■ 陳佶豪 CHEN Jihao

0 引言

社會(huì)技術(shù)手段的進(jìn)步，尤其是電子計(jì)算機(jī)及工程計(jì)算軟件的應(yīng)用與普及，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測(cè)鑒定等相關(guān)技術(shù)，其趨于建筑個(gè)性化的同時(shí)，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(jìn)行安全性及抗震性檢測(cè)。

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

1 國(guó)內(nèi)外復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋典型范例

隨著人類(lèi)科技進(jìn)步及審美的多元化需求，人們對(duì)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(guó)倫敦的水晶宮（圖1），1889 年建于法國(guó)巴黎的機(jī)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(jì)六七十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)房屋也隨著建筑格局的個(gè)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(guó)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(yán)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(cuò)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(tái)總部大樓（圖4）的大跨連體結(jié)構(gòu)、上海T20大廈的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)（圖5）、貴陽(yáng)會(huì)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(tái)總部大樓（大跨連體結(jié)構(gòu)）

圖5 上海T20 大廈（錯(cuò)層結(jié)構(gòu)）

圖6 貴陽(yáng)會(huì)展201 大廈（超高懸掛結(jié)構(gòu)）

2 房屋結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)需要在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)整棟樓進(jìn)行全面的荷載調(diào)查；并在后期檢測(cè)鑒定過(guò)程中，根據(jù)調(diào)查結(jié)果對(duì)房屋各區(qū)域的荷載進(jìn)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(cè)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(huì)印發(fā)了《上海市建筑裝飾裝修工程管理實(shí)施辦法》（滬住建規(guī)范〔2020〕3 號(hào)）[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(guò)設(shè)計(jì)荷載值5%的、涉及2000年之前建造且低于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》(DGJ 08-9—1992)(1996 年局部修訂增補(bǔ))標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等情形的，建設(shè)單位在申請(qǐng)辦理施工許可證時(shí)，應(yīng)提供第三方機(jī)構(gòu)出具的房屋安全檢測(cè)報(bào)告(抗震鑒定報(bào)告)。當(dāng)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性檢時(shí)，其荷載分布往往也較復(fù)雜：現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需對(duì)全樓荷載進(jìn)行全面調(diào)調(diào)；后期鑒定也應(yīng)根據(jù)調(diào)查結(jié)果對(duì)房屋各部位的荷載進(jìn)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(jì)算中，當(dāng)樓面活荷載大于4 kN/m2時(shí)，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(jì)算中未考慮樓面活荷載不利布置時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大樓面梁的計(jì)算彎矩。同時(shí)，在相應(yīng)的條文說(shuō)明中補(bǔ)充：國(guó)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(duì)梁彎矩的影響會(huì)比較明顯，計(jì)算時(shí)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(jì)應(yīng)根據(jù)使用過(guò)程中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)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(jìn)行荷載組合，并應(yīng)取各自的最不利的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，在相應(yīng)的條文說(shuō)明中補(bǔ)充：對(duì)所考慮的極限狀態(tài)，在確定其荷載效應(yīng)時(shí)，應(yīng)對(duì)所有可能同時(shí)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(jì)依據(jù)。

2.2 荷載不利分布計(jì)算

目前，國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)算軟件的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)[4-5]可知，相關(guān)軟件考慮房屋活荷載不利布置的計(jì)算方法基本一致。軟件在考慮活荷載不利布置計(jì)算中，按房間樓板及梁上外加活荷載進(jìn)行加載計(jì)算，即：對(duì)每一個(gè)房間樓板加活荷載作用時(shí)，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(lái)的荷載，經(jīng)分析得出本層各梁內(nèi)力后，對(duì)每根梁的內(nèi)力進(jìn)行迭加計(jì)算，形成正負(fù)彎矩包絡(luò)。

為了提高計(jì)算效率，軟件計(jì)算模塊考慮活荷載不利布置主要對(duì)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(jì)算方法，在每次加載時(shí)，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(xiàn)而成。為了能同時(shí)考慮層間影響，軟件在活荷載滿(mǎn)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(fù)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(jì)算。

3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋算例建模

為便于驗(yàn)證對(duì)比，本文選取典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋的實(shí)際工程案例并作適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)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(shí)，采用國(guó)內(nèi)應(yīng)用較普及的工程軟件對(duì)典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行建模，并驗(yàn)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(jí)公寓住宅樓作為懸掛結(jié)構(gòu)算例。其標(biāo)準(zhǔn)層層高4 m，平面雙向柱距均為10 m，核心筒長(zhǎng)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(mǎn)足建筑景觀大平層、外立面通透視野的要求，房屋通過(guò)屋頂伸臂桁架層將外圍細(xì)長(zhǎng)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(xiàn)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(cuò)層結(jié)構(gòu)

本文選取的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)算例房屋為某3 層大跨交通樞紐建筑（簡(jiǎn)化建模選取房屋典型區(qū)域結(jié)構(gòu)）,標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)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(mǎn)足交通樞紐建筑立體行車(chē)及坡道貫通等需求，房屋在框架柱間設(shè)置不同標(biāo)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(cuò)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(diǎn)荷載考慮，樓面恒荷載按環(huán)氧樹(shù)脂地面并綜合考慮吊頂管線(xiàn)取2.5 kN/m2，樓面活荷載按45 座電動(dòng)大客車(chē)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(cuò)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(chǎng)建筑（簡(jiǎn)化建模選取房屋中庭一側(cè)的典型區(qū)域結(jié)構(gòu)）,標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)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(mǎn)足建筑商業(yè)中庭大空間的要求，在首層通過(guò)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)達(dá)到中庭各側(cè)的結(jié)構(gòu)收進(jìn)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(xiàn)取2.0 kN/m2，樓面活荷載按商場(chǎng)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(shuō)明，因房屋活荷載相對(duì)恒荷載較小等原因，一般房屋在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中采用傳統(tǒng)計(jì)算軟件是可以滿(mǎn)足建筑結(jié)構(gòu)工程計(jì)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(diǎn)，為確保房屋安全性鑒定結(jié)果的可靠性，對(duì)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(xiàn)理論及虛功原理進(jìn)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(jì)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(duì)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(biāo)，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(yàn)算控制構(gòu)件，并主要驗(yàn)算其壓彎承載力。對(duì)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(duì)該位移結(jié)果中與豎向荷載作用下變形趨勢(shì)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(cuò)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(cuò)層結(jié)構(gòu)交通樞紐建筑的關(guān)鍵受力構(gòu)件，故對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)算例選取頂層大跨度框架的梁、柱分別進(jìn)行計(jì)算分析。

（1）選取頂層框架梁作為驗(yàn)算控制構(gòu)件，并主要驗(yàn)算其抗彎承載力。對(duì)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(duì)該位移結(jié)果中與豎向荷載作用下變形趨勢(shì)一致的區(qū)域施加活荷載，得到錯(cuò)層結(jié)構(gòu)房屋算例的不利荷載布置如圖12b 所示。

圖12 錯(cuò)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(cuò)層短柱作為驗(yàn)算控制構(gòu)件并主要驗(yàn)算其抗彎承載力。對(duì)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(duì)該位移結(jié)果中與豎向荷載作用下變形趨勢(shì)一致的區(qū)域施加活荷載，得到錯(cuò)層結(jié)構(gòu)房屋算例的不利荷載布置如圖13b 所示。

圖13 錯(cuò)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(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)房屋算例選取大跨轉(zhuǎn)換梁作為驗(yàn)算控制構(gòu)件，并主要驗(yàn)算其抗彎和抗剪承載力。對(duì)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(duì)該位移結(jié)果中與豎向荷載作用下變形趨勢(shì)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(jì)算結(jié)果分析

5.1 不同方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

結(jié)合上述不利荷載分布分析結(jié)果，采用國(guó)內(nèi)較普及的工程軟件對(duì)各算例分別按以下方案建模：①方案1模型活荷載滿(mǎn)布后，按程序自動(dòng)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(duì)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(jìn)行對(duì)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(dòng)計(jì)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(jì)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(duì)比

（2）對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)房屋算例兩種方案的頂層關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比（表2）。結(jié)果顯示：兩個(gè)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(dòng)計(jì)算的不利活荷載分布作用下彎矩偏?。ㄅc方案2 相差15%），從而導(dǎo)致了構(gòu)件計(jì)算配筋的較大差異。

表2 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)房屋頂層關(guān)鍵型鋼構(gòu)件結(jié)果對(duì)比

（3）對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)房屋算例兩種方案的轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行對(duì)比（表3）。結(jié)果顯示：方案1 中，程序自動(dòng)計(jì)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(duì)比

根據(jù)上述計(jì)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(yàn)算普遍存在常規(guī)工程軟件計(jì)算結(jié)果偏小的情況。其中，豎向結(jié)構(gòu)最大計(jì)算偏差約60%，水平結(jié)構(gòu)最大計(jì)算偏差約30%，上述情況均無(wú)法滿(mǎn)足工程鑒定（設(shè)計(jì)）精度的要求。

5.2 原因分析

經(jīng)分析，出現(xiàn)上述計(jì)算偏差的原因主要有以下兩點(diǎn)。

（1）程序自動(dòng)布置的最不利荷載對(duì)于梁柱等連接節(jié)點(diǎn)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(duì)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(dòng)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(lái)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(duì)于超高層結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、吊柱及轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等尤為不利。

因此，在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)房屋安全性檢測(cè)時(shí)，絕不能忽略上述不利情況對(duì)鑒定計(jì)算造成的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

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