【土木吧】如何从个别构件超筋看结构本质？

作者：刘孝国

北京构力科技有限公司授权发布

[摘要] 设计中对配筋过多的关注，同时不正确的设计思路导致设计师只关注局部而忽略整体，以及概念设计的缺失导致在局部构件配筋出现异常时设计师无法快速高效的发现问题。本文通过一个实际工程中某几根梁的配筋异常，逐步剖析结构深层次的问题，逐步引导设计师进行结构分析时对于软件计算结果正确的查看顺序，避免错误的查看顺序导致无法直接发现结构体系本身存在的局部振动、底部剪力过小、振型有效质量系数不足等问题，而引起过多关注构件配筋等局部问题。

0 前言

在结构设计中一般设计师在使用SATWE等结构设计软件计算完毕后直接查看配筋，并未先考察整体结构质量、周期、阵型有效质量系数及基底剪力等是否在合理范围内，导致在发现某些构件出现配筋异常情况时无从下手发现问题，同时由于缺乏足够的概念判断，对于异常地震内力更是从构件详细信息中判断不出来，造成设计困惑。不正确的设计思路导致设计师只关注局部而忽略结构整体性能，出现这类问题一般设计师无法直接快速的解决。一般设计中遇到的构件超筋问题，有可能与本身构件有关，而更重要的是可能与结构整体有很大关系，在设计中使用软件计算完毕之后应该按照正确的查看结果的顺序查看软件计算结果，然后对异常情况有的放矢，做到高效直接找到问题所在。

1 实际工程计算配筋异常情况

如图1这样一个工程，顶部有网架，但是设计师在模拟中是按照刚性杆模拟网架的刚度，这从结构计算的模型简化上未必合理（本文暂不讨论该问题）。

图1 结构三维模型图

计算完毕之后发现第三自然层某几根梁的配筋严重超限，其他部位的梁柱构件均没有超限信息。配筋结果严重超限的几根梁的位置如图2所示。

图2 第三自然层超筋位置的梁

这个结构中就这几根梁超筋，其他部位的梁柱构件均没有超筋，按照输入的截面判断上部荷载不大不应该出现这种情况。

2 对上述超筋问题初步分析

暂不管该方案合理与否，仅从构件配筋基本设计概念出发分析，超筋时应首先查看该构件内力是否正常，然后逐层找到造成异常的原因。选取其中一根梁，并查看其计算的各工况下的内力，如图3所示，该梁构件的配筋信息如图4所示。

图3选取查看的梁位置及内力输出结果

图4 该梁输出的详细的配筋信息结果

从该梁的计算结果中可以看出，该300*750的梁截面的内力，尤其是在地震作用下的内力非常大，进而导致组合内力较大，配筋超限。同时该梁中也没有较大的轴力，主要由弯矩主控。如果设计师有明确的结构设计概念，从该位置梁输出的地震作用下的内力就可以判断出地震作用计算的异常。因为地震作用下弯矩是恒荷载下弯矩几十倍（如：该梁I端，恒载弯矩44.88kN.m，X+5%偏心地震弯矩962.12kN.m，两者相差22倍），这基本是不太可能的，需进一步查询地震作用调整前后内力大小的变化。是否由于地震力的较大的调整造成了地震作用的异常或者是本身地震作用计算异常。

查看未调整前的该梁的地震作用内力，如图5所示，该梁在x+5%地震作用下的弯矩图如下，可以看到未调整前的地震弯矩为128.8kN.m，同时查看调整后的该梁的地震弯矩如图6所示，该梁在x+5%偏心地震作用下的i端弯矩为962.1kN.m。

图5 考察梁x+5%偏心地震下调整前的弯矩图

图6 考察梁x+5%偏心地震下调整后的弯矩图

从以上图5、图6可以看到，该梁调整后的地震弯矩变化很大，调整系数达到了962.1/128.8=7.47，调整系数过大，导致调整后的地震内力变大很多，进而导致梁配筋超限。

由于地震作用的调整涉及到剪重比调整、0.2V0调整、框支柱调整及薄弱层调整，该结构中的梁主要涉到的是剪重比调整。查看该结构计算输出的剪重比的调整系数如下图7所示。

图7 软件输出的结构剪重比及调整系数

从图7可以看到剪重比X方向的调整系数为7.47，Y向调整系数1.07。该调整系数与前面梁端地震作用弯矩调整前后计算的系数完全一致。

剪重比调整系数过大，说明结构刚度严重不足，或者结构计算时振型数不足，导致有效质量系数不足，地震力计算过小，进而调整系数过大，接着查看结构振型有效质量系数。SATWE软件中输出如图8所示的结构各地震方向参与振型的有效质量系数的结果。

图8 结构振型的有效质量系数输出结果

从图8可以看出该结构有效质量系数严重不足。要进行正确的内力计算与配筋分析，首先要保证结构的基底剪力计算足够，即计算的结构各振型的有效质量系数至少达到90%。

3 该问题初步处理对策

振型有效质量系数不足，造成地震剪力小，剪重比调整系数大，进而导致构件地震下内力突变，直接对策是加大振型数，或计算时按照如图9所示，让程序自动确定满足阵型有效质量系数90% 的阵型数。或者使用如图10所示的特征值分析方法——多重里兹向量法，使结构基底剪力计算足够。

图9 程序自动确定满足指定参与有效质量系数的振型数

图10 多重里兹向量法求解特征值

计算时取120个振型进行计算，计算完毕之后查看振型有效质量系数、结构基底剪力及剪重比调整系数等，如图11、12所示。

图11 取120个振型结构输出的有效质量系数

图12 取120个振型计算结果剪重比及调整

从上述图11及图12可以看到，取振型数120时，结构有效质量系数达到了至少90% 要求，计算的地震剪力首层X方向达到了2734.5kN，较之前振型不足时的首层剪力220.8kN，基底剪力有很大幅度上升，基地剪力足够也不需要进行剪重比调整。在满足有效质量系数的情况下再查看上述梁构件的详细的内力及配筋结果，如图13所示。

图13 有效质量系数足够时该考察梁的内力与配筋

从图13的计算结果来看，地震作用下的内力已经正常，配筋也正常。

4 该问题处理结论

该工程中，由于振型数过少（之前计算振型数取了6个），结构基底剪力很小，引起剪重比不够，进而出现了较大的剪重比调整系数，导致了构件地震作用下调整后的内力大幅上升，进而引起组合弯矩过大，构件配筋超限。一个构件配筋超限的表面现象却暴露出结构计算中的本质问题，整体结构剪重比不足的调整引起构件配筋异常。从计算角度这样处理看似满足了要求，构件也不超筋了，但是从工程角度出发这样处理行吗？针对该问题继续展开分析讨论。

5 对该问题的更深层次的剖析

结构设计中很多设计师建模计算完毕之后，会直接软件输出的构件配筋结果，一旦看到配筋结果有显红（配筋超限或指标超限），才会去查看结构的整体指标等方面。当然有时候显红设计师也会仅仅查看该构件，关注该该构件配筋时，往往不好发现深层次的问题，这个过程其实与正常的设计结果查看的顺序相反。一般情况下，在搭建模型进行整体计算结束之后，应该查看结构总质量是否在合理范围内、周期有没有异常、结构整体变形是否正常、结构振型是否正常、是否有局部振动、有效质量系数是否满足规范要求、是否有进行剪重比调整、刚重比能否满足规范要求等结构整体层面的控制指标，在整体指标考察满足规范各项要求以后，再去观察构件内力配筋问题，很多表现出构件超筋的问题可能都会迎刃而解。

结合该工程出现的问题，如果按照正确的设计流程，设计师在电算完毕之后应该马上查看结构的周期、阵型、剪重比等，当这些问题全部解决之后，其实上述梁配筋超筋的问题也就不会存在，如果采用不正确的方法，仅仅关注构件级配筋，当设计概念不清楚时，对某些构件超筋的原因束手无策。

对上述工程梁构件的超筋，如果正向对设计结果进行分析，首先查看结构的周期输出如下图14所示的结果。再查看结构的振型图，如图15、16、17、18、19为结构前五个周期的振型图。

图14 结构周期输出图

图15 结构第1振型图

图16 结构第2振型图

图17 结构第3振型图

图18 结构第4振型图

图19 结构第5振型图

通过周期输出结果中的每个振型下的侧振成分也可以直接查看到该结构的异常，但是一般设计师不会关注细部这些侧振成分，或者即使关注了也由于概念设计的欠缺发现不了问题。

同时也可以结合阵型图进一步清晰明了的查看结构的整体情况，通过以上前五个振型的振型图可以看到，前五个阵型全部是结构的局部振动，该结构的布置存在很大问题。按照设计人员的意图，该结构顶部是个网架，在进行整体计算的时候，用刚性杆去模拟，但是刚性杆输入了某一方向的，另外一个方向的柱子其实无任何约束，如下图20所示的两个边榀在没有梁连接的另外一个方向其实刚度非常弱，进而在前三个阵型首先表现出其面外的局部振动。

图20 该结构顶层两个边榀的连接关系

再深入分析，该类结构底部框架或框剪上部网架结构的模拟是无法反映结构真实受力的，并且在模拟中如果模拟不当会引起上述的一系列问题，同时有可能由于刚度模拟过小造成结构刚度小、地震作用小，有可能也会造成下部结构设计不安全。

另外再深入一步，该结构如果仅仅按照上述的方法，仅仅加大了阵型数满足了有效质量系数90%以后，剪重比调整也正常了，上述的梁不超筋了，该结果可行吗？可否直接采用吗？可能有设计师觉着没问题了。

其实即使现在看起来好像内力配筋都没问题了，但是实际上通过振型可以非常直观的反映出结构布置的不合理性，当然这种不合理性程序无法直接给出明确的提示，需要设计师结合变形或者振型去查看，然后再结合结构的布置情况进一步优化结构布置，让布置更合理，避免结构在地震下发生这种由于局部薄弱造成的结构破坏。结构设计中要正确看待工具软件，软件无法判断结构布置的合理与否，这需要设计师利用自己的专业知识结合软件结果去综合评价。

6 结论及工程设计建议

本文通过对某一实际工程案例的分析，从看似仅仅构件超筋的层次出发，逐步分析，最终发现了结构设计整体层面的问题。由于结构刚度整体性很弱，前几个阵型都是结构局部振动，这导致较小的阵型数无法满足结构有效质量系数90%的要求，同时造成结构基底剪力过小，程序按照抗震规范5.2.5条进行自动调整之后，导致构件地震作用下内力很大，进而引起超筋。从深层次结构整体层面分析得出如下几个结论供设计中参考

1、结构设计中，使用软件计算完毕之后应该遵循正确的查看计算结果的顺序，从整体到局部，先考察结构整体的总质量、周期、阵型、位移、剪重比等各项结构整体指标，查看这些指标是否在合理范围内，是否满足规范要求，再整体指标满足要求的情况下再去查看构件配筋级的问题。如果整体计算的指标都不满足要求即使构件配筋满足要求也无意义。

2、结构的局部振动会造成取较少的振型数往往无法满足结构有效质量系数90%的要求，造成基底剪力计算过小，同时这种局部振动在设计中通过查看阵型可以得出，不能放任结构的局部振动，应该根据局部振动的薄弱位置，在设计中提出有针对性的加强措施。

3、结构计算中，如果对结构做适当的简化，一定要保证结构的刚度能够真实的模拟，如该结构中的网架，如果采用刚性杆模拟会造成另外一个方向没有刚度或者刚度过弱，导致结构整体计算失真。这种情况建议设计师将网架建模输入与下部结构整体内力分析，这样才能真实的反映网架对于竖向构件的约束，也能真实反映结构的振动效应。