建筑结构整体性能快速控制方法的探讨

李秋红，窦立军，袁志仁

（1.珠海市建筑设计院，珠海519000；2.长春工程学院土木工程学院，长春130012）

0 引言

建筑结构整体性能是指建筑物在使用期间受风、地震等作用所反应的性能。建筑结构整体性能直接影响建筑结构的安全度，同时也影响整个工程的造价。

随着房地产市场的发展，建筑项目规模日益扩大，建筑结构的复杂程度不断增加，但在房地产开发周期中留给施工图设计的时间不多；建筑结构计算所需时间成为控制着整个项目施工图设计工期的关键节点。建筑结构整体性能的控制是结构分析的核心，也是建筑结构设计的难点和重点。

我国《建筑抗震设计规范》对建筑结构性能指标从89版及以前“定性”指标发展至2001、2010版“定量”指标。量化性能指标提高了建筑结构整体性能控制的精度，同时也增加了其难度。整体性能首先是结构概念设计把控，然后通过试算验证，并进行相应调整，包括构件尺寸和结构布置。在调整计算过程中时常因概念、目的不清而失去方向，而盲目调整，既造成经济指标不合理，又影响整个设计工期。

本文通过研究建筑结构整体性能指标间的关系、整体性能指标与结构刚度分布间的关系、以及实际工程中常遇到结构整体性能反应特点，试图寻找快速控制结构整体性能的方法。

1 建筑结构整体性能指标及其关系

我国现行GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》、JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》关于建筑结构整体性能的控制是通过8个比值来表述的。这8个比值为：位移比、周期比、位移角比、刚度比、剪重比、轴压比、刚重比、倾覆力矩比。8个比值的限值为结构整体性能的控制目标。

各个比值是对建筑结构整体某项性能的具体反映。位移比、周期比控制建筑结构整体抗扭转性能；位移角比、剪重比反映建筑结构整体刚度；轴压比控制建筑结构竖向构件的延性；刚度比控制建筑结构的竖向不规则性；刚重比控制建筑结构整体的稳定性；倾覆力矩比控制结构体系的可靠性［1］。位移比和周期比都是控制结构整体扭转性能但反映的内容不同，位移比主要控制结构平面的规则性，是结构实际扭转的量值，周期比控制结构在罕遇地震下的扭转效应，两者都是反映结构整体侧向刚度与扭转刚度间的关系的，位移比是反映两种刚度的绝对关系，周期比反映两种刚度的相对关系。

建筑结构整体性能反映到建筑结构本身是建筑结构整体抗侧刚度的大小、整体扭转刚度与整体抗侧刚度比值、层与层间刚度比值关系。为使各个比值达到控制目标的要求，必须调整建筑结构中抗侧力构件的平面布置，即各个比值都与建筑结构整体抗侧刚度、扭转刚度有关，故各个比值间存在着既相互独立又相互关联相互影响的关系，综合起来反映结构整体性能。

2 建筑结构整体性能指标控制的顺序

如前所述建筑结构整体性能指标各反映建筑结构整体性能的某一方面，但又相互关联相互影响，在实际工程中不能寄希望于一次调整而使所有的性能指标达到控制目标的要求，而应根据各性能指标所反映建筑结构性能的重要性有顺序地调整控制，使调整过程中有目的、有方向，保证整个工作有序进行。

位移角比与剪重比都是直接反映建筑结构整体侧向刚度的大小，是结构安全性的第一表现。抗震建筑结构体系，既要具备必要的抗震能力，同时也要有良好的变形能力和消耗地震能量的能力。结构抗侧刚度较小时，结构变形过大，变形超过《规范》要求时，表明结构体系缺乏应有的抗震能力；结构抗侧刚度越大，抗水平荷载的能力就越强，从而使结构变形较小，但在地震作用下吸收能量较大，当结构抗侧刚度过大时会造成结构材料用量的大幅增加，从而引起建筑成本的上升，故抗侧刚度并不是越大越好，而应控制在一个合理的范围内。位移角比侧重于控制结构在水平荷载作用下的变形，剪重比侧重于控制结构能承担足够的地震作用。对以上2个指标控制调整需对整个结构体系进行调整，故将两个指标放在一起同时考虑，放在第一位进行处理。

周期比控制结构的侧向刚度与扭转刚度之间的相对关系，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、合理，防止结构出现过大的扭转效应，故周期比的控制应放置在第2位处理。周期比的控制不仅要控制第一扭转周期与第一平动周期的比值，而且要控制第一平动周期的扭转成分。工程实践表明，第一平动周期中扭转成分过大时，会导致位移比较难控制，同时也会引起部分梁超筋、墙柱轴压比超限等反映的失真。一般工程中对周期比及第一平动周期中扭转成分按最严格的要求来控制，即周期比控制在0.85以下，同时第一平动周期中扭转成分控制以接近于0且不大于3%的要求来控制，为位移比、轴压比控制提供有利条件。

位移比反映结构实际扭转的量值，其主要控制结构平面的规则性，避免结构形成扭转而产生的不利影响。位移比是判断结构平面规则性的重要指标，也是判断结构体系是否需要进行超限审查的重要指标，故依据该要求的重要性将位移比控制放置在第3位处理。位移比控制在1.2及以内时表明结构平面规则，当大于1.2时结构平面处于扭转不规则，需要考虑“双向地震”作用的影响。一般工程中控制位移比应从严控制，避免扭转引起局部梁超筋及墙柱轴压比反映失真。一般情况下应控制结构扭转不规则处于Ⅰ类或规则，否则容易进入“超限审查”类结构控制范围内，增加结构设计审查程序及一系列的其他计算内容。

轴压比是保证结构竖向构件在大震下具有足够延性性能的重要指标，是保证结构在大震作用下竖向构件有足够的承受重力荷载的能力。其控制顺序位列第4，调整前3个比值过程中对墙、柱位置及截面大小都有相应的调整，大部分墙柱轴压比都应得到控制，这里只是局部控制，是部分墙、柱调整扭转完成后的轴压比控制，这时轴压比反映的是真实的轴压比，没有扭转等影响轴压比失真的表现。工程实践表明轴压比接近《规范》限值时，对剪力墙及其暗柱配筋影响不明显，对框架柱配筋量增加非常明显，故对框架柱轴压比控制宜低于限值0.1控制，这时柱配筋多为构造配筋，结构成本较经济。

倾覆力矩比控制建筑结构体系的可靠性，尤其是框架—剪力墙结构、短肢剪力墙结构都需要控制剪力墙所承担倾覆力矩占结构体系总地震倾覆力矩的比例，该类结构体系中剪力墙是结构抗震的最后防线，必须具有足够的独立抗震能力及竖向支撑能力。该比值控制结构体系的定义，决定地震剪力的分配计算方法。故在结构平面布置之初需要考虑倾覆力矩比，而且在调整完结构扭转之后也需控制倾覆力矩之比。

层间刚度比主要控制结构竖向不规则性，以避免竖向刚度突变形成薄弱层。一般工程中该比值是满足《规范》要求的，实际工程中需要关注该比值的工程有：判定地下室作为上部结构嵌固端；竖向构件不连续的结构；层高有较大变化的结构。竖向构件不连续的结构即带转换的复杂高层结构，控制转换层上下层间刚度比是重点内容。

刚重比为结构刚度和重力荷载之比，主要控制结构的整体稳定性。刚重比在结构计算中控制重力二阶效应（P－Δ效应）的补充计算。一般建筑结构中刚重比是满足《规范》要求的，特殊的结构如：带伸臂的超高层建筑、跃层建筑中跨层柱、高宽比较大的建筑等需要进行P－Δ效应补充验算。故一般工程中对该项指标只略加关注即可。

综上所述，对建筑结构整体性能指标的关注及调整顺序应为：整体侧向刚度（位移角比、剪重比）→整体抗扭转刚度（周期比、位移比）→结构的延性（轴压比）→倾覆力矩比→层间刚度比→刚重比。

3 建筑结构整体计算分析的步骤

众所周知对一个复杂数学计算公式进行分步计算时，即使计算结果出错也比较容易发现出错位置。对一个复杂建筑结构工程也类似，采取分步骤进行分析较容易找出整体性能中各项指标不满足需要调整的位置。对具有层概念的复杂结构可采用以下步骤进行组装分析，前一步的调整结果始终是后一步调整及分析的基础。

3.1 准确收集、导入荷载，正确选择结构计算参数

准确收集、导入重力荷载是保证结构计算的基础。重力荷载直接影响在静力荷载作用下结构承载能力计算的准确性，同时地震作用的大小与重力荷载的大小有直接关系。单层误差较小的重力荷载对本层影响较小，但多层累加后就产生较大的误差，尤其是高层建筑中柱、墙的轴压比对重力荷载非常敏感，更应强调重力荷载收集、导入的准确性。

正确选择结构计算参数，是保证计算结果真实可靠的前提。在结构整体性能分析中具有重要影响的参数有：地震作用参数、风荷载参数、结构体系类型。

地震作用参数包含有：场地基本设防烈度、场地土类别、场地特征周期、建筑物的抗震等级、地震振型数、地震影响系数、结构的阻尼比等。地震作用参数决定地震作用力的大小，其与建筑物拟建场地特性、建筑物的结构类型、建筑物功能及规模所决定的抗震设防分类等有关。

3.2 第1步，以标准层为研究对象进行分析

一般建筑都有明确的层概念，同时标准层占建筑中大部分层，标准层的经济指标控制整个工程的经济的指标。

在建立结构模型时以标准层结构平面布置、荷载、层高为基础建立整体模型，整体模型的高度与建筑物高度接近（相差不大于一个层高），结构计算参数与整体结构相同。通过对该模型的调整达到控制指标的要求，实现对标准层竖向及水平构件截面尺寸及位置的固定。

3.3 第2步，以顶层复式及屋面层为研究对象进行分析

在第1步的基础上修改模型顶部，即加入顶层复式及屋面层。当加入顶层复式及屋面层后结构性能指标一定会发生变化，但这种变化是因顶部结构布置的改变所引起的，而非标准层结构布置引起的，故调整关注的重点是顶层复式及屋面层的结构布置，也就是说调整过程中对标准层结构布置不做调整。

3.4 第3步，以转换层及以下层为研究对象进行分析

在第2步基础上修改模型的底部，加入转换层、层高加高的架空层等。此时转换层以上结构荷载、结构布置相对准确，有效保证对转换层刚度、转换构件的分析精度。结构带转换层结构的控制指标较多，不仅有扭转控制、同时也有刚度比、剪力比的控制要求。

与第2步相似，当控制指标不满足要求时，调整关注的重点是底部的结构布置，而非上部标准层及顶层。在该阶段调整过程中，转换层或底部架空层平面刚度与标准层平面刚度不匹配或不对应都是引起结构整体周期比、位移比不满足规范要求及标准层超筋的因素，故在调整过程中注意力应始终集中在转换层及以下楼层的平面布置及构件尺寸。

3.5 第4步，以裙房为研究对象进行分析

当高层建筑有裙房时，实际工程中裙房都是与主楼偏心设置的，同时该类结构具有裙房所在层平面刚度较大的特点，结构性能指标中控制难点主要在位移比。

对该类结构应以第3步为基础，在模型中加入裙房结构；调整及关注的重点是裙房结构刚度的分布。调整的方法主要是通过调整裙房抗侧力构件的截面尺寸如柱、梁，同时也可在适当位置加剪力墙，使楼层的刚心尽量接近质心；这类结构调整到刚心与质心重合是不现实的，主要利用结构平面刚度大，通过提高周边构件截面尺寸来提高结构的抗扭能力从而实现控制结构整体位移比的目标。

4 建筑结构整体性能控制中所反映的假象与对策

在分步骤分析结构整体性能过程中，容易发现一些假象，按传统的“头痛医头，脚痛医脚”法处理，容易引起“恶性循环”，达不到快速控制的目的。在实际工程中常遇到的假象有：

（1）周边梁超筋，尤其是中部凹进区域梁超筋，主要表现为结构体系中存在扭转因素，导致梁所需抵抗层扭转能力要求提高所致，非该梁承载力不足引起，应从结构整体着手调整扭转，当周期中扭转成分及位移比调整完好后梁的超筋问题基本解决。

（2）剪力墙、柱轴压比超限，若位移比较大或周期中扭转成分较高，则剪力墙或柱轴压比超限是由结构扭转引起。调整时应以调整结构扭转为主，并兼顾轴压比。

（3）转换梁上剪力墙超筋，转换梁上剪力墙超筋并非其剪力墙截面不满足要求，而是转换梁抗弯刚度不足引起，加大转换梁截面可使该超筋现象消失。

（4）仅转换层上层位移比超限，此时位移比超限非转换层上层结构所布置不规则引起，更应关注转换层平面布置规则性，转换框架与所转换的框支剪力墙作用方向、刚度不相匹配所致。调整转换层结构布置，刚度可使该超限指标消失。

这些假象主要是由结构体系扭转所引起，结构调整中应从整体考虑，按前面所说的建模顺序及指标控制顺序，一步一步确认，每一步应以前一步稳定可靠为前提，每一步关注点集中，才能使调整有目的、有方向达到精准控制的目的。

5 结语

复杂高层结构因结构体系复杂，结构整体性能控制指标较多，若试图通过一个整体模型、几次简单调整来达到控制目标的要求是不现实的。复杂结构进行整体性能控制分析的过程中，宜将结构主体分成几个部分，逐步加装，按步骤、分段进行控制，对结构整体性能指标按顺序进行控制。此方法类似于分步解数学题的模式，能较快地找到控制点、调整的位置和方向。结构调整过程中始终应从整体来考虑，充分运用结构概念分析结构整体性能表现，应尽量避免“头痛医头，脚痛医脚”的调整处理方法。

［1］方勇，刘宪玮.浅谈SATWE软件计算多高层结构的步骤 ［J］.建筑结构·技术通讯，2010，31（7）：6－9.