蔡澜新书红颜知已:[转载]民用建筑工程设计常见问题分析(混凝土结构)--2

3 结构计算与分析

　　3.1 计算书内容

　　3.1.1 结构设计计算书内容不全，是工程设计中不同程度存在的较为普遍的问题。

　　 原因分析：结构设计计算书内容不全是工程设计中不同程度存在的较为普遍的问题，应引起结构工程师们的注意。

　　由于结构计算在结构设计中的重要性，所以就有必要对结构设计计算书的内容提出最基本的要求。

　　 改进措施：一般情况下，较完整的钢筋混凝土结构设计计算书主要应包括以下内容：

　　(1)用电算程序计算时，应注明所采用的计算程序名称、代号、版本及编制单位，计算程序必须经过有效审定(或鉴定)，电算结果应经分析认可。

　　(2)混凝土结构电算计算书应包括：总体信息输入，结构简图，荷载简图，配筋简图，墙，柱底部截面内力简图及D+Ｌ计算结果简图，楼层侧向刚度比，重力二阶效应验算，结构整体稳定验算，楼层受剪承载力比，周期及周期比，地震作用振型，楼层地震剪力系数，框架-剪力墙结构及框架-筒体结构框架部分承受的地震倾覆力矩比，地震有效质量系数，总地震剪力，楼层位移及位移比，墙、柱轴压比，框架柱的计算长度系数及超筋超限信息等；

　　(3)建筑装修荷载等电算程序无法完成的荷载计算书；大跨度梁、板构件挠度及裂缝最大宽度计算书，电算程序无法完成的某些受力构件的计算书；补充构件计算书时，应提供构件平面布置简图和计算简图，并注明计算图表或不常用公式的来源；

　　(4)地基承载力计算、地基变形计算(规范有要求时)、基础计算(包括抗弯、抗剪抗冲切计算、人防结构计算、规范要求的抗震验算及必要时的抗浮验算)；

　　(5)复杂结构(包括带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、多塔结构、连体结构及中大型影剧院、体育场馆等)应提供不少于2个不同力学模型程序的计算书；

　　(6)特别不规则的建筑、甲类建筑、《抗震规范》GB50011表5.1.2-1中所列高度范围的高层建筑，应补充时程分析的计算书；《抗震规范》第5.5.2条所列的结构应进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算；

　　(7)高层建筑中的转换层、加强层、连体结构的连接体等，宜补充结构局部的有限元分析计算书；

　　(8)所有的结构计算书均应校审，并由设计、校对、审核人在计算书封面上签字；所有计算书均应装订成册。

　　3.2 计算程序及计算模型

　　3.2.1 结构计算简图与施工图不完全相符，未做必要的调整和补充计算复核。

　　 原因分析：结构计算简图与施工图相符，这是结构设计最重要的原则之一，也是对结构工程师最基本的要求，详见《抗震规范》GB50011第3.6.6条规定。

　　结构计算简图与施工图不完全相符，主要发生在地下室和标准层以下各层，屋顶层和其他楼层有时也会发生。这种不完全相符主要表现在：(1)有的剪力墙平面位置及洞口尺寸不符；(2)有的剪力墙洞口数量不符；(3)构件断面尺寸或混凝土强度等级不符；(4)个别部位梁、柱布置不一致。

　　 改进措施：为了避免或减少结构计算简图与施工图不完全相符的情况发生，从方案设计阶段开始，初步设计阶段、施工图设计阶段，结构工程师均应同建筑师、设备工程师密切配合，使结构设计既满足建筑功能的需要，又符合结构设计的最基本的要求，例如结构的规则性要求，抗震设计要求等。

　　在施工图设计开始时，结构工程师进行结构整体计算前，应将结构计算简图与建筑平、立面图、设备布置图逐一核对和确认，使结构计算简图同实际施工图一致。这样才能使计算结果具有真实性，从而保证结构设计的正确性。

　　当然，在施工图设计过程中，因建筑或设备专业的要求，结构布置做些微调也是可能的，但一定要通过补充计算复核加以妥善处理。

　　3.2.2 高层建筑结构整体计算时，未合理假定楼板的刚度。

　　 原因分析：结构整体计算时，楼板刚度的合理假定是一个很重要的问题，它不仅影响结构的计算效率，更重要的是它直接决定了计算结果的精度、可靠性和与楼板实际受力的符合程度。

　　 改进措施：在工程设计时，应根据《抗震规范》GB50011和《高规》JGJ3的规定，对楼板形状比较规则的普通工程，采用楼板在平面内无限刚、平面外刚度为零的刚性楼板假定；对楼板形状复杂的工程，如有效宽度较窄的环形楼板、有大开洞的楼板、有狭长外伸段的楼板、局部变窄形成薄弱连接部位的楼板、连体结构的狭长连接体楼板等，则应采用符合楼板平面内实际刚度的假定。对于这些形状复杂的楼板，由于楼板平面内刚度有较大削弱且不均匀，楼板平面内的变形会使楼层内抗侧力刚度较小的构件的位移和内力加大，再采用刚性楼板假定就不能保证这些构件的计算结果的可靠性。

　　应特别指出，在采用符合楼板实际刚度的假定进行结构整体计算时，应补充计算结构在刚性楼板假定下的位移比(楼层最大位移和楼层层间位移之比)、周期比(扭转为主的自振第一周期与平动为主的自振第一周期之比)和楼层侧向刚度比。

　　3.2.3 抗震设计的多层框架结构采用独立基础，在室外地面以下靠近地面处设置拉梁层时，结构整体计算模型选取不当。

　　 原因分析：室外地面以下靠近地面处设置拉梁的多层框架结构，在进行整体抗震计算时，仅假定上部结构嵌固在拉梁顶面处进行一次性整体计算。这种计算方法虽然可以使底层柱在拉梁顶面以上的配筋较为合理，但拉梁层以下基础顶面以上框架柱的配筋、底层顶板框架梁的配筋以及底层拉梁的配筋就未必合理。因为，柱的真正嵌固在基础顶面。

　　 改进措施：应再补充一次结构整体计算。其方法是，仍将拉梁层设置为一层，将上部结构嵌固于基础顶面进行计算。多层框架结构设置室外地面附近的拉梁层后，回填土会有一定的约束作用，但与真正的地下室有很大的区别，回填土的相对刚度比取多少合适，影响因素很多，很难定量确定。回填土的相对刚度比取值大了，会使拉梁及底层顶板框架梁的配筋偏少，反之，又会使框架柱的配筋偏少。所以，框架梁(含拉梁)和柱的最终配筋宜取上述两次计算结果中的较大值。

　　多层框架结构设置拉梁在基础顶面以上时，应定义拉梁层楼板全房间开洞，并采用弹性楼板总刚分析；拉梁的抗震构造措施应符合框架梁的要求，不设箍筋加密区或箍筋直径不符等，都是不正确的。整体计算时也不能遗漏拉梁上可能存在的填充墙等荷载。

　　3.2.4 底部带转换层的高层建筑结构，未正确计算转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比。

　　 原因分析：底部带转换层的高层建筑结构，由于竖向抗侧力构件不连续，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度会发生突变，为了防止落地剪力墙过早的开裂和破坏，必须对这种刚度突变加以限制。因此《高规》JGJ3要求底部带转换层的高层建筑结构，其转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比及其限值应正确计算并应符合该规程附录E的规定。

　　 改进措施：对于底部带转换层的高层建筑结构，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比应采用以下方法计算：

　　(1)底部大空间为1层时，采用“等效剪切刚度法”来计算转换层上、下层结构的刚度比γ。γ宜接近1，非抗震设计时不应大于3，抗震设计时不应大于2。γ可按下式计算：

　　γ＝(G2A2／G1A1)×(h1／h2)

　　式中，各符号的意义见《高规》附录E。

　　(2)底部大空间层数大于l层时，采用“等效侧向刚度法”来计算转换层上、下层结构的刚度比γe。γe宜接近l，非抗震设计时不应大于2，抗震设计时不应大于l.3。γe可按下式计算：

　　γe＝Δ1H2／Δ2H1

　　式中，各符号的意义见《高规》附录E。

　　要注意的是，H1和H2不能取错了。H1为转换层及其下部结构(计算模型1)的高度，如图3.2.4(a)所示；当上部结构嵌固于地下室顶板时，取地下室顶板至转换层结构顶面的高度；H2为转换层上部若干层结构(计算模型2)的高度，如图3.2.4(b)所示，其值应等于或接近计算模型1的高度H1，且不大于H1。

　　(3)当转换层设置在3层及3层以上时，除了采用“等效侧向刚度法”来计算转换层上下层结构的刚度外，还应按照“层剪力与层间位移之比”的方法计算，并使转换层本层的侧向刚度不应小于转换层相邻上一层侧向刚度的60％。当底部大空间层数为2层或1层时，该控制值可取50％。

　　此外，转换层是楼层竖向抗侧力构件不连续的薄弱层，不管程序判断转换层是否满足上述刚度比要求，都应将转换层设置为薄弱层进行计算。

　　

　　3.2.5 框架—剪力墙结构在基本振型地震作用下，若框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50％时，框架抗震等级划分不当。

　　 原因分析：框架-剪力墙结构是由框架和剪力墙组成的结构体系。在通常情况下，这种结构体系中的柱与剪力墙相比，其抗剪刚度是很小的，在地震作用下，楼层的地震剪力主要由剪力墙承受，框架柱只承受很小的一部分。由于框架-剪力墙结构中框架部分承担的地震倾覆力矩Mc=Σ(i=1~n)Σ(j=1~m)Vijhi，故在通常情况下，框架部分承担的地震倾覆力矩也只占结构总地震倾覆力矩的很小一部分。这样的结构，其框架部分的抗震等级，应按《抗震规范》GB50011表6.1.2或《高规》JGJ3表4.8.2中类型为框架-剪力墙的结构来划分。

　　当框架-剪力墙结构在基本振型地震作用下，框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50％时，情况就不一样了。这时，剪力墙的作用降低，框架部分成为较主要的抗侧力构件，要承担较大的地震倾覆力矩。在这种情况下，为了保证结构的安全，应当加强框架部分的抗震能力。

　　 改进措施：当框架-剪力墙结构在基本振型地震作用下，框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总抗震倾覆力矩的50％时，框架部分的抗震等级不应按规范框架-剪力墙结构中的框架来划分，而应按相同高度的纯框架结构根据《抗震规范》第6.1.2条或《高规》第4.8.2条来划分，柱的轴压比也应按纯框架结构的规定来限制。这种结构的适用高度和高宽比限值则可取框架结构和剪力墙结构两者之间的值，其值的大小可视框架部分承担的地震倾覆力矩的百分比接近零时，取接近剪力墙结构的适用高度和高宽比限值；当框架部分承担的百分比接近100％时，取接近框架结构的适用高度和高宽比限值。

　　3.2.6 抗震设计时，框架结构设有少量混凝土墙体，设计未考虑这部分墙体，仅按纯框架结构进行结构分析、配筋计算。

　　 原因分析：由于剪力墙的存在，使得结构的地震作用增大，且由于剪力墙抗侧力刚度比框架大，故剪力墙按构造配筋不一定能满足承载力要求，同时剪力墙与框架协同工作，使框架上部受力加大，故按框架结构设计的这部分框架柱也不一定能满足承载力要求。因此，设计不考虑这部分墙体，仅按纯框架结构进行结构分析、配筋计算，无论对框架还是剪力墙都未必是安全的。

　　 改进措施：抗震设计的框架结构中，当布置少量剪力墙时，结构分析计算不仅要按纯框架计算，也应按剪力墙与框架的协同工作考虑框架部分的抗震等级应按框架结构划分，剪力墙部分的抗震等级可取与框架相同的抗震等级。

　　当楼、电梯间位置较偏而产生较大的刚度偏心时，宜采取将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等措施，减小剪力墙的作用，并宜增加与剪力墙相连的柱子的配筋。

　　当多层框架按纯框架结构计算但不能满足框架结构层间位移限值而需要布置少量纵、横向剪力墙时，这样的结构既要按框架-剪力墙结构计算，保证剪力墙的承载能力和结构整体位移满足规范的要求，也要按框架结构(不计入剪力墙)计算，保证框架结构的承载能力和弹塑性层间位移符合规范的规定。

　　3.3 计算内容及参数设置

　　3.3.1 质量和刚度分布明显不对称、不均匀的高层建筑结构，抗震计算时仅计入双向水平地震作用下的扭转影响，但未在计算单向地震作用时考虑偶然偏心的影响。

　　 原因分析：《抗震规范》GB50011和《高规》JGJ3都以强制性条文的形式强调，在抗震设计时，对质量和刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响。所谓“质量和刚度分布明显不对称、不均匀”的结构，一般是指在刚性楼板假定下，在考虑偶然偏心影响的单向水平地震作用下，楼层最大位移与平均位移之比超过位移比下限1.2较多(例如，对A级高度的高层建筑大于1.4；对B级高度的高层建筑或复杂高层建筑大于1.3)的结构。由于结构平、立面布置的多样性、复杂性，即使是对同一类型的结构，或同一结构的不同构件，大量计算分析表明，计算双向水平地震作用并考虑扭转影响与计算单向水平地震作用并考虑偶然偏心的影响相比，前者并不总是最不利的。 改进措施：所以，结构设计时，除计算双向水平地震作用并考虑扭转的影响外，宜根据《高规》第3.3.3条的规定，还应计算单向水平地震作用并考虑偶然偏心的影响，并取二者中的最不利情况进行结构设计。反过来，质量和刚度分布较对称、较均匀的高层建筑结构，仅考虑偶然偏心影响的单向地震作用就可以了。

　　应当指出，抗震设计时，除高层建筑外，根据《抗震规范》第5.2.3条及其条文说明，对于多层建筑，除平面规则的可通过考虑扭转耦联计算来估计水平地震作用的扭转影响外，凡属该规范第3.4.2条所指的平面不规则多层建筑，如图3.3.l-1、2、3，亦应考虑偶然偏心的影响。