李秋紅，竇立軍，袁志仁

（1.珠海市建筑設(shè)計(jì)院，珠海519000；2.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)整體性能是指建筑物在使用期間受風(fēng)、地震等作用所反應(yīng)的性能。建筑結(jié)構(gòu)整體性能直接影響建筑結(jié)構(gòu)的安全度，同時(shí)也影響整個(gè)工程的造價(jià)。

隨著房地產(chǎn)市場的發(fā)展，建筑項(xiàng)目規(guī)模日益擴(kuò)大，建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不斷增加，但在房地產(chǎn)開發(fā)周期中留給施工圖設(shè)計(jì)的時(shí)間不多；建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算所需時(shí)間成為控制著整個(gè)項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)工期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。建筑結(jié)構(gòu)整體性能的控制是結(jié)構(gòu)分析的核心，也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對建筑結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)從89版及以前“定性”指標(biāo)發(fā)展至2001、2010版“定量”指標(biāo)。量化性能指標(biāo)提高了建筑結(jié)構(gòu)整體性能控制的精度，同時(shí)也增加了其難度。整體性能首先是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)把控，然后通過試算驗(yàn)證，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，包括構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)布置。在調(diào)整計(jì)算過程中時(shí)常因概念、目的不清而失去方向，而盲目調(diào)整，既造成經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不合理，又影響整個(gè)設(shè)計(jì)工期。

本文通過研究建筑結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)間的關(guān)系、整體性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)剛度分布間的關(guān)系、以及實(shí)際工程中常遇到結(jié)構(gòu)整體性能反應(yīng)特點(diǎn)，試圖尋找快速控制結(jié)構(gòu)整體性能的方法。

1 建筑結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)及其關(guān)系

我國現(xiàn)行GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)整體性能的控制是通過8個(gè)比值來表述的。這8個(gè)比值為：位移比、周期比、位移角比、剛度比、剪重比、軸壓比、剛重比、傾覆力矩比。8個(gè)比值的限值為結(jié)構(gòu)整體性能的控制目標(biāo)。

各個(gè)比值是對建筑結(jié)構(gòu)整體某項(xiàng)性能的具體反映。位移比、周期比控制建筑結(jié)構(gòu)整體抗扭轉(zhuǎn)性能；位移角比、剪重比反映建筑結(jié)構(gòu)整體剛度；軸壓比控制建筑結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的延性；剛度比控制建筑結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則性；剛重比控制建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性；傾覆力矩比控制結(jié)構(gòu)體系的可靠性［1］。位移比和周期比都是控制結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)性能但反映的內(nèi)容不同，位移比主要控制結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性，是結(jié)構(gòu)實(shí)際扭轉(zhuǎn)的量值，周期比控制結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，兩者都是反映結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度間的關(guān)系的，位移比是反映兩種剛度的絕對關(guān)系，周期比反映兩種剛度的相對關(guān)系。

建筑結(jié)構(gòu)整體性能反映到建筑結(jié)構(gòu)本身是建筑結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度的大小、整體扭轉(zhuǎn)剛度與整體抗側(cè)剛度比值、層與層間剛度比值關(guān)系。為使各個(gè)比值達(dá)到控制目標(biāo)的要求，必須調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)中抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置，即各個(gè)比值都與建筑結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度、扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān)，故各個(gè)比值間存在著既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)相互影響的關(guān)系，綜合起來反映結(jié)構(gòu)整體性能。

2 建筑結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)控制的順序

如前所述建筑結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)各反映建筑結(jié)構(gòu)整體性能的某一方面，但又相互關(guān)聯(lián)相互影響，在實(shí)際工程中不能寄希望于一次調(diào)整而使所有的性能指標(biāo)達(dá)到控制目標(biāo)的要求，而應(yīng)根據(jù)各性能指標(biāo)所反映建筑結(jié)構(gòu)性能的重要性有順序地調(diào)整控制，使調(diào)整過程中有目的、有方向，保證整個(gè)工作有序進(jìn)行。

位移角比與剪重比都是直接反映建筑結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度的大小，是結(jié)構(gòu)安全性的第一表現(xiàn)。抗震建筑結(jié)構(gòu)體系，既要具備必要的抗震能力，同時(shí)也要有良好的變形能力和消耗地震能量的能力。結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)變形過大，變形超過《規(guī)范》要求時(shí)，表明結(jié)構(gòu)體系缺乏應(yīng)有的抗震能力；結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度越大，抗水平荷載的能力就越強(qiáng)，從而使結(jié)構(gòu)變形較小，但在地震作用下吸收能量較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度過大時(shí)會造成結(jié)構(gòu)材料用量的大幅增加，從而引起建筑成本的上升，故抗側(cè)剛度并不是越大越好，而應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。位移角比側(cè)重于控制結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的變形，剪重比側(cè)重于控制結(jié)構(gòu)能承擔(dān)足夠的地震作用。對以上2個(gè)指標(biāo)控制調(diào)整需對整個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行調(diào)整，故將兩個(gè)指標(biāo)放在一起同時(shí)考慮，放在第一位進(jìn)行處理。

周期比控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的相對關(guān)系，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、合理，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，故周期比的控制應(yīng)放置在第2位處理。周期比的控制不僅要控制第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值，而且要控制第一平動周期的扭轉(zhuǎn)成分。工程實(shí)踐表明，第一平動周期中扭轉(zhuǎn)成分過大時(shí)，會導(dǎo)致位移比較難控制，同時(shí)也會引起部分梁超筋、墻柱軸壓比超限等反映的失真。一般工程中對周期比及第一平動周期中扭轉(zhuǎn)成分按最嚴(yán)格的要求來控制，即周期比控制在0.85以下，同時(shí)第一平動周期中扭轉(zhuǎn)成分控制以接近于0且不大于3%的要求來控制，為位移比、軸壓比控制提供有利條件。

位移比反映結(jié)構(gòu)實(shí)際扭轉(zhuǎn)的量值，其主要控制結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性，避免結(jié)構(gòu)形成扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的不利影響。位移比是判斷結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性的重要指標(biāo)，也是判斷結(jié)構(gòu)體系是否需要進(jìn)行超限審查的重要指標(biāo)，故依據(jù)該要求的重要性將位移比控制放置在第3位處理。位移比控制在1.2及以內(nèi)時(shí)表明結(jié)構(gòu)平面規(guī)則，當(dāng)大于1.2時(shí)結(jié)構(gòu)平面處于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，需要考慮“雙向地震”作用的影響。一般工程中控制位移比應(yīng)從嚴(yán)控制，避免扭轉(zhuǎn)引起局部梁超筋及墻柱軸壓比反映失真。一般情況下應(yīng)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則處于Ⅰ類或規(guī)則，否則容易進(jìn)入“超限審查”類結(jié)構(gòu)控制范圍內(nèi)，增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)審查程序及一系列的其他計(jì)算內(nèi)容。

軸壓比是保證結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件在大震下具有足夠延性性能的重要指標(biāo)，是保證結(jié)構(gòu)在大震作用下豎向構(gòu)件有足夠的承受重力荷載的能力。其控制順序位列第4，調(diào)整前3個(gè)比值過程中對墻、柱位置及截面大小都有相應(yīng)的調(diào)整，大部分墻柱軸壓比都應(yīng)得到控制，這里只是局部控制，是部分墻、柱調(diào)整扭轉(zhuǎn)完成后的軸壓比控制，這時(shí)軸壓比反映的是真實(shí)的軸壓比，沒有扭轉(zhuǎn)等影響軸壓比失真的表現(xiàn)。工程實(shí)踐表明軸壓比接近《規(guī)范》限值時(shí)，對剪力墻及其暗柱配筋影響不明顯，對框架柱配筋量增加非常明顯，故對框架柱軸壓比控制宜低于限值0.1控制，這時(shí)柱配筋多為構(gòu)造配筋，結(jié)構(gòu)成本較經(jīng)濟(jì)。

傾覆力矩比控制建筑結(jié)構(gòu)體系的可靠性，尤其是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)都需要控制剪力墻所承擔(dān)傾覆力矩占結(jié)構(gòu)體系總地震傾覆力矩的比例，該類結(jié)構(gòu)體系中剪力墻是結(jié)構(gòu)抗震的最后防線，必須具有足夠的獨(dú)立抗震能力及豎向支撐能力。該比值控制結(jié)構(gòu)體系的定義，決定地震剪力的分配計(jì)算方法。故在結(jié)構(gòu)平面布置之初需要考慮傾覆力矩比，而且在調(diào)整完結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)之后也需控制傾覆力矩之比。

層間剛度比主要控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性，以避免豎向剛度突變形成薄弱層。一般工程中該比值是滿足《規(guī)范》要求的，實(shí)際工程中需要關(guān)注該比值的工程有：判定地下室作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端；豎向構(gòu)件不連續(xù)的結(jié)構(gòu)；層高有較大變化的結(jié)構(gòu)。豎向構(gòu)件不連續(xù)的結(jié)構(gòu)即帶轉(zhuǎn)換的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，控制轉(zhuǎn)換層上下層間剛度比是重點(diǎn)內(nèi)容。

剛重比為結(jié)構(gòu)剛度和重力荷載之比，主要控制結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。剛重比在結(jié)構(gòu)計(jì)算中控制重力二階效應(yīng)（P－Δ效應(yīng)）的補(bǔ)充計(jì)算。一般建筑結(jié)構(gòu)中剛重比是滿足《規(guī)范》要求的，特殊的結(jié)構(gòu)如：帶伸臂的超高層建筑、躍層建筑中跨層柱、高寬比較大的建筑等需要進(jìn)行P－Δ效應(yīng)補(bǔ)充驗(yàn)算。故一般工程中對該項(xiàng)指標(biāo)只略加關(guān)注即可。

綜上所述，對建筑結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)的關(guān)注及調(diào)整順序應(yīng)為：整體側(cè)向剛度（位移角比、剪重比）→整體抗扭轉(zhuǎn)剛度（周期比、位移比）→結(jié)構(gòu)的延性（軸壓比）→傾覆力矩比→層間剛度比→剛重比。

3 建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析的步驟

眾所周知對一個(gè)復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算公式進(jìn)行分步計(jì)算時(shí)，即使計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)也比較容易發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)位置。對一個(gè)復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)工程也類似，采取分步驟進(jìn)行分析較容易找出整體性能中各項(xiàng)指標(biāo)不滿足需要調(diào)整的位置。對具有層概念的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可采用以下步驟進(jìn)行組裝分析，前一步的調(diào)整結(jié)果始終是后一步調(diào)整及分析的基礎(chǔ)。

3.1 準(zhǔn)確收集、導(dǎo)入荷載，正確選擇結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

準(zhǔn)確收集、導(dǎo)入重力荷載是保證結(jié)構(gòu)計(jì)算的基礎(chǔ)。重力荷載直接影響在靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)地震作用的大小與重力荷載的大小有直接關(guān)系。單層誤差較小的重力荷載對本層影響較小，但多層累加后就產(chǎn)生較大的誤差，尤其是高層建筑中柱、墻的軸壓比對重力荷載非常敏感，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)重力荷載收集、導(dǎo)入的準(zhǔn)確性。

正確選擇結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)，是保證計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠的前提。在結(jié)構(gòu)整體性能分析中具有重要影響的參數(shù)有：地震作用參數(shù)、風(fēng)荷載參數(shù)、結(jié)構(gòu)體系類型。

地震作用參數(shù)包含有：場地基本設(shè)防烈度、場地土類別、場地特征周期、建筑物的抗震等級、地震振型數(shù)、地震影響系數(shù)、結(jié)構(gòu)的阻尼比等。地震作用參數(shù)決定地震作用力的大小，其與建筑物擬建場地特性、建筑物的結(jié)構(gòu)類型、建筑物功能及規(guī)模所決定的抗震設(shè)防分類等有關(guān)。

3.2 第1步，以標(biāo)準(zhǔn)層為研究對象進(jìn)行分析

一般建筑都有明確的層概念，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層占建筑中大部分層，標(biāo)準(zhǔn)層的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)控制整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)。

在建立結(jié)構(gòu)模型時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置、荷載、層高為基礎(chǔ)建立整體模型，整體模型的高度與建筑物高度接近（相差不大于一個(gè)層高），結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)與整體結(jié)構(gòu)相同。通過對該模型的調(diào)整達(dá)到控制指標(biāo)的要求，實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)層豎向及水平構(gòu)件截面尺寸及位置的固定。

3.3 第2步，以頂層復(fù)式及屋面層為研究對象進(jìn)行分析

在第1步的基礎(chǔ)上修改模型頂部，即加入頂層復(fù)式及屋面層。當(dāng)加入頂層復(fù)式及屋面層后結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)一定會發(fā)生變化，但這種變化是因頂部結(jié)構(gòu)布置的改變所引起的，而非標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置引起的，故調(diào)整關(guān)注的重點(diǎn)是頂層復(fù)式及屋面層的結(jié)構(gòu)布置，也就是說調(diào)整過程中對標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置不做調(diào)整。

3.4 第3步，以轉(zhuǎn)換層及以下層為研究對象進(jìn)行分析

在第2步基礎(chǔ)上修改模型的底部，加入轉(zhuǎn)換層、層高加高的架空層等。此時(shí)轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)荷載、結(jié)構(gòu)布置相對準(zhǔn)確，有效保證對轉(zhuǎn)換層剛度、轉(zhuǎn)換構(gòu)件的分析精度。結(jié)構(gòu)帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的控制指標(biāo)較多，不僅有扭轉(zhuǎn)控制、同時(shí)也有剛度比、剪力比的控制要求。

與第2步相似，當(dāng)控制指標(biāo)不滿足要求時(shí)，調(diào)整關(guān)注的重點(diǎn)是底部的結(jié)構(gòu)布置，而非上部標(biāo)準(zhǔn)層及頂層。在該階段調(diào)整過程中，轉(zhuǎn)換層或底部架空層平面剛度與標(biāo)準(zhǔn)層平面剛度不匹配或不對應(yīng)都是引起結(jié)構(gòu)整體周期比、位移比不滿足規(guī)范要求及標(biāo)準(zhǔn)層超筋的因素，故在調(diào)整過程中注意力應(yīng)始終集中在轉(zhuǎn)換層及以下樓層的平面布置及構(gòu)件尺寸。

3.5 第4步，以裙房為研究對象進(jìn)行分析

當(dāng)高層建筑有裙房時(shí)，實(shí)際工程中裙房都是與主樓偏心設(shè)置的，同時(shí)該類結(jié)構(gòu)具有裙房所在層平面剛度較大的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)中控制難點(diǎn)主要在位移比。

對該類結(jié)構(gòu)應(yīng)以第3步為基礎(chǔ)，在模型中加入裙房結(jié)構(gòu)；調(diào)整及關(guān)注的重點(diǎn)是裙房結(jié)構(gòu)剛度的分布。調(diào)整的方法主要是通過調(diào)整裙房抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸如柱、梁，同時(shí)也可在適當(dāng)位置加剪力墻，使樓層的剛心盡量接近質(zhì)心；這類結(jié)構(gòu)調(diào)整到剛心與質(zhì)心重合是不現(xiàn)實(shí)的，主要利用結(jié)構(gòu)平面剛度大，通過提高周邊構(gòu)件截面尺寸來提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力從而實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)整體位移比的目標(biāo)。

4 建筑結(jié)構(gòu)整體性能控制中所反映的假象與對策

在分步驟分析結(jié)構(gòu)整體性能過程中，容易發(fā)現(xiàn)一些假象，按傳統(tǒng)的“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”法處理，容易引起“惡性循環(huán)”，達(dá)不到快速控制的目的。在實(shí)際工程中常遇到的假象有：

（1）周邊梁超筋，尤其是中部凹進(jìn)區(qū)域梁超筋，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)體系中存在扭轉(zhuǎn)因素，導(dǎo)致梁所需抵抗層扭轉(zhuǎn)能力要求提高所致，非該梁承載力不足引起，應(yīng)從結(jié)構(gòu)整體著手調(diào)整扭轉(zhuǎn)，當(dāng)周期中扭轉(zhuǎn)成分及位移比調(diào)整完好后梁的超筋問題基本解決。

（2）剪力墻、柱軸壓比超限，若位移比較大或周期中扭轉(zhuǎn)成分較高，則剪力墻或柱軸壓比超限是由結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)引起。調(diào)整時(shí)應(yīng)以調(diào)整結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主，并兼顧軸壓比。

（3）轉(zhuǎn)換梁上剪力墻超筋，轉(zhuǎn)換梁上剪力墻超筋并非其剪力墻截面不滿足要求，而是轉(zhuǎn)換梁抗彎剛度不足引起，加大轉(zhuǎn)換梁截面可使該超筋現(xiàn)象消失。

（4）僅轉(zhuǎn)換層上層位移比超限，此時(shí)位移比超限非轉(zhuǎn)換層上層結(jié)構(gòu)所布置不規(guī)則引起，更應(yīng)關(guān)注轉(zhuǎn)換層平面布置規(guī)則性，轉(zhuǎn)換框架與所轉(zhuǎn)換的框支剪力墻作用方向、剛度不相匹配所致。調(diào)整轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置，剛度可使該超限指標(biāo)消失。

這些假象主要是由結(jié)構(gòu)體系扭轉(zhuǎn)所引起，結(jié)構(gòu)調(diào)整中應(yīng)從整體考慮，按前面所說的建模順序及指標(biāo)控制順序，一步一步確認(rèn)，每一步應(yīng)以前一步穩(wěn)定可靠為前提，每一步關(guān)注點(diǎn)集中，才能使調(diào)整有目的、有方向達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。

5 結(jié)語

復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)整體性能控制指標(biāo)較多，若試圖通過一個(gè)整體模型、幾次簡單調(diào)整來達(dá)到控制目標(biāo)的要求是不現(xiàn)實(shí)的。復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性能控制分析的過程中，宜將結(jié)構(gòu)主體分成幾個(gè)部分，逐步加裝，按步驟、分段進(jìn)行控制，對結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)按順序進(jìn)行控制。此方法類似于分步解數(shù)學(xué)題的模式，能較快地找到控制點(diǎn)、調(diào)整的位置和方向。結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中始終應(yīng)從整體來考慮，充分運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念分析結(jié)構(gòu)整體性能表現(xiàn)，應(yīng)盡量避免“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的調(diào)整處理方法。

［1］方勇，劉憲瑋.淺談SATWE軟件計(jì)算多高層結(jié)構(gòu)的步驟 ［J］.建筑結(jié)構(gòu)·技術(shù)通訊，2010，31（7）：6－9.