混凝土結(jié)構(gòu)分析的基本方法及其應(yīng)用

1、混凝土結(jié)構(gòu)分析的基本方法及其應(yīng)用摘要：砼結(jié)構(gòu)分析在砼結(jié)構(gòu)設(shè)計中是僅次于結(jié)構(gòu)方案的第二安全層次?；炷?結(jié)構(gòu)分析應(yīng)滿足的三個基本條件，混凝土結(jié)構(gòu)分析的基本方法及不同的使用條件， 多高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的計算分析及其應(yīng)用。結(jié)構(gòu)分析是保證結(jié)構(gòu)安全的前 提，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)采用科學(xué)、合理的分析手段，不斷提高結(jié)構(gòu)分析水平。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)分析；分析方法；應(yīng)用許多結(jié)構(gòu)事故或災(zāi)害調(diào)查都表明，結(jié)構(gòu)分析中基本假定和計算簡圖的失誤可 能造成很大的偏差，甚至?xí)茐男螒B(tài)的根本性變化。長期以來，我國規(guī)范設(shè)計和 設(shè)計人員比較重視構(gòu)件的配筋計算而往往忽視結(jié)構(gòu)分析，斤斤計較于截面、配筋、 強(qiáng)度，而作為對配筋設(shè)計依據(jù)的內(nèi)力來源，卻

2、不甚了解。因此，應(yīng)盡快改變這種 本末倒置的現(xiàn)象，建立起清晰的力學(xué)概念，并具有必要的結(jié)構(gòu)常識，盡量采用比 較科學(xué)，合理的分析手段，以提高結(jié)構(gòu)分析的水平。一、砼結(jié)構(gòu)分析應(yīng)滿足的基本條件砼結(jié)構(gòu)是由鋼筋和砼組成的，鋼筋是比較 理想的彈塑性材料，屈服以前為理想彈性，屈服以后則認(rèn)為是塑性的，而砼材料 則要復(fù)雜的多，其抗壓強(qiáng)度高而抗拉強(qiáng)度較低，相差一個數(shù)量級，變形也是非線 性的，開裂以后則變成各向異性體，垂直裂縫方向已不可能傳遞拉力，從而呈現(xiàn) 出復(fù)雜的彈塑性性質(zhì)，而由這二種性質(zhì)完全不同的材料構(gòu)成的砼結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能 則更為復(fù)雜，承載受力以后構(gòu)件可能經(jīng)歷線性、非線性、開裂、屈服、壓潰等過 程，而作為結(jié)構(gòu)分析重要

3、參數(shù)的剛度”，也是處在持續(xù)變化之中，盡管砼結(jié)構(gòu)分 析比較復(fù)雜和困難，但與其它所有的力學(xué)問題一樣，結(jié)構(gòu)分析應(yīng)滿足下列三個基 本條件：1、平衡條件。無論是整個結(jié)構(gòu)體系，各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還是其中的局部， 甚至是計算單元，力學(xué)的平衡條件是必須滿足的，這是結(jié)構(gòu)分析的基本保證。2、變形協(xié)調(diào)。作用（荷載）必然引起結(jié)構(gòu)的變形，而變形以后結(jié)構(gòu)體系仍應(yīng)保 持完整，即在各個構(gòu)件連接處仍然連續(xù)，在所有的計算單元邊界上也應(yīng)保持協(xié)調(diào) 變形。3、本構(gòu)關(guān)系。在遭受荷載作用后，結(jié)構(gòu)材料（鋼筋，砼）或計算單元都會 發(fā)生變形，而其受力-變形的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)基本符合實際情況。在上述三個基本條件中，平衡條件必須滿足，變形協(xié)調(diào)根據(jù)需要在不同程

4、度 上滿足，而本構(gòu)關(guān)系則是合理選擇的問題，它們在不同程度上都影響了結(jié)構(gòu)分析 的準(zhǔn)確程度。二、混凝土結(jié)構(gòu)分析的基本方法：砼結(jié)構(gòu)分析的基本方法，主要有：彈性分 析法、塑性內(nèi)力重分布法、彈塑性分析法、塑性極限分析法、試驗分析法，結(jié)構(gòu) 分析時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，材料性能和受力特點(diǎn)等，選擇合理的結(jié)構(gòu)分析方法。1、彈性分析法。彈性分析法是結(jié)構(gòu)分析中最簡單，最基本的方法，其用定 值彈性模量的線形本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析，因此十分簡單。砼材料可視為勻質(zhì)體，不 考慮鋼筋及預(yù)應(yīng)力留孔洞的影響，并由此計算截面慣性矩。分析可以采用結(jié)構(gòu)力 學(xué)、彈性力學(xué)的方法，也可以采用有限元分析或其他方法，體型規(guī)則的結(jié)構(gòu)，還 可以根據(jù)作用的種類

5、及性質(zhì)，采用適當(dāng)?shù)暮喕治龇椒?。結(jié)構(gòu)彈性分析方法可用于正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)作用效應(yīng)的 分析，由于彈性分析方法較簡單，對一般結(jié)構(gòu)計算所得的效應(yīng)（內(nèi)力）誤差并不 太大，因此至今仍被大量使用。但應(yīng)該注意的問題是：構(gòu)件受力變形后，由于在 邊界連接處的變形協(xié)調(diào)可能會對構(gòu)件本身以及鄰近構(gòu)件的內(nèi)力造成影響，例如支 撐在梁上的板，當(dāng)承載變形較大時，支承梁的豎向不均勻變形（沉降）以及轉(zhuǎn)動（約束扭轉(zhuǎn)），都可能會反過來影響板的內(nèi)力分布。2、塑性內(nèi)力重分布分析法。重力荷載作用下的框架、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的 現(xiàn)澆梁以及雙向板等，經(jīng)彈性分析求得內(nèi)力后，可對支座或節(jié)點(diǎn)彎矩進(jìn)行適當(dāng)調(diào) 幅，并確定相應(yīng)的調(diào)幅幅度。

6、采用塑性內(nèi)力重分布分析方法設(shè)計結(jié)構(gòu)和構(gòu)件時， 選用的鋼筋應(yīng)符合混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范的規(guī)定，并應(yīng)滿足正常使用極限狀態(tài)要求且采 取有效的構(gòu)造措施。需要注意的是，對于直接承受動力荷載的構(gòu)件，以及要求不出現(xiàn)裂縫或處于 3a、3b類環(huán)境情況下的結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用考慮塑性內(nèi)力重分布的分析方法?？紤]采用塑性內(nèi)力重分布時，鋼筋砼梁、板、支座或節(jié)點(diǎn)邊緣截面的負(fù)彎矩 調(diào)幅幅度應(yīng)符合混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范的規(guī)定，并且考慮內(nèi)力重分布后的支承梁，應(yīng)按 彎剪扭構(gòu)件進(jìn)行承載力計算。3、彈塑性分析法。工程中受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或重要的結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)一步采用彈 塑性分析方法。彈塑性分析法的特點(diǎn)是：應(yīng)預(yù)先設(shè)定結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、邊界條 件、材料性能和配筋條件

7、等，再對結(jié)構(gòu)整體或局部進(jìn)行驗算，驗算的規(guī)則如下：（1）采用彈塑性分析法確定作用效應(yīng)時，材料的性能指標(biāo)及本構(gòu)關(guān)系（應(yīng)力-應(yīng) 變關(guān)系）應(yīng)取平均值，根據(jù)具體情況采用不同離散尺度的計算單元及本構(gòu)關(guān)系， 并應(yīng)符合實際受力情況。（2）結(jié)構(gòu)分析的基本構(gòu)件計算模型：對梁、柱等桿系構(gòu)件可簡化為一維單 元，采用纖維束模型或塑性鉸模型；墻、板等構(gòu)件可簡化為二維單元，采用膜單 元、板單元或殼單元；復(fù)雜砼結(jié)構(gòu)、大體積結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)或局部區(qū)域需作精 細(xì)分析時，宜采用三維塊單元。（3）根據(jù)實際情況采用靜力或動力分析方法計算，并宜考慮結(jié)構(gòu)幾何非線 性的不利影響。構(gòu)件、截面或各種計算單元的受力-變形本構(gòu)關(guān)系應(yīng)符合實際受 力情

8、況，某些變形較大的構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部精細(xì)分析時，應(yīng)考慮鋼筋與混凝土 之間的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系。4、塑性極限分析法。對于不承受多次重復(fù)荷載作用的混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)有足 夠的塑性變形能力時，可采用塑性極限理論的分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的承載力計算， 同時應(yīng)滿足正常使用的要求，整體結(jié)構(gòu)的塑性極限分析計算應(yīng)符合以下規(guī)定：（1）對可預(yù)測結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的情況，結(jié)構(gòu)的極限承載力可根據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)塑性 屈服機(jī)制，采用塑性極限理論進(jìn)行分析。（2）對難于預(yù)測結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的情況，結(jié)構(gòu)的極限承載力可采用靜力或動 力塑性分析方法確定。（3）對直接承受偶然作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)建或部位，應(yīng)根據(jù)偶然作用的動力特征 考慮其動力效應(yīng)的影響。承受均布荷載

9、的周邊支承的雙向矩形板，可采用塑性鉸線法或條帶法等塑性 極限分析方法進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的分析與設(shè)計。5、試驗分析法。就是通過試驗的方法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，適用于結(jié)構(gòu)或受 力復(fù)雜，邊界條件難以確定，采用上述的分析方法難以保證結(jié)果的正確性和適用 性，或分析結(jié)果誤差較大時的情況。三、多高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的計算分析多高層建筑結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的三維空 間受力體系，計算分析時應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)實際情況，選取能較準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件 的實際受力狀況的力學(xué)模型。1、多高層建筑的樓屋面絕大多數(shù)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板和有現(xiàn)澆面層的預(yù) 制裝配式樓板，進(jìn)行高層建筑內(nèi)力與位移計算時，可視其為水平放置的深梁，具 有很大的面內(nèi)剛度，可

10、近似認(rèn)為樓板在其平面內(nèi)為無限剛性。采用這一假設(shè)后結(jié) 構(gòu)分析的自由度數(shù)目大大減少，可能減小由于龐大自由度系統(tǒng)而帶來的計算誤差， 使計算過程和計算結(jié)果分析大為簡化。計算分析和工程實踐證明，剛性樓板假定 對絕大多數(shù)高層建筑的分析具有足夠的工程精度。采用剛性樓板假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)計 算時，設(shè)計上應(yīng)采取必要措施保證樓面的整體剛度。2、多高層建筑按空間整體工作計算時，不同計算模型的梁、柱自由度是相 同的，梁的彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)變形、當(dāng)考慮樓板面內(nèi)變形時還有軸向變形，柱的 彎曲、剪切、軸向、扭轉(zhuǎn)變形。高層建筑層數(shù)多、重量大，墻、柱的軸向變形影 響顯著，計算時應(yīng)予考慮；構(gòu)件內(nèi)力與位移向量是相對應(yīng)的，與截面設(shè)計對應(yīng)的

11、分別為彎矩、剪力、軸力、扭矩等。3、高層建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)多，每層的房間也很多，活荷載在各層間的分布情況 極其繁多，難以一一計算。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。除進(jìn)行活載不利分布的詳細(xì)計算分析外，也可將未考慮 活荷載不利分布計算的框架梁彎矩乘以放大系數(shù)予以近似考慮，該放大系數(shù)通常 可取為1.11.3，活載大時可選用較大數(shù)值，且梁正、負(fù)彎矩應(yīng)同時予以放大。4、對于層數(shù)較多的高層建筑，其重力荷載作用效應(yīng)分析時，柱、墻軸向變 形宜考慮施工過程的影響，施工過程的模擬可根據(jù)需要采用適當(dāng)?shù)姆椒紤]，如 結(jié)構(gòu)豎向剛度和豎向荷載逐層形成、逐層計算的方法。5、多高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行

12、水平荷載作用效應(yīng)分析時，除對稱結(jié)構(gòu)外，結(jié)構(gòu)構(gòu) 件在正反二個方向的風(fēng)荷載作用下效應(yīng)一般是不相同的，按兩個方向風(fēng)效應(yīng)的較 大值采用，這是為了保證安全的前提下的簡化計算；體型復(fù)雜的高層建筑，應(yīng)考 慮多方向風(fēng)荷載作用，進(jìn)行風(fēng)效應(yīng)對比分析，增加結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全性。6、結(jié)構(gòu)計算整體分析中，型鋼混凝土和鋼管混凝土構(gòu)件宜按實際情況直接 參與計算，隨著結(jié)構(gòu)分析軟件技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)可以較容易地實現(xiàn)在整體模型中 直接考慮型鋼混凝土和鋼管混凝土構(gòu)件。7、多塔樓結(jié)構(gòu)振動形態(tài)復(fù)雜，整體模型計算時有時不容易判斷結(jié)果的合理 性，應(yīng)輔以分塔樓模型計算分析，取二者的不利結(jié)果進(jìn)行設(shè)計較為妥當(dāng)。8、對受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如豎向布置復(fù)雜的剪力墻、加強(qiáng)層構(gòu)件、轉(zhuǎn)換 層構(gòu)件、錯層構(gòu)件、連接體及其相關(guān)構(gòu)件等，除進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析外，尚應(yīng)按有 限元等方法進(jìn)行更加仔細(xì)的局部應(yīng)力分析，并可根據(jù)需要，按應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行 截面配筋設(shè)計校核。9、帶加強(qiáng)層、轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)、連體和立面開洞結(jié)構(gòu)、 多塔樓結(jié)構(gòu)、立面較大收進(jìn)結(jié)構(gòu)等，屬于體系復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)，其豎向剛度 和承載力變化大，受力復(fù)雜，易形成薄弱部位；混合結(jié)構(gòu)以及B級高度的高層建 筑結(jié)構(gòu)的房屋高度大、工程經(jīng)驗不多，因此整體計算分析時應(yīng)從嚴(yán)要求?？傊?，結(jié)構(gòu)分析是正確結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必不可少的一部