薄壁杆模型这种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，从而大大的减少了结构的自由度。因而要求剪力墙同时满足下述条件：⑴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；⑵剪力墙在每层楼面均有嵌固。故不适用于长墙、矮墙、多肢剪力墙、框支剪力墙、悬挑剪力墙、无楼板约束剪力墙等复杂剪力墙的计算。同时，它忽略了薄壁杆中间层剪切变形的影响，无法反基于概念设计的高层混凝土建筑结构计算分析第4页共8页映剪力滞后现象，导致结构偏刚。TBSA、TAT、SS等软件均采用这种计算模型。2.3.2嵌板单元模型这种模型又称板－梁墙元或空间膜元，它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；边梁系一种特殊的刚性梁，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。因而，其精度较开口薄壁杆模型为高。对于剪力墙上下洞口不对齐、不等宽时，为了使上下层间变形协调，计算单元有可能被划分的又细又长，造成单元刚度奇异，使分析结果失真。此外，将剪力墙洞口简化为一个梁单元，削弱了剪力墙实际的变形协调关系，导致结构偏柔。ETABS、TUS/ADBW、SSW等软件均采用这种计算模型。2.3.3壳元模型这种模型采用每一节点六个自由度的壳元来模拟剪力墙单元，因而剪力墙既具有平面内刚度又具有平面外刚度；而楼板则有四种简化假定，即楼板平面内无限刚、分块无限刚、分块无限刚带弹性连接和弹性板，因而比较接近实际情况。它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。SATWE、SAP等软件均采用这种计算模型。2.3.4其他组合有限元模型这是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，这种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，不但考虑了剪切变形的影响，而且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。此外，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，此时要求计算软件具有相应的计算单元。当结构中只有少量型钢混凝土和钢管混凝土构件时，也可采用等刚度原则将其等效为钢筋混凝土构件进行计算。2.4计算参数计算参数是指进行结构计算分析时，与计算分析方法、计算分析模型相关的参数，包括几何参数、物理参数以及对所采用计算模型所得计算结果的修正参数等。在结构内力与分析中，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。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，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。在竖向荷载作用下，框架梁端负弯矩往往很大；同时，超静定钢筋混凝土结构在达到承载力极限状态之前，总会产生不同程度的塑性内力重分布，其最终内力分布取决于构件的截面设计情基于概念设计的高层混凝土建筑结构计算分析第5页共8页况和节点构造情况。因此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，一般情况下，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调幅系数可取0.8～0.9。同时，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。当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，因此可对梁的计算扭矩予以折减。研究表明，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，一般不应小于0.3。3.计算结果的合理性分析与判断由于结构体系的合理性对结构的安全性和经济性起着决定作用，因此，结构工程师除了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方面出发，首先对其计算结果进行总体分析与判断，确认其合理性和可靠性，然后再对细部进行分析与判断。3.1平衡条件根据力的平衡原理，分析结构在单一重力荷载或风荷载作用下计算结果是否满足平