土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)常見問題解析——以高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例

王鶯歌，周亞帝

(1. 嘉應(yīng)學(xué)院土木工程學(xué)院，廣東 梅州 514015;2. 中交四航局第一工程有限公司，廣州 510310)

畢業(yè)設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是核心實(shí)踐單元，根據(jù)文獻(xiàn)［1］ 的建議，安排在第8 學(xué)期，歷時(shí)14 個(gè)教學(xué)周。設(shè)計(jì)的選題以工程設(shè)計(jì)型和施工設(shè)計(jì)型兩大類為主，［2］而前者的選用又尤為廣泛，設(shè)計(jì)對象的結(jié)構(gòu)類型包括多、高層框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)等。工程設(shè)計(jì)類的題目一般要求學(xué)生在滿足建筑功能的條件下，根據(jù)給定的地質(zhì)條件、抗震要求、以及風(fēng)環(huán)境等工程設(shè)計(jì)資料，結(jié)合現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，［3－5］完成結(jié)構(gòu)選型與布置、荷載計(jì)算、水平側(cè)移驗(yàn)算、內(nèi)力計(jì)算與組合、截面配筋、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。為了讓學(xué)生能夠更好地掌握結(jié)構(gòu)計(jì)算的全過程，聯(lián)系工程實(shí)踐，目前各院校大都使用手算和電算相結(jié)合的方式。圖1給出了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。

圖1 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

考慮到教學(xué)的重點(diǎn)，并且為了能夠更多的涉及到各規(guī)范中的內(nèi)容，論文以高層框架的結(jié)構(gòu)為例，討論設(shè)計(jì)中常見的問題，并給出正確的做法。

1 結(jié)構(gòu)布置中的常見問題

結(jié)構(gòu)布置是設(shè)計(jì)中的第一步，也是檢驗(yàn)學(xué)生概念設(shè)計(jì)能力的重要環(huán)節(jié)。由于在前期的學(xué)習(xí)中，接觸到的多為單個(gè)構(gòu)件計(jì)算或結(jié)構(gòu)單項(xiàng)設(shè)計(jì)，如何把握較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，怎么根據(jù)建筑施工圖確定結(jié)構(gòu)布置方案，對學(xué)生來講是有一定難度的。這就要求教師一方面需要針對結(jié)構(gòu)布置常見問題進(jìn)行講解，另一方面對學(xué)生的結(jié)構(gòu)方案嚴(yán)格審查，避免后續(xù)可能帶來的計(jì)算問題。在結(jié)構(gòu)布置中的問題集中表現(xiàn)在變形縫設(shè)置、柱網(wǎng)及梁板結(jié)構(gòu)布置等方面。［6］

1.1 變形縫設(shè)置

結(jié)構(gòu)布置的基本原則是規(guī)則、均勻、對稱，但實(shí)際設(shè)計(jì)中，學(xué)生往往忽視這些原則，在建筑設(shè)計(jì)中選用平面不規(guī)則形體，卻沒有采取相應(yīng)的措施，既沒有對應(yīng)力變形集中部位和扭轉(zhuǎn)易損部位進(jìn)行加強(qiáng)，也沒有設(shè)置相應(yīng)的變形縫，或者雖然設(shè)置了，卻存在很多問題，比如:建筑長度超限，但沒有設(shè)置伸縮縫;伸縮縫的縫寬沒有按照抗震縫寬取;錯(cuò)誤地采用了相鄰構(gòu)件的軸線距離作為變形縫的寬度;沒有按照計(jì)算書中的設(shè)防烈度計(jì)算縫寬等等。

1.2 柱網(wǎng)布置

柱網(wǎng)的布置一般要求是盡量均勻、傳力要明確、符合建筑模數(shù)、同時(shí)照顧到梁的跨度。學(xué)生的設(shè)計(jì)往往反映出:沒有建筑模數(shù)的概念，整個(gè)平面圖中幾乎沒有符合模數(shù)的開間、進(jìn)深;針對不同大小的房間直接使用柱間距控制，而不是設(shè)立次梁，布置隔墻;使用過大的跨度，給后續(xù)計(jì)算留下隱患。

1.3 梁板布置

由于梁板截面尺寸的估算取決于其跨度的大小，在進(jìn)行梁板布置時(shí)次梁的選擇非常重要。學(xué)生在設(shè)計(jì)中一般都能夠把握“墻下有梁”的原則，避免板上作用集中荷載，但是對于柱距相對過大時(shí)，經(jīng)常會忽略次梁的重要性。

圖2 (a)為某學(xué)生設(shè)計(jì)中梁板結(jié)構(gòu)的一部分，兩個(gè)方向主梁跨度分別為9m 和7.2m，無次梁，板厚達(dá)150mm，整個(gè)開間內(nèi)梁板混凝土用量9.72m3。圖2 (b)為改進(jìn)后的方案，布置兩根次梁，板厚可降至80mm，混凝土用量6.48m3，僅一個(gè)開間內(nèi)就減少將近33%的材料用量。這表明在平時(shí)的教學(xué)中，除了要強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，也應(yīng)該加強(qiáng)學(xué)生對經(jīng)濟(jì)性的認(rèn)識。

圖2 梁板結(jié)構(gòu)布置方案對比

2 結(jié)構(gòu)電算的主要控制指標(biāo)

結(jié)構(gòu)電算是用來校核手算結(jié)果的，也是生必須掌握的方法。電算結(jié)果除了滿足截面不超筋，撓度、裂縫不超限等要求，還需要檢查以下參數(shù):

(1)層剛度比。規(guī)范要求樓層側(cè)向剛度不小于相鄰上層的70%，且不小于相鄰上三樓層均值的80%。由于底層計(jì)算長度相對較大，剛度偏小，手算沒有考慮地梁層，更易出問題。如不滿足則需要增大底層柱剛度。

(2)水平最大位移、層間最大位移，一般能夠滿足要求。如不滿足則考慮利用增大柱截面，縮小間距等提高整體抗側(cè)剛度的方法來解決。

(3)振型參與質(zhì)量。計(jì)算要求累加振型參與質(zhì)量大于90%，對于以平動為主的結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)項(xiàng)可放松。在不滿足此項(xiàng)要求時(shí)，計(jì)算地震力偏小，可通過增加計(jì)算陣型數(shù)來提高。

(4)扭轉(zhuǎn)的最大周期和平動最大周期比。對高層建筑，不宜超過90%，如不達(dá)標(biāo)，則需要削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度，增加四周剛度，可以通過增大邊角柱截面尺寸，合理布置剪力墻等方法處理。

(5)剪重比:剪重比是衡量結(jié)構(gòu)剛度的一個(gè)重要指標(biāo)，計(jì)算值偏小說明結(jié)構(gòu)偏柔，可通過加大豎向構(gòu)件尺寸來調(diào)整，反之則表示過于浪費(fèi)。

3 計(jì)算簡圖的易錯(cuò)點(diǎn)

3.1 梁柱線剛度

梁的計(jì)算跨度，許多學(xué)生直接取建筑圖軸線的距離。實(shí)際上建筑圖軸線多定義在墻軸線，柱子與墻多有偏心對齊。在取梁的計(jì)算跨度時(shí)要取柱子形心間的距離，當(dāng)柱有變截面時(shí)應(yīng)取最小的截面形心距離作為梁計(jì)算跨度，如圖3 所示。普通層柱以層高作為計(jì)算高度，但對于底層柱為上層樓面到基礎(chǔ)頂面的距離，如圖4 所示。

圖3 計(jì)算軸線的選取

圖4 底層柱和風(fēng)荷載起算位置

在計(jì)算梁的線剛度的時(shí)候，對于現(xiàn)澆的梁板結(jié)構(gòu)，要考慮板的作用，所以對于中間框架應(yīng)首先按矩形截面計(jì)算，再乘以放大系數(shù)2，對于邊框架乘以1.5，另外對于有樓板開洞等情況應(yīng)按照一邊有板乘以1.5，兩邊都無板則不放大來處理。

3.2 荷載計(jì)算

荷載是計(jì)算簡圖的一個(gè)重要部分，其中豎向荷載可以根據(jù):板傳給次梁(主梁)，次梁傳給主梁，主梁傳給柱的方式依次傳遞，對于雙向板，以三角形分布向短邊傳遞，梯形分布向長邊傳遞。需要注意的是不要漏算了縱向框架傳來的豎向力及其因?yàn)槠膸淼膹澗亍?/p>

在計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)需要得到風(fēng)壓高度系數(shù)，這里需要注意風(fēng)壓高度的起算點(diǎn)，設(shè)計(jì)中經(jīng)常有學(xué)生直接使用計(jì)算簡圖中底層柱底為起算點(diǎn)，正確的做法是從室外地坪開始計(jì)算，如圖4 所示。

4 內(nèi)力計(jì)算與內(nèi)力組合的誤區(qū)

4.1 活荷載不利位置布置

在進(jìn)行活荷載內(nèi)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮最不利位置布置，但由于計(jì)算量過大，往往在手工計(jì)算時(shí)采用滿布荷載，這就造成跨中彎矩偏小的問題，所以需要放大，一般通過乘以1.1 到1.2 的系數(shù)來解決。

4.2 承載力內(nèi)力組合

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，在組合中有地震作用時(shí)使用式(1)，反之用式(2)。在設(shè)計(jì)中常見兩種錯(cuò)誤:一是直接使用地震荷載組合結(jié)果而沒有進(jìn)行抗震調(diào)整;另一種則是不管組合中是否存在地震作用都使用式(1)。

式中Sd為作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，Rd為構(gòu)件承載力，γRE為構(gòu)件承載力抗震的調(diào)整系數(shù)，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

5 截面設(shè)計(jì)的檢查表

截面設(shè)計(jì)包括了正截面抗彎設(shè)計(jì)、斜截面抗剪設(shè)計(jì)等內(nèi)容。這部分設(shè)計(jì)除了要滿足計(jì)算要求，還要符合構(gòu)造要求，尤其是考慮到抗震等問題，需要注意的細(xì)節(jié)比較多，也是學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中非常容易出錯(cuò)的部分?？梢园研枰⒁獾牟糠忠员砀竦男问浇o出，要求學(xué)生在設(shè)計(jì)的過程中對照自查，見表1。

表1 截面設(shè)計(jì)自查表

6 結(jié)束語

土木工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)涉及到多門專業(yè)課內(nèi)容，設(shè)計(jì)中要求學(xué)生對現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)規(guī)范有很好的把握，具有很強(qiáng)的綜合性，包含的知識點(diǎn)極多，也造成了設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)問題。文中將一些出現(xiàn)頻率比較高的錯(cuò)誤點(diǎn)總結(jié)出來，給出正確做法，并以自查表的形式給出，為畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)提供幫助。

［1］高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會. 高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)行專業(yè)規(guī)范［M］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011

［2］楊志文. 談土木工程本科畢業(yè)選題［J］. 宜春學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，30(6):178－185

［3］中國建筑科學(xué)研究院.GB50009－2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012

［4］中國建筑科學(xué)研究院.GB50010－2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010

［5］中國建筑科學(xué)研究院.GB50007－2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011

［6］羅臻，葛新廣. 土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)問題探討［J］. 高等建筑教育，2013，22(1):122－125