复杂结构房屋安全性检测与荷载不利布置初探

■ 陈佶豪 CHEN Jihao

0 引言

社会技术手段的进步，尤其是电子计算机及工程计算软件的应用与普及，极大地推动了现代房屋结构设计、检测鉴定等相关技术，其趋于建筑个性化的同时，也伴随着结构复杂化。这部分结构形式或体系较为复杂的房屋同样需要进行安全性及抗震性检测。

复杂结构房屋往往会对房屋鉴定工作提出更高的要求，有时甚至超出了现有常规工程鉴定（设计）软件的常用计算功能。本文就复杂结构房屋的荷载不利布置问题进行初步的对比分析与探讨。

1 国内外复杂结构房屋典型范例

随着人类科技进步及审美的多元化需求，人们对建筑功能及美学的要求不断提高。为了打破建筑传统格局，复杂结构房屋在世界各大城市逐渐崭露头角，比较著名的如1851年建于英国伦敦的水晶宫（图1），1889 年建于法国巴黎的机械馆（图2）和埃菲尔铁塔（图3）。

图1 水晶宫

图3 埃菲尔铁塔

上世纪六七十年代开始，国内房屋也随着建筑格局的个性化，结构愈发不规则，且出现了超限的情况，如1976 年建造的广州白云宾馆（33 层、高108 m）、1985 年 建造的深圳国贸中心大厦（50 层、高160 m）和1994 年建造的上海金茂大厦（88 层、高420.5 m）。随着超高层或大跨建筑的普及，房屋结构的不规则程度愈发严重。在构件方面，斜柱（墙）、拉杆或转换结构等应用广泛；在体系方面，连体结构、高位转换结构、错层结构及悬挂式结构等复杂结构房屋得到了快速发展，比较典型的有：北京中央电视台总部大楼（图4）的大跨连体结构、上海T20大厦的错层结构（图5）、贵阳会展201 大厦的超高悬挂结构（图6）等。

图4 北京中央电视台总部大楼（大跨连体结构）

图5 上海T20 大厦（错层结构）

图6 贵阳会展201 大厦（超高悬挂结构）

2 房屋结构安全性检测与荷载不利分布

随着政府监管政策的完善，以及既有建筑使用时间增加和功能更新，复杂结构建筑逐渐出现了房屋安全性等检测需求。这些复杂结构房屋的荷载分布往往较为复杂，其房屋结构安全性检测需要在现场检测过程中，对整栋楼进行全面的荷载调查；并在后期检测鉴定过程中，根据调查结果对房屋各区域的荷载进行整体的、合理的不利组合布置，以确保房屋安全性鉴定结果的可靠度。

2.1 房屋结构安全性检测的相关政策规范

2020 年2 月14 日，上海市住房和城乡建设管理委员会印发了《上海市建筑装饰装修工程管理实施办法》（沪住建规范〔2020〕3 号）[1]，明确规定：房屋装修工程涉及存在《现有建筑抗震鉴定与加固规程》(DGJ 08-81—2015)规定情形的、增加荷载超过设计荷载值5%的、涉及2000年之前建造且低于《建筑抗震设计规程》(DGJ 08-9—1992)(1996 年局部修订增补)标准设计等情形的，建设单位在申请办理施工许可证时，应提供第三方机构出具的房屋安全检测报告(抗震鉴定报告)。当对复杂结构房屋进行结构安全性检时，其荷载分布往往也较复杂：现场检测需对全楼荷载进行全面调调；后期鉴定也应根据调查结果对房屋各部位的荷载进行整体的、合理的不利组合布置，以确保房屋安全性鉴定结果的可靠度。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）[2]第5.1.8 条明确规定：高层建筑结构内力计算中，当楼面活荷载大于4 kN/m2时，应考虑楼面活荷载不利布置引起的结构内力的增大；当整体计算中未考虑楼面活荷载不利布置时，应适当增大楼面梁的计算弯矩。同时，在相应的条文说明中补充：国内钢筋混凝土结构高层建筑由恒荷载和活荷载引起的单位面积重力，框架与框架-剪力墙结构约12～14 kN/m2，剪力墙和筒体结构约13～16 kN/m2，而其中活荷载部分约2～3 kN/m2，占全部重力的15%～20%，活荷载不利分布的影响较小。如果活荷载较大，其不利分布对梁弯矩的影响会比较明显，计算时应予考虑。

《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）[3]第3.2.1 条明确规定：建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并应取各自的最不利的组合进行设计。同时，在相应的条文说明中补充：对所考虑的极限状态，在确定其荷载效应时，应对所有可能同时出现的诸荷载作用加以组合，求得组合后在结构中的总效应。考虑荷载出现的变化性质，包括出现与否和不同的作用方向，这种组合可以多种多样，因此还必须在所有可能组合中，取其中最不利的一组作为该极限状态的设计依据。

2.2 荷载不利分布计算

目前，国内建筑结构设计及既有房屋结构安全性鉴定常用的主流软件均有自动考虑上述活荷载不利布置的功能，相关软件操作界面如图7 所示。

图7 主流工程软件活荷载不利布置操作界面

根据上述工程计算软件的产品说明书[4-5]可知，相关软件考虑房屋活荷载不利布置的计算方法基本一致。软件在考虑活荷载不利布置计算中，按房间楼板及梁上外加活荷载进行加载计算，即：对每一个房间楼板加活荷载作用时，保持其它房间楼板空载，使加载房间楼板的周边各梁得到由楼板或次梁传来的荷载，经分析得出本层各梁内力后，对每根梁的内力进行迭加计算，形成正负弯矩包络。

为了提高计算效率，软件计算模块考虑活荷载不利布置主要对本层影响较大，而层与层之间的影响较小。软件借鉴结构力学中的“分层模型”计算方法，在每次加载时，只考虑本层刚度，该刚度由本层所有梁和相连上下层的柱、支撑、墙等竖向构件的刚度贡献而成。为了能同时考虑层间影响，软件在活荷载满布状态下，再用整体刚度求解一次内力作为活荷载作用工况1，将分层活荷载不利布置形成的梁正负弯矩包络分别作为活荷载作用工况2 和工况3，并以上述3种活荷载作用工况参与荷载组合计算。

3 复杂结构房屋算例建模

为便于验证对比，本文选取典型复杂结构房屋的实际工程案例并作适当简化，简化后的结构模型仅考虑正常使用条件下竖向荷载的作用。同时，采用国内应用较普及的工程软件对典型复杂结构房屋进行建模，并验算其关键构件的承载能力极限状态。

3.1 悬挂结构

选取某15 层的高级公寓住宅楼作为悬挂结构算例。其标准层层高4 m，平面双向柱距均为10 m，核心筒长宽也均为10 m。房屋竖向承重构件主要为外框钢拉杆（H 型钢）及钢筋混凝土核心筒（底层墙厚400 mm），水平传力构件主要为120 mm 厚钢与混凝土组合楼盖及楼面组合钢梁（典型高跨比1/16）。为满足建筑景观大平层、外立面通透视野的要求，房屋通过屋顶伸臂桁架层将外围细长钢吊杆拉力传递给中央核心筒，形成“抗震墙-悬挂结构”体系。房屋立面荷载按玻璃幕墙考虑，楼面恒荷载按架空地板并综合考虑吊顶管线取1.5 kN/m2，楼面活荷载按住宅并综合考虑轻质隔断取3.0 kN/ m2。该房屋三维模型如图8所示。

图8 悬挂结构住宅楼三维模型示意图

3.2 错层结构

本文选取的错层结构算例房屋为某3 层大跨交通枢纽建筑（简化建模选取房屋典型区域结构）,标准层层高5 m，平面柱距为10 m×20 m。房屋竖向承重构件主要为型钢混凝土柱(边长500～650 mm),水平传力构件主要为现浇钢筋混凝土密肋楼盖(板厚120 mm)及型钢混凝土梁(典型高跨比1/20)。为满足交通枢纽建筑立体行车及坡道贯通等需求，房屋在框架柱间设置不同标高的梁板结构，并在框架结构内加设型钢以提高其承载力及延性，形成型钢混凝土框架结构体系（部分采用错层结构）。房屋立面荷载按玻璃幕墙考虑，轻钢屋架柱底铰接按节点荷载考虑，楼面恒荷载按环氧树脂地面并综合考虑吊顶管线取2.5 kN/m2，楼面活荷载按45 座电动大客车取等效均布活荷载10.0 kN/m2（按框架梁弯矩等效）。其三维模型如图9 所示。

图9 错层结构房屋算例三维模型示意图

3.3 转换结构

本文选取的转换结构算例为某3 层商场建筑（简化建模选取房屋中庭一侧的典型区域结构）,标准层层高4 m，平面柱距为9 m×12 m。房屋竖向承重构件主要为H 型钢柱（边长400 mm）,水平传力构件主要为120 mm 厚钢与混凝土组合楼盖及楼面组合钢梁（典型高跨比1/12～1/15）。为满足建筑商业中庭大空间的要求，在首层通过转换结构达到中庭各侧的结构收进效果，形成钢框架结构体系（部分采用转换结构）。房屋立面荷载按玻璃幕墙考虑，楼面恒荷载按面砖地面并综合考虑吊顶管线取2.0 kN/m2，楼面活荷载按商场取3.5 kN/m2。其三维模型如10 图所示。

图10 转换结构房屋算例三维模型示意图

4 算例关键构件的不利荷载分布

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）相关条文说明，因房屋活荷载相对恒荷载较小等原因，一般房屋在结构验算中采用传统计算软件是可以满足建筑结构工程计算精度要求的。但考虑到复杂结构传力路径复杂、体系不规则的特点，为确保房屋安全性鉴定结果的可靠性，对本文复杂结构房屋算例中的关键结构构件参照结构力学的影响线理论及虚功原理进行分析：在相关关键构件上施加假想力，并与受分析构件计算控制工况荷载作用拟合一致。根据该假想力作用下的房屋分析结果，对结构下挠变形与竖向荷载作用方向一致的区域施加活荷载，并作为本次分析的全楼不利活荷载布置。

4.1 悬挂结构的不利荷载分布

底层核心筒的抗倾覆能力是悬挂结构房屋关键性能指标，故选取底层核心筒角部墙肢作为悬挂结构房屋算例的验算控制构件，并主要验算其压弯承载力。对其施加假想弯矩后，得到结构位移结果如图11a 所示；对该位移结果中与竖向荷载作用下变形趋势一致的区域施加活荷载，得到悬挂结构房屋算例的不利荷载布置如图11b 所示。

图11 悬挂结构底层墙不利压弯分析与荷载布置图

4.2 错层结构的不利荷载分布

大跨度框架梁及其支承短柱是错层结构交通枢纽建筑的关键受力构件，故对错层结构算例选取顶层大跨度框架的梁、柱分别进行计算分析。

（1）选取顶层框架梁作为验算控制构件，并主要验算其抗弯承载力。对其跨度范围内施加假想均布荷载后，得到结构位移结果如图12a 所示；对该位移结果中与竖向荷载作用下变形趋势一致的区域施加活荷载，得到错层结构房屋算例的不利荷载布置如图12b 所示。

图12 错层结构屋面梁不利弯矩工况分析与荷载布置图

（2）选取顶层错层短柱作为验算控制构件并主要验算其抗弯承载力。对其施加假想弯矩后，得到结构位移结果如图13a 所示；对该位移结果中与竖向荷载作用下变形趋势一致的区域施加活荷载，得到错层结构房屋算例的不利荷载布置如图13b 所示。

图13 错层结构屋面柱不利弯矩工况分析与荷载布置图

4.3 转换结构的不利荷载分布

大跨转换梁的承载力是转换结构房屋的关键核心构件，故对转换结构房屋算例选取大跨转换梁作为验算控制构件，并主要验算其抗弯和抗剪承载力。对其跨中施加假想集中力后，得到结构位移结果如图14a 所示；对该位移结果中与竖向荷载作用下变形趋势一致的区域施加活荷载，得到转换结构房屋算例的不利荷载布置如图14b 所示。

图14 转换结构转换梁不利弯矩工况分析荷载分布图

5 算例关键构件计算结果分析

5.1 不同方案计算结果对比

结合上述不利荷载分布分析结果，采用国内较普及的工程软件对各算例分别按以下方案建模：①方案1模型活荷载满布后，按程序自动不利荷载布置处理；②方案2 模型活荷载根据本文第4 节中的房屋活荷载分布输入，且程序不考虑活荷载不利布置。

（1）对悬挂结构房屋算例两种方案的底层单肢剪力墙结果进行对比（表1）。结果显示，两者最大轴力较接近，仅相差5%；但方案1 中程序自动计算的不利活荷载分布明显偏小（较方案2 相差60%），从而导致了构件计算配筋的较大差异。

表1 悬挂结构房屋底层单肢剪力墙结果对比

（2）对错层结构房屋算例两种方案的顶层关键构件进行对比（表2）。结果显示：两个方案中，梁的最大弯矩相差较小（两者仅相差5%）；但方案1 中，支承短柱在程序自动计算的不利活荷载分布作用下弯矩偏小（与方案2 相差15%），从而导致了构件计算配筋的较大差异。

表2 错层结构房屋顶层关键型钢构件结果对比

（3）对转换结构房屋算例两种方案的转换梁进行对比（表3）。结果显示：方案1 中，程序自动计算的不利活荷载分布作用下内力偏小，其中，最大弯矩较方案2 小16%，最大剪力较方案2 小29%。

表3 转换结构房屋转换梁结果对比

根据上述计算结果可知，各复杂结构房屋算例的荷载不利分布验算普遍存在常规工程软件计算结果偏小的情况。其中，竖向结构最大计算偏差约60%，水平结构最大计算偏差约30%，上述情况均无法满足工程鉴定（设计）精度的要求。

5.2 原因分析

经分析，出现上述计算偏差的原因主要有以下两点。

（1）程序自动布置的最不利荷载对于梁柱等连接节点处最不利不平衡弯矩等考虑不够充分，导致竖向构件内力响应偏小。这种情况对于大跨结构及楼面活荷载较大的房屋结构等尤为不利。

（2）程序自动布置的最不利荷载未考虑跨楼层活荷载因层间竖向构件内力传递带来的不利响应，导致其结构整体抗侧力构件（包括框架梁）内力响应偏小。这种情况对于超高层结构、错层结构、吊柱及转换结构等尤为不利。

因此，在进行复杂结构房屋安全性检测时，绝不能忽略上述不利情况对鉴定计算造成的影响。

6 结语

伴随着城市既有建筑更新范围的不断扩大，需要安全性检测的房屋结构形式愈发复杂。此时，房屋的活荷载不利布置往往也较复杂，对于大跨、超高层、错层及转换等结构有时甚至会出现常规工程软件计算功能无法满足鉴定（或设计）需求精度的情况。因此，面对复杂结构安全性检测，尤其是房屋存在明显结构不规则时，房屋检测鉴定人员除采用常规工程软件建模验算外，还应对房屋整楼荷载不利分布进行专项分析校核，必要时，可适当对相关结构的鉴定（或设计）留有一定的冗余度。