结构专业常见的结构计算问题

对结构专业常见结构计算问题的分析及改正建议一、关于荷载输入的问题（1）遗漏梁、柱、墙上荷载：在电算过程中进行荷载输入时，有时会出现荷载遗漏的情况，比如墙体、雨蓬、水箱、外天沟积水、建筑装饰线条高层有消防剪力梯之间的隔墙等作用在梁上的线荷载，屋面轻钢装饰构架作用在框架柱、梁上及电梯机房屋面吊钩作用在梁上的集中荷载、砼墙上开结构洞时的封洞荷载等。

出现漏荷载的原因除了专业配合问题外，也有设计人员疏忽的原因，在节点较密，梁段较短时更容易发生。

（2）楼梯间活荷载取值偏小：高层建筑中消防疏散用的楼梯，按照《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）（以下简称《荷载规范》）第4.1.1条的规定，不应小于3.5kN／m2。

一般来说，高层建筑的楼梯（除了楼中楼的室内楼梯及上电梯机房用的小楼梯外）都是消防楼梯，其活荷载标准值都不应小于规范规定的数值，有的设计人员仍按一般住宅或办公楼，取用2.0kN／m2是不正确的。

（3）卫生间荷载取值不足：卫生间的荷载输入值需要根据实际情况分别对待，一般住宅、宿舍、宾馆等的套内卫生间面积较小，有明确的板下沉及填料要求，这部分的恒、活荷载较容易控制，一般不会出错。

可是，对教学楼、医院等面积较大的、隔墙局部布置较密的公共厕所，荷载取值就容易出现问题。

按照《全国民用建筑工程设计技术措施——结构》以下简称为《技术措施》中的有关规定，有分隔的蹲厕公共卫生间，也可将活荷载取为8.0kN／m2，这个值已经考虑了填料、隔墙等的重量。

对于住宅中有带浴缸的卫生间时也应按《技术措施》将卫生间活荷载取为4.0kN／m2。

（4）遗漏电梯运行荷载：电梯机房的楼面活荷载标准值应不小于7.0 kN／m2，这是《荷载规范》的规定，设计人员一般都能注意到并正确输入。

但是，对于电梯运行时通过电梯机房的钢梁及侧壁导轨传到电梯井壁上的荷载却常常会遗漏。

如果电梯井壁是钢筋混凝土墙，一般将荷载补充完整后重算的计算结果变化不会很大。

但如果是框架结构，由框架梁支承就很容易出现承载力明显不足的情况。

虽然在很多的设计过程中，甲方都没有确定电梯型号，所以这个荷载的确切值尚不能确定，但设计人员应该清楚地知道有这部分荷载的存在，并可以参考建筑专业提供的电梯资料先输入相应的荷载，待甲方确定电梯后再复核，这样就不会出现承载力明显不足的情况。

还有，电梯安装吊钩的荷载有时也会被遗漏。

电梯安装吊钩在机房顶面，只用于电梯安装和检修，平时电梯运行是不用的，它承受的集中荷载值一般为20～30kN或按电梯样本。

有的设计人员将电梯轿厢重和核定载重量相加，然后作为恒荷载输入到吊钩所在的梁上，这是完全错误的。

（5）少算二次装修荷载。

现在的房地产项目，除楼、电梯间等公共部分外，绝大部分的住宅均为初装修，结构设计人员在荷载取值时，应留有业主进行二次装修的荷载（包括楼面，后做的轻质隔墙），并在设计文件中明确其限值，以保证结构安全。

就楼面荷载取值而言，在房屋交给业主的时候，钢筋混凝土楼板面上一般应该有20～30mm的水泥砂浆层，楼板下应有20mm左右的顶棚抹灰层，在此基础上，再加上二次装修的面荷载，这才是最后应输入的恒荷载值。

如果直接取（钢筋混凝土楼板自重＋顶棚抹灰＋板面水泥砂浆）这个值输入，那么就漏掉至少0.7 kN／m2（按一般的瓷砖地面计算）的荷载，这对结构是不安全的，所以在计算时应先明确是否需进行二次装修，是否有后做的轻质隔墙等，若有，则将荷载算准后输入。

再进行板、梁、柱至墙体、基础等各个构件的设计。

二、关于计算模型及参数取值的问题（1）设“缝”结构的计算模型选择不正确。

由于现在建筑体形越来越大、越来越复杂，需要设“缝”的结构也越来越多了。

仅就上部结构而言，“缝”将结构划分为几个较为规则的抗侧力结构单元，各单元之间完全分开。

所以，各单元结构有独立的变形，若忽略基础变形的影响，各单元之间的受力状况是相互独立的。

这一点与多塔结构不同，多塔楼结构的各塔是通过底盘相互发生影响的。

对于设缝结构，通常采用的计算模型有两个，一种是将各结构单元离散开，分别计算，我们称之为“离散模型”；别一种是把各结构单元综合在一起，作为一个结构整体参加计算，我们称之为“整体模型”。

对于这两种计算模型的选择设计人员应特别慎重。

仅就上部结构而言，任何设缝的结构都可以采以离散模型对每个结构单元逐一进行设计计算。

这时，需要注意的是在计算风荷载作用时，应将设缝的一面进行遮挡面的定义（在多塔结构补充定义中可指定遮挡面），使之与工程实际相符。

因为采用离散模型有一些不便之处，比如在绘制平面施工图时，不便于整个楼层绘制，只能手工拼图；在绘制梁柱施工图时，无法自动完成整层或全楼归并；在传递基础设计荷载时，不能同时传递整个上部结构荷载。

而与离散模型相反，采用整体模型时，在绘制平面施工图、梁柱施工图，以及传递基础设计荷载时都比较方便。

在目前的程序版本下，在按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2002）（以下简称《高规》）第4.3.5条的规定验算“周期比”、“刚度比”时，是一定要采用离散模型的计算结果的，而采用整体模型计算的“周期比”是不正确的。

在采用整体模型时，先要把每个结构单元定义为多塔楼，并将缝两侧定义为遮挡面，程序采用多塔楼结构计算模型进行设计计算。

这时，还要注意两点：一是计算振型数要取得足够多，使整个结构系统的有效质量系数在90％以上；二是在确定内力配筋时，应与离散模型进行比较。

（2）结构周期没有按规范要求进行折减。

框架结构及框架－抗震墙等结构，由于填充墙的存在，使结构的实际刚度大于计算刚度，计算周期大于实际周期，因此，算出的地震剪力偏小，使结构偏于不安全，因而对结构的计算周期进行折减是必要的。

《高规》第3.3.16条就以强制性条文的形式对此做出了规定，而第3.3.17条就给出了折减系数的取值范围。

周期折减前后，抗侧力构件的内力变化相当大，应该引起设计人员重视。

虽然只有《高规》中才有对周期折减的条文规定，但我们认为对多层结构也可适当进行折减。

对框架结构的计算周期不折减或折减系数取得过大都是不妥当的。

对框架结构，采用砌体填充墙时，周期折减系数可取0.6～0.7；砌体填充墙较少或采用轻质砌块时，可取0.7～0.8；完全采用轻质墙体板材时，可取0.9。

只有无墙的纯框架，计算周期才可以不折减。

（3）地下室层数的输入有误。

高层建筑一般都设置有地下室，多层框架结构房屋有的也设置有地下室。

在电算时，应将地下室和上部结构一起输入，并在总信息中按实际的地下室层数填写。

这样，计算地基和基础底板的竖向荷载可以一次形成，并且在抗震计算时，程序会自动对框架底层柱底截面的弯矩设计值乘以增大系数。

同时通过对层侧移刚度比的分析比较，还可以正确判断和调整房屋的嵌固位置，并采取相应的抗震构造措施，保证楼板有必要的厚度和最小配筋率等等；当地下室不能作为上部结构的嵌固端时，更应正确输入地下室层数，以使计算机可以考虑基础和上部的共同作用。

一些设计人员在进行框架结构设计时，因为需要用基础梁承担底层墙体荷载，所以将基础梁层作为一个标准层参加整体建模计算，但又没有在结构总体信息中将地下室层数填为“1”，这样弯矩设计值增大系数将会乘错位置，从而在发生地震时，会使极易发生震害的底层柱底部位因抗震能力降低而破坏。

如果在结构整体计算时，总信息中填写的地下室层数少于实际的层数，也会出现这样的情况，需要特别注意。

（4）计算刚度的选择有误。

结构薄弱层的判断和控制，在结构设计中是非常重要的。

结构侧向刚度不规划类型的薄弱层判断、地下室顶板是否能作为嵌固端以及转换层上、下结构刚度比是否满足要求等，都以层刚度作为依据。

针对不同用途的刚度，《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）（以下简称《抗震规范》）和《高规》建议有三种方法：《高规》附录E.0.1建议的方法－剪切刚度、《高规》附录E.0.2建议的方法－剪弯刚度和《抗震规范》第3.4.2和第3.4.3条文说明及《高规》建议的方法－地震层间剪力与地震层间位移的比。

SATWE软件实现了以上三种层刚度的计算。

但因为三种方法计算出来的刚度差别较大，若不能正确选用，将会导致错误的结果。

PKPM建议，对于大多数一般的结构应选用第三种层刚度算法，也就是地震层间剪力与地震层间位移的比的算法，这时候一般要采用“刚性楼板假设”的条件，对于有弹性板或板厚为零或有楼板开洞的工程，应计算两次：在刚性楼板假设条件下计算层刚度比、位移比、周期等参数，并找出薄弱层，再在真实条件下计算，并且检查原找出的薄弱层是否得到确认，然后完成其他计算。

对于多层结构可以选择剪切刚度算法，对于有斜撑的钢结构可以选择剪弯刚度算法；因为第三种方法几乎适用于所有结构类型的计算刚度比及薄弱层，而且比其他二种方法更容易通过刚度比验算，所以有的设计人员在任何情况下都选第三种刚度，这是不对的。

我们曾经比较了几栋框支剪力墙结构的高层住宅楼，转换层在2层。

在进行初算时，若选用了第三种刚度计算方法，所有的结构都能一次通过层刚度比的计算。

经改用“剪切刚度”计算，很多层刚度比出现超限，需要调整上下剪力墙的数量及布置，反复几次才得以满足规范要求。

因此，在选择计算刚度时需要注意：第一，在判定地下室顶板是否可以作为嵌固端时，一定要用剪切刚度或选用第三种刚度并且把“回填土对地下室的约束相对刚度比”填为0。

第二，带转换层的复杂高层结构，当转换层位于1层时应采用“剪切刚度”方法计算层刚度，当转换层位置大于1层时应采用“剪弯刚度”方法计算刚度，来求得转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比和判断是否符合高规的要求。

若采用“地震剪力与地震层间位移的比”方法计算层刚度，求得的转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比结果明显偏小，是偏于不安全的。

当转换层设置在3层及3层以上时，还要采用“地震剪力与地震层间位移的比”方法再计算一次刚度，从而进行转换层本层侧向刚度不应小于相邻上一层楼层侧向刚度的60％的下限控制。

因为目前程序未输出超下限的警告提示，所以设计是应该特别注意。

三、关于计算内容及结果控制的问题（1）有效质量系数小于90％。

有效质量系数也就是《高规》中所讲的振型参与质量系数，其计算结果在SATWE的WDISP.OUT文件中给出。

因为这是规范中比旧规范多加的内容，在该规范施行初期因为设计人员重视不足，经常被审图公司发现。

与有效质量相关的是地震力的振型组合数。

《抗震规范》指出，合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90％所需的振型数。

有效质量系数超过90％意味着计算振型数够了，否则计算振型数不够。

如果不够，说明后续振型产生的地震作用效应不能忽略。

如果不能保证这点，将导致地震作用偏小，按此地震作用设计的结构将存在不安全性，所以应该增加振型数进行重算。