【结构学院】配筋结果严重超限OR 设计师设计习惯错误

来源：PKPM构力科技

文章作者：刘孝国

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配筋结果严重超限？

如下图1 所示这样一个工程，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1 模型三维图

图2 配筋超筋的几根梁位置

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怎么回事？

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。

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

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书不足，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。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%。

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如何调整？

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，直接对策是加大阵型数，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

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

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结论

该工程中，由于振型数过少（之前计算取了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。

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如何建立良好的设计习惯？

结构设计中很多设计师建模计算完毕之后，会直奔软件配筋结果，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。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、整体变形能否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，结构振型参与质量系数见上图8。

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，前五个振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，进而在前三个振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？可能有设计师觉得没问题了。

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。