芻議房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要問(wèn)題

管壁

摘 要：隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)住宅房屋設(shè)計(jì)的要求也在不斷提高。本文作者就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討，僅供同行參考。

關(guān)鍵詞：房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)抗震；

前 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的商業(yè)化、工業(yè)化和城市化，房屋建筑逐漸由單層、多層向高層發(fā)展，房屋結(jié)構(gòu)形式也由簡(jiǎn)單的磚混結(jié)構(gòu)變得日趨復(fù)雜住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)繁重而又責(zé)任重大的工作，既關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，又關(guān)系到建筑的適用性和經(jīng)濟(jì)性，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作是十分重要的。因此，設(shè)計(jì)人員在工作中應(yīng)事無(wú)巨細(xì)，善于反思和總結(jié)工作中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，才能將設(shè)計(jì)工作做好。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型分析

對(duì)于高層結(jié)構(gòu)而言，在工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)選型階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):

1.1 合理選擇結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，避免應(yīng)力集中的凹角和狹長(zhǎng)的縮頸部位；避免在凹角和端部設(shè)置樓電梯問(wèn)；避免樓電梯間位置偏置，以免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響。

1.2 房屋的適用高度和高寬比

在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度的建筑外，增加了B級(jí)高度的建筑，因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑甚或超過(guò)了B級(jí)高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。

1.3 嵌固端的設(shè)置問(wèn)題

由于高層建筑一般都帶有兩層或兩層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個(gè)問(wèn)題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的方面：抗震設(shè)計(jì)的多高層建筑，當(dāng)?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)采用，地下一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)。地下室中超出上部主樓范圍且無(wú)地上結(jié)構(gòu)的部分，其抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)。

1.4 短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)題

短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻。近年興起的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，雖然有利于住宅建筑布置，也可減輕結(jié)構(gòu)自重，但在高層住宅中，剪力墻肢不宜太短，因?yàn)槎讨袅Φ目拐鹦阅茌^差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多，為安全起見(jiàn)，高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。

2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析

2.1 多層房屋建筑無(wú)地質(zhì)詳勘報(bào)告，僅僅依據(jù)建設(shè)單位口頭或籠統(tǒng)參照附近建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料就進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要做到合理，安全適用，設(shè)計(jì)人員必須依據(jù)地質(zhì)勘察資料，統(tǒng)一考察多方面因素進(jìn)行基礎(chǔ)類型和上部結(jié)構(gòu)方寧設(shè)計(jì)，僅憑地耐力這一數(shù)據(jù)是不完全面的，也是不安全的，更不能盲目地把耐力容許值取得小一些就認(rèn)為成無(wú)一失了。

2.2 采用換土墊層進(jìn)行軟弱地基處理，不進(jìn)行換土墊層設(shè)計(jì)，只憑經(jīng)驗(yàn)處置。有時(shí)設(shè)計(jì)者軟弱地基的危害認(rèn)識(shí)不足，只是簡(jiǎn)單地憑借經(jīng)驗(yàn)采用砂墊層加強(qiáng)一下承載力，沒(méi)有進(jìn)行墊層寬度和厚度計(jì)算，既不安全，又不經(jīng)濟(jì)。

2.3 民用建筑中柱梁及基礎(chǔ)的負(fù)荷未按規(guī)范乘以折減系數(shù)。設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)多層民用建筑時(shí)，在計(jì)算粱、柱和基礎(chǔ)的負(fù)荷時(shí)未按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范用荷載乘折減系數(shù)計(jì)算其荷載值，因而荷載值準(zhǔn)確。

3 承重柱截面高度設(shè)計(jì)過(guò)小

這種情況多發(fā)生于六度抗震設(shè)防區(qū)。一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得誤認(rèn)為六度設(shè)防就是不設(shè)防，不圖受力分析方便，他們故意把柱子的截面高度設(shè)計(jì)得過(guò)小，使梁柱的線剛度比加大(因一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定：當(dāng)梁柱的線剛度比大于4時(shí)，計(jì)算簡(jiǎn)圖中梁柱節(jié)點(diǎn)可簡(jiǎn)化為鉸支)。把粱簡(jiǎn)化為鉸支梁，柱按軸心受壓計(jì)算。這種做法雖然易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，但卻給房屋結(jié)構(gòu)埋下了隱患。因?yàn)檫@樣做忽略了梁柱間的剛結(jié)作用，即忽略了柱對(duì)消化酶的約束彎矩，加之以柱截面的配筋都較小，結(jié)構(gòu)一旦受力后，柱頂抗彎強(qiáng)度必然不足，從而柱子而梁底附近將會(huì)出現(xiàn)一條或多條水平裂縫，形成塑性餃。這樣在正常使用情況下，柱子已開(kāi)始帶餃工作。這不但影響了房屋的耐久性，而且也常常引起用戶的恐懼心理。更為嚴(yán)重的是，這樣的結(jié)構(gòu)一理遭遇地震作用時(shí)，將會(huì)倒塌，這違背了現(xiàn)行抗震規(guī)范中“強(qiáng)柱弱粱”的設(shè)計(jì)原則。

4 在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，只注意了橫向框架的設(shè)計(jì)而忽視了縱向框架

現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求水平地震作用應(yīng)按兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算，各方面的地震和用應(yīng)由該方向的抗側(cè)力構(gòu)件來(lái)承擔(dān)。說(shuō)是說(shuō)，在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，縱向框架與橫向框架有同等的重要性。一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者對(duì)以于非抗震設(shè)計(jì)，而縱向地按普通的連續(xù)梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，梁柱的節(jié)點(diǎn)和框架中的縱筋、箍筋的配置無(wú)法不答合框架的構(gòu)造要求。由于沒(méi)有考慮地震的縱向作用，在實(shí)際設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)梁的支座負(fù)筋?？缰锌v筋及箍筋的配筋置均不足的現(xiàn)象。

5 懸挑粱的梁高選用過(guò)小

設(shè)計(jì)者往往只注意了對(duì)梁的強(qiáng)充和傾覆進(jìn)行驗(yàn)算，而忽略了對(duì)梁手撓度的驗(yàn)算。梁高選用過(guò)小，引起梁截面的受壓區(qū)應(yīng)力過(guò)高，在正常使用狀態(tài)下，梁截面受壓區(qū)產(chǎn)生非線性徐變。梁撓度隨時(shí)間的推移不斷加大。挑梁的變形引起粱板出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度隨著挑梁變形的回大而加寬，影響了房屋的正常使用。據(jù)筆者觀察，這種挑梁的變形發(fā)展到后期，梁支座截面上部受拉區(qū)常常出現(xiàn)較寬的豎向裂縫。受支座附近上部受拉區(qū)常常出現(xiàn)較寬的豎向裂縫。受支座附近剪彎作用的影響，豎向裂縫向下延伸發(fā)展為斜裂縫，此時(shí)梁已接近破壞，當(dāng)為托墻挑梁時(shí)，粱過(guò)大的撓度引起梁上境況體在粱支座附近出現(xiàn)裂縫。裂縫在梁支座處沿斜向延伸，縫愈靠上愈寬。挑梁的截面過(guò)小對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震也很不利。懸挑結(jié)構(gòu)對(duì)豎向地震的作用最為敏感。梁高小時(shí)，截面的相對(duì)受壓區(qū)高度較大，梁的延性減小。在豎向地震作用下易發(fā)生脆性破壞，失去承載力。

6 連續(xù)粱按單梁進(jìn)行設(shè)計(jì)

這種情況多發(fā)在陽(yáng)臺(tái)邊梁的設(shè)計(jì)中。由于邊梁上的荷重一般較小，沒(méi)有引起設(shè)計(jì)得的重視。左圖受力分析方便，沒(méi)計(jì)得把實(shí)際應(yīng)為連續(xù)梁的梁按單簡(jiǎn)支梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，致使梁在支座處上部負(fù)筋配置量過(guò)少。這樣必然引起梁在支座附近上部受拉區(qū)出現(xiàn)豎向裂縫，進(jìn)而引起梁上部攔板出現(xiàn)豎向裂縫。如果該邊梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，問(wèn)題將會(huì)變得更加嚴(yán)重。因?yàn)樵摿阂话阒苯颖┞对谑彝?，受環(huán)境溫度影響較大。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，梁的伸縮受到梁端柱或挑梁的約束，在梁內(nèi)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，該收縮應(yīng)力作用于原已產(chǎn)生的梁上裂縫處，引起梁的支座附近沿整個(gè)梁截面四周裂縫貫通，梁承載力降低，直接影響了使用安全。

7 樓板設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題

板是建筑工程中的主要承重構(gòu)件，是它將樓面，屋面的荷載傳給其周?chē)膲蛄荷?，樓板的設(shè)計(jì)問(wèn)題必將連帶梁、墻、柱等構(gòu)件安全。若對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)考慮不周，很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量問(wèn)題，有的還可能存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。樓板設(shè)計(jì)中常見(jiàn)如下幾個(gè)問(wèn)題。

7.1 設(shè)計(jì)時(shí)為了計(jì)算方便或因?qū)Π宓氖芰顟B(tài)認(rèn)識(shí)不足，簡(jiǎn)單地將雙向板作用單向板進(jìn)行計(jì)算。使計(jì)算假定與實(shí)際受力狀態(tài)不符。導(dǎo)致一個(gè)方向配筋過(guò)大，而另一方向僅按構(gòu)造配筋，造成配筋嚴(yán)重不足，致使板出現(xiàn)裂縫。

7.2 板承受線荷載時(shí)彎矩計(jì)算問(wèn)題，在民用建筑中，常常在樓板上布置一些非承重隔墻故大樓板設(shè)計(jì)中常常將該部分的線荷載換算成等效的均布荷載后，進(jìn)行板的配筋計(jì)算。但有些設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地將隔墻的總荷載附以板的總面積。另外，板上隔墻頂部處理常采用立磚斜砌砌頂緊上部分的樓、屋面板，這樣會(huì)給上部的板增加了一個(gè)中間支承點(diǎn)，使其變?yōu)檫B續(xù)板，支承點(diǎn)上部出現(xiàn)了負(fù)彎矩，而在板的設(shè)計(jì)中又沒(méi)考慮該部分的影響，致使板頂出現(xiàn)裂縫。

7.3 雙向板有效高度取值偏大。雙向板在兩個(gè)方向均產(chǎn)生彎矩，由此雙向板跨中正彎矩鋼筋是縱橫疊放，短跨方向的跨中鋼筋應(yīng)放在下面，長(zhǎng)跨方向的跨中鋼筋置于短跨鋼筋的上面，計(jì)算時(shí)應(yīng)用兩個(gè)方向的各自的有效高度。一般長(zhǎng)向的有效高度比短向的有效高度小d(d為短向鋼筋的直徑)。有的設(shè)計(jì)得為圖省事或?qū)Π迨芰φJ(rèn)識(shí)不足，而取兩上方向的有效高度一致進(jìn)行配筋計(jì)算，致使長(zhǎng)跨有效高度偏大，配筋降低，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在的質(zhì)量隱患，甚至出現(xiàn)開(kāi)明縫的現(xiàn)象。

8 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算分析

在結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算階段，如何準(zhǔn)確、高效地對(duì)工程進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理，是決定工程設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。

8.1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇。目前比較通用的計(jì)算軟件有：SATWE，TAT，TBSA或ETABS，SAP等，但是，由于各軟件在采用的計(jì)算模型上存在著一定的差異，因此導(dǎo)致了各軟件的計(jì)算結(jié)果有或大或小的不同。

8.2 是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對(duì)自振周期的影響。該部分內(nèi)容實(shí)際上在新老規(guī)范中都有提及，只是，在新規(guī)范中根據(jù)大量工程的實(shí)測(cè)周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期折減系數(shù)。

8.3 振型數(shù)目是否足夠。在新規(guī)范中增加了一個(gè)振型參與系數(shù)的概念，并明確提出了該參數(shù)的限值。

8.4 多塔之間各地震周期的互相干擾，是否需要分開(kāi)計(jì)算。一段時(shí)間以來(lái)，大底盤(pán)，多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計(jì)算分析該類型高層建筑時(shí)，是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問(wèn)題。

9 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人民生活的迅速提高，業(yè)主及建筑師的創(chuàng)新藝術(shù)使得鋼筋混凝土高層建筑發(fā)展被廣泛應(yīng)用。然而，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給工程設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)工作者應(yīng)按規(guī)范相應(yīng)的構(gòu)造要求嚴(yán)格執(zhí)行，才得以從根本上消除設(shè)計(jì)質(zhì)量的隱患。

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