谈高层建筑结构设计计算结果的分析判断
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，如果缺乏对计算程序适用条件范围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，对计算结果的合理经济与可靠性缺乏准确的判断力，那将会使计算结果有可能不准确甚至可能错误，对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，选用合适恰当的计算软件，输入的计算数据必须反复核对确保无误并根据计算结果循环调整直至满足要求，对输出计算结果的可靠性合理性经济性逐一判断分析调整，最后才可用于实际工程。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条均有此规定。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先依据建筑使用要求、规范规程的概念宏观要求（如结构体系适用高度和高宽比等）、各种手册上推荐的试算方法及构造措施要求得到结构类型体系、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，首先进行计算结果总体判断、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。反映计算结构的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，主要包括以下五类：1).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合适是否漏算，活荷载该折减时是否没折减。2).结构自振周期：按正常的设计，大量单塔楼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。3）.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。4）.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。5）.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）。
(a)剪力墙(b)框架(c)框架-剪力墙（框架-筒体）
规范明确规定的结构量化指标，主要包括：综合性指标、平面要求指标、竖向要求指标三大类。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，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。（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，说明结构刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构经济技术指标较差，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。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、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。3).构件优化设计：在安全经济适用的原则下，根据构件的计算结果（数形文件）、实际受力状况(传力大小途径、构件受力平衡性及受力变形对称性等)、规范抗震措施及概念加强措施、构件配筋合理性等，进行构件分析判断优化调整：包括构件的异常及超筋信息处理、截面尺寸配筋率、构件内力变形配筋的平衡对称性、构件材料形式选择。另外，设计者必须明白目前规范为实现三个水准的抗震设防目标，通常通过弹性地震作用和承载力计算来满足第一水准的设防要求，然后通过与概念设计相关内力调整和抗震构造措施来满足第二水准和第三水准地震的宏观性能控制要求，有些工程还要求进行弹塑性变形验算调整，以满足有特殊要求的建筑结构达到某些抗震设防性能目标，或防止某些建筑物在大震下倒塌，因此必须重视计算结果，同样也必须满足规范抗震措施及概念加强措施。
以上内容主要是对高层建筑结构设计计算结果的分析判断的两个主要方面。实际上建筑结构设计是一项综合性很强的系统工程，与建筑材料、施工技术水平、国家及地方经济水平、规范规程发展要求等众多因素相关，具有许多不确定影响因素，同时现有的各种计算程序模型都是基于各种假定下作必要的简化处理才得以实现的，其计算结果有的不一定是结构真实受力状态的反映；对于实际工程中出现的各种各样的复杂结构形式，现有的计算模型也不是都能适用，即使采用实验模型试验分析，由于尺寸效应差异和各种难以模拟的复杂因素影响，其实验结果也未必都能反映建筑结构的真实受力性能状态。因此在设计高层结构时，应重视结构的计算，但也不应过于依赖计算和盲目应用计算结果，应从工程结构的基本力学、地震灾害、抗震概念和相关工程经验出发，对计算结果认真加以分析；也应重视结构的概念设计，重视工程实践经验的应用，使高层建筑结构的设计达到安全经济适用合理的目的。
主要参考文献
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2.《高层建筑混凝土结构技术规程》中国建筑工业出版社2002
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5.广州容柏生建筑工程设计事务所工程设计程序要点
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