第四章 结构计算分析

62.选择高层建筑结构分析软件时应注意哪些方面?

1）高层建筑结构是复杂的三维空间受力体系，计算分析时应根据结构实际的情况，选取能较准确地反映结构中各构件的实际受力情况的力学模型。目前，国内商品化的结构分析软件所采用的力学模型主要有：空间杆系模型、空间杆—薄壁杆系模型、空间杆—墙板元模型及其他组合有限元模型。常用结构分析软件的计算模型及适用范围如表4-1所示。

单榀平面结构分析的计算模型主要用于早期的计算机分析，适用于平面非常规则的纯框架（剪力墙）结构，且各榀框架（剪力墙）大体相似，一般不用于高层建筑结构。

平面结构空间协同计算模型只能一定程度上反映结构整体工作性能的主要特征，对结构空间整体的受力性能反映不完全，仅适用于平面布置较为规则的框架、框架—剪力墙和剪力墙结构等。

薄壁杆件计算模型对剪力墙长墙、矮墙、多肢剪力墙、悬挑剪力墙、框支剪力墙、无楼板约束的剪力墙等情况的计算精度不够；单元计算模型对剪力墙洞口上下不对齐、不等宽时的计算，可能会造成分析结果失真等。

因此，结构设计人员应根据工程的实际情况，按照“适用性、准确性、规范性、完备性”的原则，选择适合工程的计算机分析软件。

2）高层建筑的楼（屋）盖绝大多数为现浇钢筋混凝土楼盖和有现浇面层的预制装配式楼板，进行高层建筑结构内力与位移整体计算时，可视其为水平放置的深梁，具有很大的面内刚度，可近似认为楼板在其自身平面内为无限刚性。采用这一计算假定后，结构分析的自由度数目大大减少，可减小由于庞大自由度系统而带来的计算误差，使计算过程和计算结果的分析大为简化。计算分析和工程实践表明，刚性楼板假定对绝大部分高层建筑的分析具有足够的工程精度。采用刚性楼板假定进行结构计算时，设计上应采取必要措施保证楼面的整体刚度:①平面体型宜符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.4.3条的规定；②宜采用现浇钢筋混凝土楼板和有现浇层的装配整体式楼板；③局部削弱的楼面，可采取楼板局部加厚、设置边梁及加大楼板配筋等措施。

楼板有效宽度较窄的环形楼面或其他有大开洞楼面、有狭长外伸段楼面、局部变窄产生薄弱连接的楼面、连体结构的狭长连接体楼面等场合，楼板面内刚度有较大削弱且不均匀，楼板的面内变形会使楼层内抗侧刚度小的构件的位移和受力加大（相对刚性楼盖假定而言），计算时应考虑楼板面内变形的影响。根据楼面结构的实际情况，楼板面内变形可全楼考虑、仅部分楼层考虑或部分楼层的部分区域考虑。考虑楼板的实际刚度可以采用将楼板等效为剪弯水平梁的简化方法，也可采用有限元法进行计算。

当需要考虑楼面内变形而计算中采用楼面内无限刚性假定时，应对所得的计算结果进行调整。具体的调整方法和调整幅度与结构体系、构件平面布置、楼板削弱情况等密切相关。一般可对楼板削弱部位的抗侧刚度相对比较小的结构构件，适当增大计算内力，加强配筋和构造措施。

3）高层建筑按空间整体工作计算时，梁的自由度应考虑弯曲、剪切、扭转变形，当考虑楼板面内变形时还有轴向变形；柱的自由度应考虑弯曲、剪切、轴向、扭转变形。当采用空间杆—薄壁杆系模型时，剪力墙自由度应考虑弯曲、剪切、轴向、扭转变形和翘屈变形；当采用其他有限元模型分析剪力墙时，剪力墙自由度考虑弯曲、剪切、轴向、扭转变形。

高层建筑结构层数多、重量大，墙、柱的轴向变形影响显著，计算时应考虑。

4）高层建筑进行重力荷载作用效应分析时，柱、墙轴向变形宜考虑施工过程的影响。高层建筑结构是逐层施工完成的，其竖向刚度和竖向荷载（如自重和施工荷载）也是逐层形成的。这种情况与结构刚度一次形成、竖向荷载一次施加的计算方法存在较大的差异。因此，对于层数较多的高层建筑结构，在进行重力荷载作用效应分析时，柱、墙、斜撑等构件的轴向变形宜考虑施工过程的影响。

施工过程的模拟可根据需要采用适当的计算模型考虑。如结构竖向刚度和竖向荷载逐层形成、逐层计算的方法，或结构竖向刚度一次形成、竖向荷载逐层施加的计算方法等。

复杂高层建筑和房屋高度大于150m的其他高层建筑结构是否考虑施工过程的模拟计算，对设计有较大的影响。因此，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第5.1.9条增加了复杂高层建筑和房屋高度大于150m的其他高层建筑结构应考虑施工过程的影响。

5）高层建筑结构进行水平风荷载作用效应分析时，除对称结构外，结构构件在正、反两个方向的风荷载作用下效应一般是不相同的，按两个方向风效应的较大值采用，是为了保证安全的前提下简化计算。体型复杂的高层建筑应考虑多方向风荷载作用，进行风效应对比分析，增加结构抗风安全性。因此，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第5.1.10条规定，高层建筑结构进行风作用效应计算时，正反两个方向的风作用效应宜按两个方向计算的较大值采用；体型复杂的高层建筑，应考虑风向角的不利影响。

6）在内力和位移计算中，型钢混凝土和钢管混凝土构件宜按实际情况直接参与计算。有依据时，也可等效为混凝土构件进行计算，并按JGJ 3—2010第11章的有关规定进行截面设计。

7）体型复杂、结构布置复杂的高层建筑结构受力情况复杂，应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算分析，以保证力学分析的可靠性。

8）带转换层的高层建筑结构、带加强层的高层建筑结构、错层结构、连体和立面开洞结构、多塔楼结构等，属于体型复杂的高层建筑结构，其竖向刚度变化大、受力复杂、易形成薄弱部位。混合结构和B级高度的高层建筑结构的房屋高度大、工程经验不多，因此整体计算分析时应从严要求。

抗震设计时，B级高度的高层建筑结构、混合结构和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第10章规定的复杂高层建筑结构，应符合下列要求：

①宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。

②应采用弹性时程分析法进行补充计算。

③宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。

上述第③款的要求主要针对重要建筑、相邻层侧向刚度或承载力相差悬殊的竖向不规则高层建筑结构。

9）对竖向不规则的高层建筑结构（包括某楼层抗侧刚度小于其上层的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，或结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，见图4-1）薄弱层对应地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数；结构的计算分析应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第5.1.13条的规定，同时仍应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第4.3.12条关于楼层最小地震剪力系数（剪重比）的规定，并应对其薄弱部位采取有效的抗震构造措施，以提高薄弱层的抗震能力。

10）多塔楼结构振动形态复杂，整体模型计算有时不容易判断结果的合理性；辅以分塔楼模型计算方法，取二者的不利结果进行设计较为妥当。因此，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第5.1.14条规定，对多塔楼结构，宜按整体模型和各塔楼分开的模型划分计算，并采用较不利的结果进行结构设计。当塔楼周边的裙房超过两跨时，分塔楼模型宜至少附带一跨的裙楼结构。

11）对受力复杂的结构构件，如竖向布置复杂的剪力墙、加强层构件、转换层构件、错层构件、连接体及其相关构件等，除结构整体分析外，尚应按有限元等方法进行局部应力分析，并可根据需要，按应力分析结果进行截面配筋设计校核。