1、浅谈高层混凝土结构设计合理计算【摘要】本文通过论述结构设计的荷载选取、结构参数的选择和计算结果的判断，使工程的结构设计做到安全，经济，合理。 【关键词】 荷载 嵌固端位移比 周期比 层间位移比 中图分类号：TU318 文献标识码： A 文章编号： 1 概述 随着国民经济的快速发展和计算机硬件及软件性能的大幅提升，建筑设计行业竞争越来越激烈。结构专业设计时间紧、任务重、责任大，对结构设计人员的要求也越来越高。为了做到高层建筑混凝土结构设计规程 （JGJ 3-2010） （本文以下简称高规 ）要求的安全适用、技术先进、经济合理、方便施工。本文简要从荷载选取、软件参数选择、合理判断计算结果等几方面论
2、述结构设计的合理计算。 2 荷载选取 2.1 建筑材料种类及设备种类越来越多，使得结构设计者仅仅掌握现行荷载规范内的荷载数值是远远不够的，要及时掌握所选材料的相关参数，要有确切的设计依据来选取结构设计荷载值。即使同种材料也有不同的密度值，如聚苯乙烯保温板密度 1522kg/m3,这就要求设计者设计输入值与施工图纸要求一致。否则对工程安全存在隐患。 2.2 对于教室、火车站侯车室等场所其特点为人员密集且聚集时间长，笔者认为计算机计算时应适当增加活荷载的频遇值，参与地震计算时重力荷载代表值的活载组合值系数 0.5 应适当增大。这样计算结果才能真实地反应建筑物实际受荷与使用情况，满足不同工况下的受力
3、要求。同理针对现行荷载规范规定的通风机房、电梯机房 7.0KN/m2 的活荷载设计值，由于新设备不断更新，如有可靠依据，应根据具体工程所选用的设备可适当调整活荷载设计值。 2.3 同一工程中，同一种结构材料在结构计算时应根据不用使用情况以确定不同容重。例如混凝土的容重荷载规范规定为 2425KN/m3，如计算钢筋混凝土剪力墙结构，PKPM 计算软件要求填入混凝土容重，此处可填入 2628 KN/m3。板的混凝土容重应单独按 25KN/m3 计算，而不采用软件自动计算板重。同样情况本文不再赘述。 2.4 结构专业应及时与建筑专业沟通，填充墙及隔墙尽量采用质轻、隔音的墙板材料，避免选用重量大的砌块
4、等墙体材料。在抗震设防地区，构件承载力配筋一般均由地震工况控制，能够有效减轻结构自重，是减小地震作用的有效措施之一。 3 参数的正确选择 3.1 随着生产及生活水平的提高和科技发展，结构规范为适应需要不断更新，计算软件随之升级。这就要求结构设计者要及时掌握软件的使用，其中关键的是参数的正确输入，如果计算参数输入有误，计算结果就难以保证正确，可谓失之毫厘谬以千里。本文简单介绍 PKPM 计算软件的部分参数的选取，以期抛砖引玉与各位同业者共勉。 3.2 建筑荷载取值应准确，根据现行荷载规范严格按建筑做法计算荷载，不得有“差不多，能包住”这些模棱两可的数据出现。活荷载取值应与房间的使用功能相符。对于
5、高层建筑的外装饰构件等附属构件应按恒荷载输入，统一计算，并且应有构造措施保证装饰构件与主体的可靠连接，应进行不同工况（地震作用、风荷载作用等）的计算，避免造成破坏坠落伤人。 3.3 PKPM2010 软件中 SATWE 新增参数“嵌固端所在层号”的填写，如果嵌固于基础顶此参数填“1” ，如果嵌固于地下室顶板，此参数填写“地下室层数+1” ，如果嵌固于地下室某层，此参数填“地下某层数+1” 。嵌固层的判断可根据高规5.3.7 条“高层建筑结构整体计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于 2”。对于采用筏形基础时根据高层建筑筏形与箱形基础技术规范（JGJ 6-2
6、011）6.1.3 条“当地下室一层的结构侧向刚度大于等于与其相邻的上部结构底层侧向刚度的 1.5 倍时，地下一层结构顶板可作为结构上部的嵌固部位” 。此参数计算时应先填写“1”假定嵌固于基础顶，根据层刚度比的计算结果相应修改此参数值。 3.4 建筑抗震设防分类、建筑抗震等级、设防烈度等参数要求填写准确。裙房与主楼相连与否，抗震等级的取值应分别对待，地下室抗震等级的确定与嵌固层的选取有关，详见建筑抗震设计规范 （GB 50011-2010） （本文以下简称抗规 ）6.1.3 条的具体规定。根据抗规3.3.3 条与高规3.9.2 条的规定当建筑场地为、类时，对设计基本地震加速度为 0.15g 和
7、 0.30g 的地区，宜分别按抗震设防烈度 8 度（0.20g）和 9 度（0.40g）时各类建筑的要求采取抗震构造措施。 3.5 根据高规4.3.14 条规定：跨度大于 24m 的楼盖结构、跨度大于 12m 的转换结构和连体结构、悬挑长度大于 5m 的悬挑结构，结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析方法或振型分解反应谱方法进行计算。SATWE 新增按竖向阵型分解反应谱方法计算竖向地震的选项，对于上述结构应单独勾选此项进行承载力及配筋设计。其他构件承载力及配筋则不勾选此项。 3.6 高层计算振型数首次填写不少于塔楼数的 9 倍和 15 个（取大值） ，根据高规第 5.1.13 条要求计算振型
8、数应使各振型参与质量之和不小于总质量的 90%。查看计算结果如不满足此条规定再以 3 的倍数增加振型数量，直至满足此条规定。 3.7 其他参数如周期折减系数、梁刚度放大系数、活荷载折减系数、高层剪力墙连梁刚度折减系数等可参考规范和相关计算说明书，本文不再详细论述。 4 合理判断计算结构 合理的荷载输入值及选取正确的计算参数，是保证计算结果正确合理的前提。在完成以上步骤后经 PKPM 计算软件完成计算，再通过查看计算结果判断结构布置的合理性与计算结果的正确性是一名合格的结构设计者必须做到的。针对高层剪力墙结构根据高规简要论述如何判断计算结果的正确合理与否。 4.1 轴压比：轴压比是影响剪力墙在地
9、震作用下塑性变形能力的重要因素，规范将轴压比限值扩大到结构全高，不仅仅是底部加强区。轴压比的具体要求参见高规第 7.2.13 条。计算结果对短肢剪力墙判断存在误差（短肢剪力墙定义可参考全国民用建筑工程设计技术措施 ） ，当墙肢截面高度与厚度之比大于 4 但不大于 8 的墙肢两端均与较强连梁相连时，可不作为短肢剪力墙。当剪力墙轴压比满足高规7.2.14 条规定时，加强区可采用构造边缘构件。 4.2 位移比：此参数主要限制结构的扭转效应，值得注意的是扭转位移比计算时，楼层位移的计算采用的是“规定水平力” ， “规定水平力”指采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平力，要考虑偶然偏心。而楼层位移角限制
10、采用的是楼板刚性假定条件下的不考虑偶然偏心的地震作用。设计人应对计算假定条件及规定作用工况正确掌握，否则查看的计算结果没有意义。 4.3 位移角 ：层间位移角用来衡量结构变形能力从而判断是否满足建筑功能要求，根据规范统计剪力墙高层结构在多遇地震作用下的最大弹性层间位移角均小于 1/800，故规范规定剪力墙结构位移角限制不宜大于 1/1000。但实际计算中有的设计人或图审人看到“1/1001”就满足要求，看到“1/999”就说不满足要求。笔者认为这不是规范的本意，这样的规范主义也不是一个合格的结构设计者。根据全国民用建筑工程设计技术措施的规定并参考了广东省高层建筑混凝土结构技术规程补充规定 ，对
11、于总高度小于 150m 的剪力墙结构当某楼层的层间有害位移值小于层间位移值的 50%时，该层的层间位移角限制可适当放宽至1/800。 4.4 周期比：此参数主要也是对结构整体扭转效应的控制。通过限制结构扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的第一自振周期 T1 之比来限制结构的抗扭刚度不能太弱。此参数的计算是直接计算结构的固有自振特征，不必附加偶然偏心。 4.5 其他参数：刚度比控制结构竖向规则性，避免薄弱层的出现，详见高规3.5.3 条；剪重比控制结构各楼层最小剪力值，是对结构安全的考虑，调整方法可参加抗规5.2.5 条及说明和软件计算说明书。 5 结论 本文简要介绍了混凝土结构设计的计算
12、注意事项，这只是结构设计关键步骤之一。一个完美的工程是各专业共同配合完成的，不仅仅只是结构专业计算满足要求就是结构合理的建筑。以上是自己学习规范、规程并通过多年工作经验的总结，以与各位同仁共勉，有不足之处，请多多指正。 参考文献： 1.高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ 3-2010） ； 2.建筑抗震设计规范 （GB 5011-2010） ； 3.建筑结构荷载规范 （GB 50009-2012） ； 4.高层建筑筏形与箱形基础技术规范 （JGJ 6-2011） ； 5.全国民用建筑工程设计技术措施 （2012 版） ； 6.PKPM 新天地 ； 7.广东省高层建筑混凝土结构技术规程补充规定； 8.PKPM 多高层结构计算软件应用指南 作者简介：于国亮（1979-）男，国家一级注册结构工程师，工程师，结构设计研究部副部长
