復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋安全性檢測與荷載不利布置初探

■ 陳佶豪 CHEN Jihao

0 引言

社會技術(shù)手段的進步，尤其是電子計算機及工程計算軟件的應(yīng)用與普及，極大地推動了現(xiàn)代房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計、檢測鑒定等相關(guān)技術(shù)，其趨于建筑個性化的同時，也伴隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。這部分結(jié)構(gòu)形式或體系較為復(fù)雜的房屋同樣需要進行安全性及抗震性檢測。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋往往會對房屋鑒定工作提出更高的要求，有時甚至超出了現(xiàn)有常規(guī)工程鑒定（設(shè)計）軟件的常用計算功能。本文就復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋的荷載不利布置問題進行初步的對比分析與探討。

1 國內(nèi)外復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋典型范例

隨著人類科技進步及審美的多元化需求，人們對建筑功能及美學(xué)的要求不斷提高。為了打破建筑傳統(tǒng)格局，復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋在世界各大城市逐漸嶄露頭角，比較著名的如1851年建于英國倫敦的水晶宮（圖1），1889 年建于法國巴黎的機械館（圖2）和埃菲爾鐵塔（圖3）。

圖1 水晶宮

圖3 埃菲爾鐵塔

上世紀六七十年代開始，國內(nèi)房屋也隨著建筑格局的個性化，結(jié)構(gòu)愈發(fā)不規(guī)則，且出現(xiàn)了超限的情況，如1976 年建造的廣州白云賓館（33 層、高108 m）、1985 年 建造的深圳國貿(mào)中心大廈（50 層、高160 m）和1994 年建造的上海金茂大廈（88 層、高420.5 m）。隨著超高層或大跨建筑的普及，房屋結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度愈發(fā)嚴重。在構(gòu)件方面，斜柱（墻）、拉桿或轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等應(yīng)用廣泛；在體系方面，連體結(jié)構(gòu)、高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)及懸掛式結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋得到了快速發(fā)展，比較典型的有：北京中央電視臺總部大樓（圖4）的大跨連體結(jié)構(gòu)、上海T20大廈的錯層結(jié)構(gòu)（圖5）、貴陽會展201 大廈的超高懸掛結(jié)構(gòu)（圖6）等。

圖4 北京中央電視臺總部大樓（大跨連體結(jié)構(gòu)）

圖5 上海T20 大廈（錯層結(jié)構(gòu)）

圖6 貴陽會展201 大廈（超高懸掛結(jié)構(gòu)）

2 房屋結(jié)構(gòu)安全性檢測與荷載不利分布

隨著政府監(jiān)管政策的完善，以及既有建筑使用時間增加和功能更新，復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑逐漸出現(xiàn)了房屋安全性等檢測需求。這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋的荷載分布往往較為復(fù)雜，其房屋結(jié)構(gòu)安全性檢測需要在現(xiàn)場檢測過程中，對整棟樓進行全面的荷載調(diào)查；并在后期檢測鑒定過程中，根據(jù)調(diào)查結(jié)果對房屋各區(qū)域的荷載進行整體的、合理的不利組合布置，以確保房屋安全性鑒定結(jié)果的可靠度。

2.1 房屋結(jié)構(gòu)安全性檢測的相關(guān)政策規(guī)范

2020 年2 月14 日，上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會印發(fā)了《上海市建筑裝飾裝修工程管理實施辦法》（滬住建規(guī)范〔2020〕3 號）[1]，明確規(guī)定：房屋裝修工程涉及存在《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固規(guī)程》(DGJ 08-81—2015)規(guī)定情形的、增加荷載超過設(shè)計荷載值5%的、涉及2000年之前建造且低于《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》(DGJ 08-9—1992)(1996 年局部修訂增補)標準設(shè)計等情形的，建設(shè)單位在申請辦理施工許可證時，應(yīng)提供第三方機構(gòu)出具的房屋安全檢測報告(抗震鑒定報告)。當(dāng)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋進行結(jié)構(gòu)安全性檢時，其荷載分布往往也較復(fù)雜：現(xiàn)場檢測需對全樓荷載進行全面調(diào)調(diào)；后期鑒定也應(yīng)根據(jù)調(diào)查結(jié)果對房屋各部位的荷載進行整體的、合理的不利組合布置，以確保房屋安全性鑒定結(jié)果的可靠度。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[2]第5.1.8 條明確規(guī)定：高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算中，當(dāng)樓面活荷載大于4 kN/m2時，應(yīng)考慮樓面活荷載不利布置引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增大；當(dāng)整體計算中未考慮樓面活荷載不利布置時，應(yīng)適當(dāng)增大樓面梁的計算彎矩。同時，在相應(yīng)的條文說明中補充：國內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑由恒荷載和活荷載引起的單位面積重力，框架與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)約12～14 kN/m2，剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)約13～16 kN/m2，而其中活荷載部分約2～3 kN/m2，占全部重力的15%～20%，活荷載不利分布的影響較小。如果活荷載較大，其不利分布對梁彎矩的影響會比較明顯，計算時應(yīng)予考慮。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[3]第3.2.1 條明確規(guī)定：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載組合，并應(yīng)取各自的最不利的組合進行設(shè)計。同時，在相應(yīng)的條文說明中補充：對所考慮的極限狀態(tài)，在確定其荷載效應(yīng)時，應(yīng)對所有可能同時出現(xiàn)的諸荷載作用加以組合，求得組合后在結(jié)構(gòu)中的總效應(yīng)?？紤]荷載出現(xiàn)的變化性質(zhì)，包括出現(xiàn)與否和不同的作用方向，這種組合可以多種多樣，因此還必須在所有可能組合中，取其中最不利的一組作為該極限狀態(tài)的設(shè)計依據(jù)。

2.2 荷載不利分布計算

目前，國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及既有房屋結(jié)構(gòu)安全性鑒定常用的主流軟件均有自動考慮上述活荷載不利布置的功能，相關(guān)軟件操作界面如圖7 所示。

圖7 主流工程軟件活荷載不利布置操作界面

根據(jù)上述工程計算軟件的產(chǎn)品說明書[4-5]可知，相關(guān)軟件考慮房屋活荷載不利布置的計算方法基本一致。軟件在考慮活荷載不利布置計算中，按房間樓板及梁上外加活荷載進行加載計算，即：對每一個房間樓板加活荷載作用時，保持其它房間樓板空載，使加載房間樓板的周邊各梁得到由樓板或次梁傳來的荷載，經(jīng)分析得出本層各梁內(nèi)力后，對每根梁的內(nèi)力進行迭加計算，形成正負彎矩包絡(luò)。

為了提高計算效率，軟件計算模塊考慮活荷載不利布置主要對本層影響較大，而層與層之間的影響較小。軟件借鑒結(jié)構(gòu)力學(xué)中的“分層模型”計算方法，在每次加載時，只考慮本層剛度，該剛度由本層所有梁和相連上下層的柱、支撐、墻等豎向構(gòu)件的剛度貢獻而成。為了能同時考慮層間影響，軟件在活荷載滿布狀態(tài)下，再用整體剛度求解一次內(nèi)力作為活荷載作用工況1，將分層活荷載不利布置形成的梁正負彎矩包絡(luò)分別作為活荷載作用工況2 和工況3，并以上述3種活荷載作用工況參與荷載組合計算。

3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋算例建模

為便于驗證對比，本文選取典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋的實際工程案例并作適當(dāng)簡化，簡化后的結(jié)構(gòu)模型僅考慮正常使用條件下豎向荷載的作用。同時，采用國內(nèi)應(yīng)用較普及的工程軟件對典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋進行建模，并驗算其關(guān)鍵構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)。

3.1 懸掛結(jié)構(gòu)

選取某15 層的高級公寓住宅樓作為懸掛結(jié)構(gòu)算例。其標準層層高4 m，平面雙向柱距均為10 m，核心筒長寬也均為10 m。房屋豎向承重構(gòu)件主要為外框鋼拉桿（H 型鋼）及鋼筋混凝土核心筒（底層墻厚400 mm），水平傳力構(gòu)件主要為120 mm 厚鋼與混凝土組合樓蓋及樓面組合鋼梁（典型高跨比1/16）。為滿足建筑景觀大平層、外立面通透視野的要求，房屋通過屋頂伸臂桁架層將外圍細長鋼吊桿拉力傳遞給中央核心筒，形成“抗震墻-懸掛結(jié)構(gòu)”體系。房屋立面荷載按玻璃幕墻考慮，樓面恒荷載按架空地板并綜合考慮吊頂管線取1.5 kN/m2，樓面活荷載按住宅并綜合考慮輕質(zhì)隔斷取3.0 kN/ m2。該房屋三維模型如圖8所示。

圖8 懸掛結(jié)構(gòu)住宅樓三維模型示意圖

3.2 錯層結(jié)構(gòu)

本文選取的錯層結(jié)構(gòu)算例房屋為某3 層大跨交通樞紐建筑（簡化建模選取房屋典型區(qū)域結(jié)構(gòu)）,標準層層高5 m，平面柱距為10 m×20 m。房屋豎向承重構(gòu)件主要為型鋼混凝土柱(邊長500～650 mm),水平傳力構(gòu)件主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土密肋樓蓋(板厚120 mm)及型鋼混凝土梁(典型高跨比1/20)。為滿足交通樞紐建筑立體行車及坡道貫通等需求，房屋在框架柱間設(shè)置不同標高的梁板結(jié)構(gòu)，并在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)加設(shè)型鋼以提高其承載力及延性，形成型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)體系（部分采用錯層結(jié)構(gòu)）。房屋立面荷載按玻璃幕墻考慮，輕鋼屋架柱底鉸接按節(jié)點荷載考慮，樓面恒荷載按環(huán)氧樹脂地面并綜合考慮吊頂管線取2.5 kN/m2，樓面活荷載按45 座電動大客車取等效均布活荷載10.0 kN/m2（按框架梁彎矩等效）。其三維模型如圖9 所示。

圖9 錯層結(jié)構(gòu)房屋算例三維模型示意圖

3.3 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

本文選取的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)算例為某3 層商場建筑（簡化建模選取房屋中庭一側(cè)的典型區(qū)域結(jié)構(gòu)）,標準層層高4 m，平面柱距為9 m×12 m。房屋豎向承重構(gòu)件主要為H 型鋼柱（邊長400 mm）,水平傳力構(gòu)件主要為120 mm 厚鋼與混凝土組合樓蓋及樓面組合鋼梁（典型高跨比1/12～1/15）。為滿足建筑商業(yè)中庭大空間的要求，在首層通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)達到中庭各側(cè)的結(jié)構(gòu)收進效果，形成鋼框架結(jié)構(gòu)體系（部分采用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)）。房屋立面荷載按玻璃幕墻考慮，樓面恒荷載按面磚地面并綜合考慮吊頂管線取2.0 kN/m2，樓面活荷載按商場取3.5 kN/m2。其三維模型如10 圖所示。

圖10 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)房屋算例三維模型示意圖

4 算例關(guān)鍵構(gòu)件的不利荷載分布

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）相關(guān)條文說明，因房屋活荷載相對恒荷載較小等原因，一般房屋在結(jié)構(gòu)驗算中采用傳統(tǒng)計算軟件是可以滿足建筑結(jié)構(gòu)工程計算精度要求的。但考慮到復(fù)雜結(jié)構(gòu)傳力路徑復(fù)雜、體系不規(guī)則的特點，為確保房屋安全性鑒定結(jié)果的可靠性，對本文復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋算例中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件參照結(jié)構(gòu)力學(xué)的影響線理論及虛功原理進行分析：在相關(guān)關(guān)鍵構(gòu)件上施加假想力，并與受分析構(gòu)件計算控制工況荷載作用擬合一致。根據(jù)該假想力作用下的房屋分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)下?lián)献冃闻c豎向荷載作用方向一致的區(qū)域施加活荷載，并作為本次分析的全樓不利活荷載布置。

4.1 懸掛結(jié)構(gòu)的不利荷載分布

底層核心筒的抗傾覆能力是懸掛結(jié)構(gòu)房屋關(guān)鍵性能指標，故選取底層核心筒角部墻肢作為懸掛結(jié)構(gòu)房屋算例的驗算控制構(gòu)件，并主要驗算其壓彎承載力。對其施加假想彎矩后，得到結(jié)構(gòu)位移結(jié)果如圖11a 所示；對該位移結(jié)果中與豎向荷載作用下變形趨勢一致的區(qū)域施加活荷載，得到懸掛結(jié)構(gòu)房屋算例的不利荷載布置如圖11b 所示。

圖11 懸掛結(jié)構(gòu)底層墻不利壓彎分析與荷載布置圖

4.2 錯層結(jié)構(gòu)的不利荷載分布

大跨度框架梁及其支承短柱是錯層結(jié)構(gòu)交通樞紐建筑的關(guān)鍵受力構(gòu)件，故對錯層結(jié)構(gòu)算例選取頂層大跨度框架的梁、柱分別進行計算分析。

（1）選取頂層框架梁作為驗算控制構(gòu)件，并主要驗算其抗彎承載力。對其跨度范圍內(nèi)施加假想均布荷載后，得到結(jié)構(gòu)位移結(jié)果如圖12a 所示；對該位移結(jié)果中與豎向荷載作用下變形趨勢一致的區(qū)域施加活荷載，得到錯層結(jié)構(gòu)房屋算例的不利荷載布置如圖12b 所示。

圖12 錯層結(jié)構(gòu)屋面梁不利彎矩工況分析與荷載布置圖

（2）選取頂層錯層短柱作為驗算控制構(gòu)件并主要驗算其抗彎承載力。對其施加假想彎矩后，得到結(jié)構(gòu)位移結(jié)果如圖13a 所示；對該位移結(jié)果中與豎向荷載作用下變形趨勢一致的區(qū)域施加活荷載，得到錯層結(jié)構(gòu)房屋算例的不利荷載布置如圖13b 所示。

圖13 錯層結(jié)構(gòu)屋面柱不利彎矩工況分析與荷載布置圖

4.3 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的不利荷載分布

大跨轉(zhuǎn)換梁的承載力是轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)房屋的關(guān)鍵核心構(gòu)件，故對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)房屋算例選取大跨轉(zhuǎn)換梁作為驗算控制構(gòu)件，并主要驗算其抗彎和抗剪承載力。對其跨中施加假想集中力后，得到結(jié)構(gòu)位移結(jié)果如圖14a 所示；對該位移結(jié)果中與豎向荷載作用下變形趨勢一致的區(qū)域施加活荷載，得到轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)房屋算例的不利荷載布置如圖14b 所示。

圖14 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁不利彎矩工況分析荷載分布圖

5 算例關(guān)鍵構(gòu)件計算結(jié)果分析

5.1 不同方案計算結(jié)果對比

結(jié)合上述不利荷載分布分析結(jié)果，采用國內(nèi)較普及的工程軟件對各算例分別按以下方案建模：①方案1模型活荷載滿布后，按程序自動不利荷載布置處理；②方案2 模型活荷載根據(jù)本文第4 節(jié)中的房屋活荷載分布輸入，且程序不考慮活荷載不利布置。

（1）對懸掛結(jié)構(gòu)房屋算例兩種方案的底層單肢剪力墻結(jié)果進行對比（表1）。結(jié)果顯示，兩者最大軸力較接近，僅相差5%；但方案1 中程序自動計算的不利活荷載分布明顯偏?。ㄝ^方案2 相差60%），從而導(dǎo)致了構(gòu)件計算配筋的較大差異。

表1 懸掛結(jié)構(gòu)房屋底層單肢剪力墻結(jié)果對比

（2）對錯層結(jié)構(gòu)房屋算例兩種方案的頂層關(guān)鍵構(gòu)件進行對比（表2）。結(jié)果顯示：兩個方案中，梁的最大彎矩相差較?。▋烧邇H相差5%）；但方案1 中，支承短柱在程序自動計算的不利活荷載分布作用下彎矩偏小（與方案2 相差15%），從而導(dǎo)致了構(gòu)件計算配筋的較大差異。

表2 錯層結(jié)構(gòu)房屋頂層關(guān)鍵型鋼構(gòu)件結(jié)果對比

（3）對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)房屋算例兩種方案的轉(zhuǎn)換梁進行對比（表3）。結(jié)果顯示：方案1 中，程序自動計算的不利活荷載分布作用下內(nèi)力偏小，其中，最大彎矩較方案2 小16%，最大剪力較方案2 小29%。

表3 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)房屋轉(zhuǎn)換梁結(jié)果對比

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，各復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋算例的荷載不利分布驗算普遍存在常規(guī)工程軟件計算結(jié)果偏小的情況。其中，豎向結(jié)構(gòu)最大計算偏差約60%，水平結(jié)構(gòu)最大計算偏差約30%，上述情況均無法滿足工程鑒定（設(shè)計）精度的要求。

5.2 原因分析

經(jīng)分析，出現(xiàn)上述計算偏差的原因主要有以下兩點。

（1）程序自動布置的最不利荷載對于梁柱等連接節(jié)點處最不利不平衡彎矩等考慮不夠充分，導(dǎo)致豎向構(gòu)件內(nèi)力響應(yīng)偏小。這種情況對于大跨結(jié)構(gòu)及樓面活荷載較大的房屋結(jié)構(gòu)等尤為不利。

（2）程序自動布置的最不利荷載未考慮跨樓層活荷載因?qū)娱g豎向構(gòu)件內(nèi)力傳遞帶來的不利響應(yīng)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力構(gòu)件（包括框架梁）內(nèi)力響應(yīng)偏小。這種情況對于超高層結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)、吊柱及轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等尤為不利。

因此，在進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋安全性檢測時，絕不能忽略上述不利情況對鑒定計算造成的影響。

6 結(jié)語

伴隨著城市既有建筑更新范圍的不斷擴大，需要安全性檢測的房屋結(jié)構(gòu)形式愈發(fā)復(fù)雜。此時，房屋的活荷載不利布置往往也較復(fù)雜，對于大跨、超高層、錯層及轉(zhuǎn)換等結(jié)構(gòu)有時甚至?xí)霈F(xiàn)常規(guī)工程軟件計算功能無法滿足鑒定（或設(shè)計）需求精度的情況。因此，面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)安全性檢測，尤其是房屋存在明顯結(jié)構(gòu)不規(guī)則時，房屋檢測鑒定人員除采用常規(guī)工程軟件建模驗算外，還應(yīng)對房屋整樓荷載不利分布進行專項分析校核，必要時，可適當(dāng)對相關(guān)結(jié)構(gòu)的鑒定（或設(shè)計）留有一定的冗余度。