結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題的探討

項(xiàng)方同++吳輝輝

摘 要： 本文從幾個問題簡單闡述概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性，旨在倡導(dǎo)結(jié)構(gòu)工程師們要加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)，追求對結(jié)構(gòu)原理及力學(xué)性質(zhì)的深刻認(rèn)識，進(jìn)而積累，豐富結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)水平。

關(guān)鍵詞：工程師；結(jié)構(gòu)原理；概念設(shè)計(jì)

Abstract： This article briefly discusses several issues that design of concept is the importance of the structural design， and aims to promote structural engineers to strengthen theoretical study， the pursuit of structural principles and a profound understanding of the mechanical properties， and thus， extensive structural conceptual design level.

Keywords： Engineer； Structural principle； Conceptual design

1.關(guān)于梁扭矩的折減系數(shù)

高規(guī)5.2.4條高層建筑結(jié)構(gòu)樓面梁受扭計(jì)算時應(yīng)考慮現(xiàn)澆樓板對梁的約束作用（有時候還有次梁的約束）。當(dāng)計(jì)算中未考慮現(xiàn)澆樓蓋對梁扭轉(zhuǎn)的約束作用時，對梁的計(jì)算扭矩予以折減。折減系數(shù)的取值應(yīng)根據(jù)梁周圍樓改的約束情況確定。常規(guī)設(shè)計(jì)中梁兩側(cè)都有現(xiàn)澆樓板時，可取0.4，當(dāng)為獨(dú)立梁（兩側(cè)均無樓板）時，應(yīng)取1.0計(jì)算。設(shè)計(jì)中有時候恰恰就容易忽略獨(dú)立梁的情況，對結(jié)構(gòu)所有的梁扭矩統(tǒng)一進(jìn)行了0.4的折減。需要特別注意：梁扭矩折減系數(shù)和彎矩折減調(diào)幅系數(shù)不同，程序?qū)εぞ卣蹨p后一般都沒有進(jìn)行節(jié)點(diǎn)扭矩和彎矩的平衡驗(yàn)算，也就是說，被折減下來的扭矩實(shí)際上就缺失了（如果確實(shí)周邊沒有樓板的約束），這樣的話對獨(dú)立梁來說就存在風(fēng)險。必須采取措施，一是調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，避免這種情況，二是取扭矩折減系數(shù)為1.0，不考慮扭矩折減進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，并包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2.對框架梁跨高比的認(rèn)識

規(guī)范對框架梁的截面剪應(yīng)力及截面尺寸及跨高比都有所規(guī)定，但總感覺還不是很透徹。實(shí)際上與長短柱混雜的概念一樣（一般設(shè)計(jì)上對短柱都有充分的認(rèn)識）。長、短梁在同一榀框架中并存，也是極為不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、負(fù)彎矩也很大，其配筋全部由水平力控制，豎向荷載基本上不起作用。同時，由于梁的剪力增大，也會使支撐柱的軸力大幅增大，這顯然不符合協(xié)同工作原則，結(jié)構(gòu)造價也會提高。在一些公寓樓、辦公樓、教學(xué)樓中容易出現(xiàn)這樣在同一榀框架中出現(xiàn)長短梁的情況，需要引起足夠的重視。

3.強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)

強(qiáng)柱弱梁概念作為抗震設(shè)計(jì)中的一個重要概念，實(shí)現(xiàn)框架抗震性能實(shí)現(xiàn)的重要措施。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是必須要重視的，并要保證他的順利實(shí)現(xiàn)。汶川地震表明：強(qiáng)柱弱梁是框架實(shí)現(xiàn)梁鉸機(jī)制的重要結(jié)構(gòu)措施。高規(guī)6.2.1條明確規(guī)定：抗震設(shè)計(jì)時，除頂層、柱軸壓比小于0.15者及框支柱節(jié)點(diǎn)（框支梁與框支柱的節(jié)點(diǎn)一般難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁，故可不驗(yàn)算，而通過規(guī)定相應(yīng)的抗震措施得以保證）外，框架的梁、柱節(jié)點(diǎn)處考慮地震作用組合的柱端彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下列要求：

（1）一級框架結(jié)構(gòu)及9度時的框架：

ΣMc=1.2ΣMbua

（2）其他情況：

ΣMc=ηcΣMb

《抗規(guī)》6.2.2條及《混凝土規(guī)范》（第11.4.1條）均有類似規(guī)定。

梁端的正彎矩與其相鄰跨的梁端負(fù)彎矩組成強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算中的梁端總彎矩，同樣梁端（梁端的頂部和底部）實(shí)配鋼筋直接影響梁端的實(shí)際受彎承載力，對強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)意義重大。而設(shè)計(jì)中不合理的構(gòu)造往往會影響強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)，甚至與帶來災(zāi)難。如不合理的構(gòu)件裂縫寬度驗(yàn)算加大了梁端實(shí)際配筋，驗(yàn)算梁端截面的裂縫寬度時，內(nèi)力取值與實(shí)際截面位置不統(tǒng)一（內(nèi)力取自柱截面范圍內(nèi)的梁計(jì)算端部，不是真正的梁端，應(yīng)取柱邊緣處梁的真實(shí)截面），這種內(nèi)力與計(jì)算截面的不一致，導(dǎo)致梁端計(jì)算彎矩過大，梁端裂縫寬度計(jì)算值大于實(shí)際值。同時，加大梁端配筋，對強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)極為不利。二是人為的對梁端鋼筋的超配，加大了梁端實(shí)際受彎承載力與計(jì)算受彎承載力的差距，亦使強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)困難。鑒于柱鋼筋在整個結(jié)構(gòu)造價中的比重比較低，為保證強(qiáng)柱弱梁的順利實(shí)現(xiàn)，建議對柱子配筋做1.1～1.25的放大。而嚴(yán)格控制梁端的實(shí)配鋼筋，對梁端鋼筋不宜進(jìn)行超配，甚至可以適當(dāng)考慮現(xiàn)澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實(shí)際的正截面抗震受彎承載力的影響。

4.對角柱要有足夠的重視

多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是為了抵抗水平力的作用，防止扭轉(zhuǎn)。為有效的抵抗水平力作用，平面上兩個正交方向的尺寸宜盡量接近，目的是保證這兩個方向上的“慣性矩”相等，防止一個方向強(qiáng)度（剛度）儲備太大，而另一個方向偏弱。因此，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（墻、柱）宜四周布置，以增大整體的抗側(cè)剛度及抗扭剛度。防止扭轉(zhuǎn)的目的是因?yàn)樵谂まD(zhuǎn)發(fā)生時，各柱節(jié)點(diǎn)水平位移不等，距扭矩中心較遠(yuǎn)的角柱剪力很大，而中柱的剪力較小。破壞由外向里，先外后里。為了防止扭轉(zhuǎn)，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)對稱布置，宜設(shè)在結(jié)構(gòu)的兩端，緊靠四周設(shè)置，以增大抗扭慣性矩。因此高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過程中作用卻很大（弱角柱先壞，整個結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度或強(qiáng)度下降，中柱必定依次破壞）。此外在水平力作用下，角柱軸力的變化幅度也會很大，這樣勢必要求角柱有較大的變形能力，足夠的強(qiáng)度儲備。像《高規(guī)》6.2.4條，抗震設(shè)計(jì)框架角柱應(yīng)按雙向偏心受力構(gòu)件進(jìn)行正截面承載力驗(yàn)算，一、二、三、四級框架角柱彎矩、剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以不小于1.1的增大系數(shù)。以及6.4.4條邊柱、角柱以及剪力墻端柱考慮地震作用組合產(chǎn)生小偏心受拉時，柱內(nèi)縱筋總截面面積應(yīng)比計(jì)算值增加25%，可見角柱的重要性。因此，角柱設(shè)計(jì)時在承載力和變形能力上都應(yīng)有較多考慮，如加大箍筋、縱筋，包括截面尺寸，以控制軸壓比限制，保證柱子的變形能力。endprint

5.如何把握剪力墻結(jié)構(gòu)的適宜剛度

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大，而延性較差，有條件可以通過調(diào)整剪力墻的連梁剛度，并通過連梁的變形耗能，改善剪力墻結(jié)構(gòu)的延性。但正如《高規(guī)》7.1.1條的條文說明敘述：本規(guī)程所指的剪力墻結(jié)構(gòu)是以剪力墻及因剪力墻開洞形成的連梁組成的結(jié)構(gòu)，其變形特點(diǎn)為彎曲型變形，目前有些項(xiàng)目采用了大部分由跨高比較大的框架梁聯(lián)系的剪力墻形成的結(jié)構(gòu)體系，這樣的結(jié)構(gòu)雖然剪力墻較多，但受力和變形特性接近框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)層數(shù)較多時對抗震是不利的，宜避免?？梢娺B梁的剛度也不是越小越好，過小的連梁剛度，減弱了連梁的耗能能力，使剪力墻結(jié)構(gòu)成為全部為獨(dú)立墻肢加弱連梁的壁式框架結(jié)構(gòu)，對抗震不利。因此，度的拿捏很重要。

6.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻作為第一道防線吸收了很大部分的地震作用，同時當(dāng)剪力墻布置相對集中時，考慮地震作用組合的基礎(chǔ)面積較大，而框架柱下的則基礎(chǔ)面積較小。這樣會帶來兩個問題，一是剪力墻下基礎(chǔ)面積過大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)很困難；二是在正常使用條件下框架柱與剪力墻基礎(chǔ)的差異沉降較大，影響結(jié)構(gòu)的安全及正常使用?？蚣?核心筒、板柱-剪力墻等結(jié)構(gòu)體系都有類似問題。因此當(dāng)按地震作用標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)確定基礎(chǔ)面積或樁數(shù)量時，必須對改問題有足夠的重視，可以充分考慮剪力墻下基礎(chǔ)的各種有利因素，如樁土共同作用等，以適當(dāng)減少剪力墻下的基礎(chǔ)面積，并使剪力墻下基礎(chǔ)面積與正常使用狀態(tài)下需要的面積相差不要太多。

結(jié)語：

在一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)全面應(yīng)用的今天，對計(jì)算機(jī)的依賴越來越嚴(yán)重，甚至與計(jì)算機(jī)結(jié)果明細(xì)的不合理，甚至錯誤而不能及時發(fā)現(xiàn)。尤其是現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多的缺陷或不可計(jì)算性，比如對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論的計(jì)算方法，而截面設(shè)計(jì)卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，這一矛盾使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn)，為了彌補(bǔ)這類計(jì)算理論的缺陷，都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。為此，結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，不斷的學(xué)習(xí)，深入、深刻的了解給類結(jié)構(gòu)的性能，不斷豐富自己的結(jié)構(gòu)概念，并能有意識的運(yùn)用他們，方能使設(shè)計(jì)成果越來越創(chuàng)新、完善。

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【文章編號】1006-2688（2017）07-0070-02endprint