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第二章 结构验算
在房屋安全鉴定过程中，对房屋建筑的结构验算是一项非常重要的工作环节。尤其对原建筑年久失修造成的部分结构构件损坏；装修拆改部分结构；改变建筑使用功能；接层；在房屋建筑上增加设置广告牌、高耸构筑物、悬挂物等情况必须进行房屋建筑的结构验算。结构验算则是房屋建筑鉴定评级的重要依据。
结构验算主要包括结构的承载力极限状态验算和正常使用极限状态验算。
房屋的结构验算大体分为结构整体验算和结构构件验算两大部分。
第一节 结构整体验算
结构整体验算是对整个结构体系能否能满足承载力极限状态和正常使用极限状态的要求的验算。
结构体系的分类按照所用材料的不同，可分为钢筋混凝土结构，砌体结构（砖混结构），钢结构和木结构（包括砖木结构）。目前既有房屋中大多数为钢筋混凝土结构，砌体结构（砖混结构），也有少部分木结构（包括砖木结构）。其中钢筋混凝土结构按平面布置形式分为：框架结构，框架-剪力墙结构，剪力墙结构，筒体结构，板柱结构（无梁楼盖）等等。
简单介绍几种钢筋混凝土结构体系的受力特点
框架结构：由框架梁、柱、楼板等主要构件组成。
■优点：使用空间较大，结构延性较好，
■缺点：侧向刚度较小，结构水平位移较大，适用于层数不太多的多层建筑。
■侧向变形特征为剪切型。
■验算时重点查看位移并加以控制，梁柱截面大小及混凝土强度等级起主要作用。
剪力墙结构：由剪力墙、楼板等主要构件组成。
■优点：承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。整体性好，侧向刚度大，结构水平位移小。适用于比框架结构层数更多的高层建筑。
■缺点：不能提供大空间房间。结构延性较差。
■侧向变形特征为弯曲型。
框架-剪力墙结构：由框架梁、柱、楼板及部分剪力墙组成。
■其特点是对前两种结构的取长补短。保持了框架结构的大空间，灵活布置的优点，又具备了剪力墙结构较大的侧向刚度的优势。侧向变形特征为弯剪型。所以广泛用于层数较多，高度较高的建筑。
■在地震作用下具有两道抗震防线即剪力墙和框架。其中剪力墙承担全部地震剪力，框架承担部分地震剪力。
■验算时除了控制位移之外，还应重点查看柱最大轴压比并加以控制，柱截面大小起主要作用。还应满足剪力墙部分承受的地震倾覆力矩不小于结构总地震倾覆力矩的50%，否则结构的抗震等级应按框架结构考虑。《抗震规范》第6.1.3条规定
结构整体验算目前大多数使用结构软件分析计算。下面介绍钢筋混凝土结构和砌体结构整体验算的主要验算内容及主要控制指标。
一、钢筋混凝土结构
钢筋混凝土结构验算内容主要包括：结构体系在竖向及水平荷载（地震作用，风荷载）作用下产生的内力和位移是否满足相应规范的要求，是否合理。
结构验算时控制指标主要有以下内容：
（一）在地震作用下结构振动基本周期。周期越长，则说明结构体系越柔，侧向刚度越小，抗震性能较差；周期越短，则说明结构体系侧向刚度越大，吸收地震力多，结构内力越大，也不利于结构抗震。
（二）结构水平位移。在水平荷载作用下，结构水平位移的大小与结构体系的侧向刚度大小有关。水平位移大，则说明结构刚度小；水平位移小，则说明结构刚度大。《抗震规范》（50011-2001）第5.5条规定了结构层间位移的限值。
（三）剪重比。剪重比是指结构楼层水平地震剪力与该层以上重力荷载代表值之比。
剪重比是抗震设计中非常重要的参数。规范之所以规定剪重比，主要是由于地震影响系数在长周期段下降较快，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构，地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，但采用振型分解法时无法对此作出准确的计算。因此，出于安全考虑，《抗震规范》第5.2.5条规定了最小地震剪力系数。该值如果不满足要求，则应放大地震作用效应，即可将软件计算参数中的地震放大系数放大。
（四）周期比是指结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比。
周期比是控制结构扭转效应的重要指标。它的目的是使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理，使结构不至出现过大的扭转。也就是说，周期比不是要求结构足够结实，而是要求结构承载布局合理。《高规》第4.3.5条对结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比的要求给出了规定。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员需要增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。
设计软件通常不直接给出结构的周期比，需要设计人员根据计算书中周期值自行判定第一扭转（平动）周期。
1.扭转周期与平动周期的判断：从周期输出文件中找出所有扭转系数大于0.5的平动周期即为以扭转为主的自振周期，同理，所有平动系数大于0.5的平动周期即为以平动为主的自振周期。
2.第一周期的判断：选出数值较大的扭转（平动）周期，查看软件的“结构整体空间振动简图”，看该周期值所对应的振型的空间振动是否为整体振动，如果其仅仅引起局部振动，则不能作为第一扭转（平动）周期，再取出下一个周期进行考察，以此类推，直到选出不仅周期值较大而且其对应的振型为结构整体振动的值即为第一扭转（平动）周期；一般大多数在前几个振型中。
3.周期比计算：将第一扭转周期值除以第一平动周期即可。
（五）轴压比。轴压比是指组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。
控制框架柱轴压比主要为了保证框架结构的延性要求。在设计中，通常希望柱子处于大偏心受压的弯曲受压状态。在框架柱中柱子受力形式多为偏心受压。而偏心受压中又分为大偏心受压和小偏心受压两种受压状态。我们都知道：从受压柱的破坏特征来看，大偏心受压属于受拉破坏，小偏心受压属于受压破坏，且破坏形态属于脆性破坏，是我们不希望的。大偏心受压的破坏形态是由于受拉钢筋屈服而破坏，破坏前有明显变形预兆，是符合延性要求的。《建筑抗震设计规范》（50011-2001）第6.3.7条规定了柱轴压比的限值。
除结构验算之外，还必须满足规范规定的抗震措施要求。满足规范抗震措施的要求仍是非常重要的。
《混凝土规范》、《高规》和《抗震规范》对结构的抗震构造提出了非常详尽的规定，这些措施是很多震害调查和抗震设计经验的总结，是抗震计算无法解决却又不可忽视的问题，从某种意义上讲抗震构造比抗震计算更为重要，也是保证结构安全的最后一道防线，工程技术人员不可麻痹大意。
二、砌体结构
砌体结构验算内容主要是在地震作用下的抗震验算。在验算时应注意正确选择楼面类型，砌体、砂浆强度等级。
对于砌体结构除抗震计算之外，更重要的是在地震作用下对砌体结构的限制规定及抗震构造要求。主要注意的是：房屋的层数和总高限值，房屋抗震横墙最大间距，房屋的局部尺寸限值等是否满足相关规定，圈梁、构造柱布置是否符合抗震要求。（特别注意房屋改造、拆改后是否满足上述规定要求。）
对于抗震烈度较低的地区，重点则是小墙垛的抗压验算。
三、电算中应注意参数的合理选取(以PKPM-SATWE软件为例)
（一）抗震等级
按《抗震规范》GB50011-2001第6.1.2条规定。（对框架-剪力墙结构应注意倾覆力矩比值问题）
（二）周期折减系数
周期折减系数主要用于框架、框架剪力墙结构。由于填充墙的因素增加了整个结构的刚度，用软件计算时没能考虑填充墙引起的刚度增加，计算的结构自振周期比实际周期长，由此计算的地震力会偏小，使结构分析偏于不安全，因此用折减周期的办法来适当放大地震力是有必要的。周期折减系数的取值视填充墙的多少和填充墙的材料而定，一般取0.7-1.0
（三）振型组合数
振型个数的选取一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。振型数的多少与结构层数和结构形式有关，层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数应取多些。振型数最少取3，考虑扭转耦联计算时，振型数不应少于9。振型数一般为3的倍数。（在周期输出文件中可查看“有效质量系数”，如果小于90%，说明选取的振型数不够。）
（四）0.2Q0调整系数
0.2Q0调整系数用于框架剪力墙结构。一般剪力墙的刚度很大，剪力墙吸收了大量的地震力，在计算时要求剪力墙承担全部的地震剪力。而框架所承担地震力很小。如计算时不考虑框架承担地震剪力，在剪力墙一旦开裂后，地震力转为由框架承担，而框架承担能力又很小会很不安全。所以需要让框架承担至少20%的基底剪力，以增加框架的安全度。
（五）梁刚度调整系数
梁刚度调整系数主要用于现浇钢筋混凝土板结构。考虑现浇板对梁的作用，实际楼板和梁共同组成T形截面梁，而软件计算时梁按矩形截面计算，梁刚度比T形截面小，因此可考虑梁的刚度放大。一般中梁放大系数取2，边梁放大系数取1.5，SATWE软件中刚度放大系数BK为中梁放大系数，输入2时则边梁为1+（BK-1）/2自动算为1.5。
（六）顶层小塔楼（突出物）地震力放大系数
顶层带小塔楼的结构在动力分析中可能出现鞭梢效应，对小塔楼产生不利因素。在计算过程中，如果参与振型数取的多，对小塔楼的地震内力能较实际的反映出来，计算较准确；若参与振型数取的不够多，小塔楼的地震内力得不到充分反映，如果不加以调整，将会给设计带来不安全因素，这时应将小塔楼地震力放大。放大系数Rtl取值大小与振型数有关：
非耦联：振型数为3-6 Rtl≤3.0
振型数为6-9 Rtl≤1.5
耦 联：振型数为9-12 Rtl≤3.0
振型数为12-15 Rtl≤1.5
（七）地基基础（浅基础）
当建筑物发生过大的沉降或不均匀沉降，建筑改变使用功能，建筑接层等情况时应进行地基基础的验算。
1. 地基计算
地基计算是指基础底面压力是否满足地基承载力（和地基变形）的要求。以基础底面积大小来控制。基础底面积小则基底压力大，如基底压力超过地基承载力，地基将发生破坏。（如果建筑物建成时间较长，一般超过十年后，地基土在建筑物基础传来荷载的作用下逐渐压密固结，地基承载力比当初有所提高。）
2. 基础计算
基础计算是指在地基反力作用下基础本身承载能力是否满足要求。基础计算包括基础底板弯曲、剪切、冲切计算。一般底板配筋解决抗弯曲，底板高度解决抗剪切、抗冲切。
四、计算结果的正确性（合理性）判断
结构整体验算大都利用计算机软件进行，因此，对于计算结果的合理性、可靠性进行判断是十分必要的，也是结构验算的主要内容之一。这项工作要以结构工程师的力学概念和丰富的工程经验为基础，通过计算结果输出文件中的各种数据来判断，重点检查结构的振型、周期、位移形态和量值、有效参与质量、截面配筋等，是否在合理范围内，受力较复杂的构件其内力是否与力学概念、工程经验相一致。还可检查各项输入的数据、参数、以及相关条件是否正确合理。也是检查计算正确与否的必要环节。
五、案例
（一）概况
某办公楼结构类型为三层框架，柱距6.9米，进深柱距6.9，7.2米
框架柱截面450x450mm，框架梁截面250x700，250x600
首层层高（至基础顶）5米，其余层高3.6米
混凝土强度等级：柱C30，梁、板C25
抗震设防烈度：7度（0.15g），抗震等级三级，计算振型个数9个
结构平面布置如图：
（二）改造意向：使用方拟将第三层部分范围改成大空间作为大会议室使用。因此需要将第三层一根框架柱去掉，该范围屋顶结构梁板拆除重做。改造后结构平面布置如图：
（三）改造可行性分析：
1. 方案：改造的位置为顶层，去掉一根柱后该范围改为井字梁板屋盖。井字梁截面250x800，板厚80
原有梁板拆除，新做井字梁置于原周边框架梁之上，即此部分屋盖高于原其他屋盖高度，（使用方和规划部门已同意）
2. 受力分析：使用活荷载与原来没有变化，井字梁板自重比原来略有增加，（对基础影响另行验算）但改变了井字梁所支撑的原框架梁受力形式及荷载有所增加；去掉一根框架柱后对原框架体系整体受力有所影响，应对原框架体系进行整体分析验算及对“周边框架梁”核算。
（四）结构整体验算（使用PKPM-SATWE软件）
结构验算结果： 改造前 周期：0.84s 最大水平位移，X向：1/554 Y向：1/562
改造后 周期：0.85s 最大水平位移，X向：1/554 Y向：1/519
结构体系的位移增大并超限（1/550）；“周边框架梁”内力有所增大，与原有梁情况核对或进行加固。
（五）结论：此方案不妥，应采取措施控制位移。
第二节 结构构件验算
当结构构件经检测后材料强度有所降低、截面尺寸减小，当改变使用功能或改造后构件上荷载发生变化、受力方式被改变等等时都需要对结构构件重新进行验算。计算构件在新的条件下其承载力、变形及稳定性是否满足要求。(承载力包括：抗弯、抗剪、抗拉、抗压、局部抗压、抗扭等承载力)
构件验算可以利用软件计算，但通常也需要手算。不论是机算还是手算，都应特别注意几个问题：
一、构件的计算简图
计算简图是否合理直接关系到构件内力的正确性。特别是支座形式，构件支座的实际情况是否与力学中的支座假定相符。例如：
（一）后加一钢筋混凝土梁与原有钢筋混凝土柱连接，其节点是否能形成固定端约束，即梁、柱结点为刚性结点，条件应满足“梁支座上部纵向受力钢筋伸入柱内不应小于0.4La或0.4Lae”。否则，即使梁和柱都是钢筋混凝土构件相连，也不能按固定端支座，应按简支计算。
（二）连续跨构件不能简单的按单跨简支计算，应按多跨连续梁简图计算。
（三）底层墙、柱类竖向构件其计算高度取值时，其中H应为基础顶面至一层楼面顶部的高度。计算高度则应根据不同结构类型按规范取值。
二、合理的荷载取值
荷载应按实际情况根据荷载规范取值。注意永久荷载与可变荷载的组合是否正确。荷载设计值：永久荷载控制时，1.35恒+（1.4×0.7）活；可变荷载控制时，1.2恒+1.4活；
在具体构件计算时应由两种组合比较取其大值计算。为了简化工作，只看恒载与活载标准值之比就可以判定是哪种荷载控制。恒载与活载标准值的比值以2.8为界线，大于2.8即为永久荷载控制，小于2.8即为可变荷载控制。
注：活载大于4KN/m2时例外
三、砌体构件计算的内容
主要包括：较小截面砌体受压强度计算，梁支撑处的砌体局部受压计算，内部空旷的单层房屋墙体在风荷载作用下的强度计算，墙体高厚比验算等等。
四、悬挑构件
悬挑构件只有一端支座，相对其它构件安全性较差，计算时应特别注意几个问题。在计算悬挑构件的弯矩时应考虑均布恒+活荷载与均布恒载+悬挑外端部施工检修集中活载的组合比较，取大值计算配筋。由于悬挑构件受拉钢筋在上部，施工时往往保证不了钢筋的正确位置，减少了构件的有效高度，所以按弯矩计算的配筋宜适当增加。对悬挑尺寸较大的构件，除了计算悬挑部分的弯矩、剪力外，还应计算裂缝和挠度。对悬挑雨蓬，还应计算雨蓬梁的抗弯、抗剪及抗扭强度。对存在有倾覆情况的还要进行倾覆验算。
五、对结构分析软件计算结果进行分析判断
当利用结构软件计算时，应查看输出文件中的计算条件（输入条件）是否与预期的情况相符，主要查看荷载及组合、构件截面、支座条件等。
六、案例
（一）概况
某办公楼结构类型为五层框架，柱距6.0米，进深柱距4.7，1.8，4.7米
框架梁截面250x500，次梁200x400
一层层高（至基础顶）5.5米，其余层高3.6米
混凝土强度等级：梁、板C25
结构平面布置如图：
（二）改造意向：使用方拟将第一层楼梯改换梯跑形式（此楼梯只上至二层），楼梯改造后造成一根次梁影响高度，因此需要将第一层一段次梁去掉，同时去掉原次梁右侧楼板（次梁左侧为原楼梯位置），形成共享空间。改造后结构平面布置如图：
（三）改造可行性分析：
受力分析：原楼梯上段支撑于框架梁上，改造后支撑情况类似，框架梁没有多增加荷载，反而去掉一根次梁和楼板后减少了原框架梁荷载，该框架梁不需验算。但被拆除的次梁原来为三跨，拆除后变为二跨，虽然次梁上的荷载没有发生变化，可是梁内力发生了变化，且属内力增加情况。应对拆除的次梁剩余部分进行核算。
（四）结构构件验算（使用PKPM-SATWE软件）
结构验算结果： 改造前 跨中配筋：3cm2 支座配筋：6cm2
改造后 跨中配筋：5cm2 支座配筋：8cm2
增加幅度 66% 33%
（五）结论：应与原次梁实有配筋比较，或对该次梁进行加固。
第三节 结构验算中荷载应用入门
无论在结构设计计算和结构验算中，结构或构件上荷载的取值是很重要的一个步骤。构件上的荷载值往往需要经过必要的统计或计算得出。荷载按作用方向大致可分为竖向荷载和水平荷载。
一、竖向荷载
竖向荷载按作用方式可分为：面荷载、线荷载及集中荷载
（一）面荷载：一般为楼面（屋面）产生的永久荷载与可变荷载引起，其中永久荷载常为构件及工程作法的材料自重。如：楼板自重，楼板面层装修做法所用的材料自重；楼板底面抹灰层或吊顶的材料自重；屋面上防水、保温、找坡、找平层等材料自重。这些荷载的取值均由《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001附录A“常用材料和构件的自重”中查取。可变荷载主要包括楼面（屋面）使用活荷载、雪荷载、施工堆载等等。可变荷载的取值应由《荷载规范》中相应条文规定查取。
（二）线荷载：由面荷载传来，包括均布线载，梯形线载，三角形线载；
构件上墙体传来（包括墙体自重），构件上由板传来。
（三）集中荷载：以点荷载方式传来，如次梁传至主梁，梁上立柱，施工和检修荷载等等。
二、水平荷载
水平荷载主要包括：水平地震荷载及水平风荷载，
（一）地震荷载：凡参与抗震的结构或构件均应进行地震荷载的计算。利用电算进行结构整体验算时，可正确给出有关地震的参数，软件计算出结构由地震荷载引起并与其它荷载组合后形成的内力。手算结构和构件地震荷载时，应根据《抗震规范》相关的规定和方法进行计算得出。
（二）风荷载：验算屋顶上部广告牌，较高的构筑物，玻璃幕墙等等，凡风荷载引起控制内力的结构或构件，都应进行风荷载的计算，并与其它荷载进行组合来计算内力。风荷载的计算根据《荷载规范》中“风荷载”一节相关规定进行计算。
当计算主要承重结构时，风荷载标准值按下式计算：
Wk=βz μs μz W0
式中：βz---高度Z处的风振系数；（自振周期长且高宽比大的建筑应考虑）
μs---风荷载体形系数；
μz---风压高度变化系数；
W0---基本风压（KN/m2）。
当计算围护结构时，风荷载标准值按下式计算：
Wk=βgz μs μz W0
式中：βgz---高度Z处的阵风系数。
注：《荷载规范》（2006年版）上式中μs改为μsl
μsl---局部风压体形系数
由以上二公式可见：风荷载的标准值的大小与当地的基本风压、结构体形、结构高度、结构基本自振周期诸因素有关。
注意这些荷载都要按实际工程做法和使用功能取值统计。如果属于装修改造、改变使用功能，应按拟改变后的实际情况统计荷载。并按现行的荷载规范及设计规范规定进行验算。如果构件和使用条件没有发生变化，荷载取值与组合可按建筑物建造时所执行的荷载规范及设计规范规定进行验算。
第四节 常见的设计缺陷
1. 对结构分析软件计算结果不作分析判断。《抗震规范》第3.6.6条第四款、《混凝土规范》第5.1.6条、《高规》第5.1.16条均规定：对结构分析软件的计算结果，应进行分析判断，确认其合理，有效后方可作为工程设计的依据。
2. 荷载设计值取值不按荷载组合比较，简单的取任意一种组合，可能导致荷载取值偏小不安全。见《荷载规范》第3.2.3条规定。
3. 楼面活荷载折减不当。计算基础时楼面活荷载不折减，造成不合理浪费；不分建筑类别一律按住宅、办公楼的楼层折减系数折减，导致折减过多，荷载偏小不安全。如《荷载规范》第4.1.2条规定中：
设计墙、柱和基础时的折减系数
1）第1（1）项应按表4.1.2规定采用；
2）第1（2）~7项应采用与其楼面梁相同的折减系数；
4. 连续板简单的按单跨简支板计算代替，导致中间支座处板上部配筋偏小，板上部开裂。
5. 双向板查表计算时忽略材料泊松比的影响，导致板跨中弯矩计算值偏小。
计算公式中跨中弯矩： Mx=mx+μmy My=my+μmx
式中：mx 和 my------查表系数 μ----泊松比
力学手册中四边支撑的双向板计算用表按弹性理论计算编制，没有包含材料因素，即μ=0 对钢筋混凝土μ=1/5
6. 不注意构件最大、最小配筋率的限值。参与抗震要求的构件需要有较好的延性，配筋率不易过大，又必须满足最小配筋率的要求。非抗震要求的构件有时其内力很小，而实际配筋时忽略了最小配筋率的要求。尤其是混凝土强度较高、板较厚的楼板其最小配筋数量也较多。如受弯构件最小配筋率为：0.2和45ft/fy中的较大值。其中ft为混凝土抗拉强度设计值，混凝土强度越高其值越大，则最小配筋率也大，最小配筋截面面积As=rbh，h为板厚，板越厚最小配筋量就越多。
7. 不注意单向板设计时对分布筋要求的规定。《混凝土规范》第10.1.8条规定：分布钢筋的截面面积不宜小于受力钢筋截面面积的15%，且其配筋率不宜小于0.15%。
8. 在计算简支梁且梁端实际受到部分约束时，不注意梁端上部纵向构造筋的要求。《混凝土规范》第10.2.6条规定：梁端上部纵向构造筋不应小于梁跨中下部纵向受力钢筋计算所需截面面积的1/4，且不应少于两根。
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