復雜結構房屋安全性檢測與荷載不利布置初探

■ 陳佶豪 CHEN Jihao

0 引言

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

復雜結構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（設計）軟件的常用計算功能。本文就復雜結構房屋的荷載不利布置問題進行初步的對比分析與探討。

1 國內外復雜結構房屋典型范例

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的要求不斷提高。為了打破建筑傳統(tǒng)格局，復雜結構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，國內房屋也隨著建筑格局的個性化，結構愈發(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，房屋結構的不規(guī)則程度愈發(fā)嚴重。在構件方面，斜柱（墻）、拉桿或轉換結構等應用廣泛；在體系方面，連體結構、高位轉換結構、錯層結構及懸掛式結構等復雜結構房屋得到了快速發(fā)展，比較典型的有：北京中央電視臺總部大樓（圖4）的大跨連體結構、上海T20大廈的錯層結構（圖5）、貴陽會展201 大廈的超高懸掛結構（圖6）等。

圖4 北京中央電視臺總部大樓（大跨連體結構）

圖5 上海T20 大廈（錯層結構）

圖6 貴陽會展201 大廈（超高懸掛結構）

2 房屋結構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，復雜結構建筑逐漸出現(xiàn)了房屋安全性等檢測需求。這些復雜結構房屋的荷載分布往往較為復雜，其房屋結構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查；并在后期檢測鑒定過程中，根據(jù)調查結果對房屋各區(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果的可靠度。

2.1 房屋結構安全性檢測的相關政策規(guī)范

2020 年2 月14 日，上海市住房和城鄉(xiāng)建設管理委員會印發(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、增加荷載超過設計荷載值5%的、涉及2000年之前建造且低于《建筑抗震設計規(guī)程》(DGJ 08-9—1992)(1996 年局部修訂增補)標準設計等情形的，建設單位在申請辦理施工許可證時，應提供第三方機構出具的房屋安全檢測報告(抗震鑒定報告)。當對復雜結構房屋進行結構安全性檢時，其荷載分布往往也較復雜：現(xiàn)場檢測需對全樓荷載進行全面調調；后期鑒定也應根據(jù)調查結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果的可靠度。

《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ 3—2010）[2]第5.1.8 條明確規(guī)定：高層建筑結構內力計算中，當樓面活荷載大于4 kN/m2時，應考慮樓面活荷載不利布置引起的結構內力的增大；當整體計算中未考慮樓面活荷載不利布置時，應適當增大樓面梁的計算彎矩。同時，在相應的條文說明中補充：國內鋼筋混凝土結構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-剪力墻結構約12～14 kN/m2，剪力墻和筒體結構約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，計算時應予考慮。

《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[3]第3.2.1 條明確規(guī)定：建筑結構設計應根據(jù)使用過程中在結構上可能同時出現(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，并應取各自的最不利的組合進行設計。同時，在相應的條文說明中補充：對所考慮的極限狀態(tài)，在確定其荷載效應時，應對所有可能同時出現(xiàn)的諸荷載作用加以組合，求得組合后在結構中的總效應。考慮荷載出現(xiàn)的變化性質，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)的設計依據(jù)。

2.2 荷載不利分布計算

目前，國內建筑結構設計及既有房屋結構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品說明書[4-5]可知，相關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，經分析得出本層各梁內力后，對每根梁的內力進行迭加計算，形成正負彎矩包絡。

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。軟件借鑒結構力學中的“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 復雜結構房屋算例建模

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

3.1 懸掛結構

選取某15 層的高級公寓住宅樓作為懸掛結構算例。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-懸掛結構”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隔斷取3.0 kN/ m2。該房屋三維模型如圖8所示。

圖8 懸掛結構住宅樓三維模型示意圖

3.2 錯層結構

本文選取的錯層結構算例房屋為某3 層大跨交通樞紐建筑（簡化建模選取房屋典型區(qū)域結構）,標準層層高5 m，平面柱距為10 m×20 m。房屋豎向承重構件主要為型鋼混凝土柱(邊長500～650 mm),水平傳力構件主要為現(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，房屋在框架柱間設置不同標高的梁板結構，并在框架結構內加設型鋼以提高其承載力及延性，形成型鋼混凝土框架結構體系（部分采用錯層結構）。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 錯層結構房屋算例三維模型示意圖

3.3 轉換結構

本文選取的轉換結構算例為某3 層商場建筑（簡化建模選取房屋中庭一側的典型區(qū)域結構）,標準層層高4 m，平面柱距為9 m×12 m。房屋豎向承重構件主要為H 型鋼柱（邊長400 mm）,水平傳力構件主要為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，在首層通過轉換結構達到中庭各側的結構收進效果，形成鋼框架結構體系（部分采用轉換結構）。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 轉換結構房屋算例三維模型示意圖

4 算例關鍵構件的不利荷載分布

根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ 3—2010）相關條文說明，因房屋活荷載相對恒荷載較小等原因，一般房屋在結構驗算中采用傳統(tǒng)計算軟件是可以滿足建筑結構工程計算精度要求的。但考慮到復雜結構傳力路徑復雜、體系不規(guī)則的特點，為確保房屋安全性鑒定結果的可靠性，對本文復雜結構房屋算例中的關鍵結構構件參照結構力學的影響線理論及虛功原理進行分析：在相關關鍵構件上施加假想力，并與受分析構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果，對結構下?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 懸掛結構的不利荷載分布

底層核心筒的抗傾覆能力是懸掛結構房屋關鍵性能指標，故選取底層核心筒角部墻肢作為懸掛結構房屋算例的驗算控制構件，并主要驗算其壓彎承載力。對其施加假想彎矩后，得到結構位移結果如圖11a 所示；對該位移結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，得到懸掛結構房屋算例的不利荷載布置如圖11b 所示。

圖11 懸掛結構底層墻不利壓彎分析與荷載布置圖

4.2 錯層結構的不利荷載分布

大跨度框架梁及其支承短柱是錯層結構交通樞紐建筑的關鍵受力構件，故對錯層結構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件，并主要驗算其抗彎承載力。對其跨度范圍內施加假想均布荷載后，得到結構位移結果如圖12a 所示；對該位移結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，得到錯層結構房屋算例的不利荷載布置如圖12b 所示。

圖12 錯層結構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件并主要驗算其抗彎承載力。對其施加假想彎矩后，得到結構位移結果如圖13a 所示；對該位移結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，得到錯層結構房屋算例的不利荷載布置如圖13b 所示。

圖13 錯層結構屋面柱不利彎矩工況分析與荷載布置圖

4.3 轉換結構的不利荷載分布

大跨轉換梁的承載力是轉換結構房屋的關鍵核心構件，故對轉換結構房屋算例選取大跨轉換梁作為驗算控制構件，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，得到結構位移結果如圖14a 所示；對該位移結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，得到轉換結構房屋算例的不利荷載布置如圖14b 所示。

圖14 轉換結構轉換梁不利彎矩工況分析荷載分布圖

5 算例關鍵構件計算結果分析

5.1 不同方案計算結果對比

結合上述不利荷載分布分析結果，采用國內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）對懸掛結構房屋算例兩種方案的底層單肢剪力墻結果進行對比（表1）。結果顯示，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小（較方案2 相差60%），從而導致了構件計算配筋的較大差異。

表1 懸掛結構房屋底層單肢剪力墻結果對比

（2）對錯層結構房屋算例兩種方案的頂層關鍵構件進行對比（表2）。結果顯示：兩個方案中，梁的最大彎矩相差較小（兩者僅相差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%），從而導致了構件計算配筋的較大差異。

表2 錯層結構房屋頂層關鍵型鋼構件結果對比

（3）對轉換結構房屋算例兩種方案的轉換梁進行對比（表3）。結果顯示：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 轉換結構房屋轉換梁結果對比

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

5.2 原因分析

經分析，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，導致豎向構件內力響應偏小。這種情況對于大跨結構及樓面活荷載較大的房屋結構等尤為不利。

（2）程序自動布置的最不利荷載未考慮跨樓層活荷載因層間豎向構件內力傳遞帶來的不利響應，導致其結構整體抗側力構件（包括框架梁）內力響應偏小。這種情況對于超高層結構、錯層結構、吊柱及轉換結構等尤為不利。

因此，在進行復雜結構房屋安全性檢測時，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構形式愈發(fā)復雜。此時，房屋的活荷載不利布置往往也較復雜，對于大跨、超高層、錯層及轉換等結構有時甚至會出現(xiàn)常規(guī)工程軟件計算功能無法滿足鑒定（或設計）需求精度的情況。因此，面對復雜結構安全性檢測，尤其是房屋存在明顯結構不規(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，可適當對相關結構的鑒定（或設計）留有一定的冗余度。