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          淺談建筑結構設計中的相關問題
          2023-01-30 15:41:46

          隨著經濟的發展人民生活水平的不斷提高,同時,建筑業也得到了突飛猛進的發展,結構設計是整個建筑工程中十分重要的一個環結,文章結合某工程實例,對結構設計中的相關問題進行了簡要分析,以供參考。

            1.關于超長結構:

            混凝土結構設計規范第9.1.1條中規定鋼筋混凝土框架結構伸縮縫最大間距為55m,而7.1.2條則規定當采取后澆帶分段施工,專門的預加應力措施或采取能減小混凝土溫度變化或收縮的措施且有充分依據的,伸縮縫間距可適當增大。這兩條使我們在實際設計過程中較難把握。工程實例中超過55m就設置伸縮縫,這顯然是很難保證的,但采取后澆帶分段施工后究竟應控制房屋長度多少而不至于產生裂縫等不良現象呢?

            筆者認為這取決于各地區的溫差及混凝土不同的收縮應力。按本人在(廣東省)南海地區所做的工程實例的經驗,多層房屋長度超過55m在75m以內時,采取設置施工后澆帶及相應的構造加強措施后,不設置伸縮縫是可行的,這在筆者長期的工程實踐中也已得到證實,多個工程(比如有40mx72m的四層廠房,10mx72m的六層教學樓,10mx80m的四層宿舍,30mx80m的單層廠房,還有長達近100m的三層商業建筑等)均未產生嚴重的裂縫。但在結構設計中必須對梁柱配筋進行概念上的調整。

            首先是長向板鋼筋應雙層設置,并適當加強后澆帶處的梁板配筋;而兩端梁柱,特別是邊跨的柱配筋必須加強,以抵抗溫度應力帶來的推力;另外,超長結構在角部容易產生扭轉效應,我們在設計中也必須對角部結構進行加強。當框架結構超過75m時,筆者認為必須采取特殊的措施才能不設置伸縮縫,譬如說采用預加應力,摻入抗裂外加劑等等,而且作為超過75m 的結構,必須對溫度及收縮裂縫采取定量的分析,并相應施加預應力,這在許多工程實例中應用的效果也是眾目共睹的。如果對超長結構,不能有效的分析清楚受力情況,本人建議還是應按規范要求設置伸縮縫,畢竟建筑上縫只要處理得當還是不影響觀瞻的。

            2.地基與基礎設計:

            地基與基礎設計一直是結構工程師比較重視的方面,不僅僅由于該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行,同時,也是因為地基基礎也是整個工程造價的決定性因素,因此,在這一階段,所出現的問題也有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。

            在地基基礎設計中要注意地方性規范的重要性問題。由于我國占地面積較廣,地質條件相當復雜,作為國家標準,僅僅一本《地基基礎設計規范》無法對全國各地的地基基礎都進行詳細的描述和規定,因此,作為建立在國家標準之下的地方標準。地方性的“地基基礎設計規范”能夠將各地方的地基基礎類型和設計處理方法等一些成熟的經驗描述和規定得更為詳細和準確,所以,在進行地基基礎設計時,一定要對地方規范進行深入地學習,以避免對整個結構設計或后期設計工作造成較大的影響。

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            目前的短肢剪力墻體系小高層由于考慮埋置深度的要求,一般均設置地下室?;A則采用樁筏基礎。如何對樁進行合理選型,將對整個地下室設計的經濟性產生重要影響。例如某一工程,上部十八層帶一地下室,根據勘察報告,采用Φ400預應力管樁,可選樁長有樁長25m,單樁承載力特征值Ra=900KN,樁長34m,單樁承載力特征值Ra=1300KN。采用25m樁需要290根,采用34m樁需要200根。從樁本身比較兩種方案,總的樁延米數量相當,但采用25m樁為滿樘布置,筏板厚需1200mm,而采用34m樁為墻下布置,筏板可減至900mm,經濟性明顯。

            因此,筆者認為基礎選型應作方案比較,才能選定經濟合理的方案。而對于筏板厚度的取值,則應考慮樁沖切,角樁沖切,墻沖切及板配筋等多方面的因素。另外,筏板長度的設置也須我們研究探討,由于考慮地下室的使用合理性,常規我們采用設置后澆帶來解決底板超長引起的收縮及溫度裂縫,后澆帶的作用是明顯的,但也給施工帶來了不少麻煩,甚至由于處理不當而引起后澆帶漏水及裂縫。而有些高層,長寬均達100m以上,中間就設置幾條后澆帶,也沒有其他措施,本人認為是不妥當的。

            3. 結構計算與分析

            在結構計算與分析階段,如何準確,高效地對工程進行內力分析并按照規范要求進行設計和處理,是決定工程設計質量好壞的關鍵。由于新規范的推出對結構整體計算和分析部分相當多的內容進行了調整和改進,因此,結構工程師也應該相當地對這一階段比較常見的問題有一個清晰的認識。

            (1)結構整體計算的軟件選擇。目前比較通用的計算軟件有:SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等,但是,由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異,因此導致了各軟件的計算結果有或大或小的不同。所以,在進行工程整體結構計算和分析時必須依據結構類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件,并從不同軟件相差較大的計算結果中,判斷哪個是合理的、哪個是可以作為參考的,哪個又是意義不大的,這將是結構工程師在設計工作中首要的工作。否則,如果選擇了不合適的計算軟件,不但會浪費大量的時間和精力,而且有可能使結構有不安全的隱患存在。

            (2)是否需要地震力放大,考慮建筑隔墻等對自振周期的影響。該部分內容實際上在新老規范中都有提及,只是,在新規范中根據大量工程的實測周期明確提出了各種結構體系下建筑結構計算自振周期折減系數。

            (3)振型數目是否足夠。在新規范中增加一個振型參與系數的概念,理措施進行設計。并明確提出了該參數的限值。由于在舊規范設計中,并未提出振型參與系數的概念,或即使有該概念,該參數的限值也未必一定符合新規范的要求,因此,在計算分析階段必須對計算結果中該參數的結果進行判斷,并決定是否要調整振型數目的取值。

            (4)多塔之間各地震周期的互相干擾,是否需要分開計算。一段時間以來,大底盤,多塔樓的建筑類型大量涌現,而在計算分析該類型建筑時,是將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算,還是將結構人為地分開進行計算,是結構工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大,就有可能出現即使振型參與系數滿足要求,但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然有可能較大,從而便結構出現不安全的隱患。

            (5)非結構構件的計算與設計。在建筑中,往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內的非結構構件。對這部分內容,尤其是建筑屋頂處的裝飾構件進行設計時,由于建筑的地震作用和風荷載均較大,因此,必須嚴格按照新規范中增加的非結構構件的計算處

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            4.關于梁筏基礎板筋位置:

            彈性梁筏基礎,由于底板受向上的反向力,設計人員會要求筏板面筋能置于地梁主筋以下,而地梁配筋有時較多甚至配置雙排筋,再加上梁箍筋的影響,導致施工中板筋的彎折相當困難,遇到人防工程則更難施工。筆者認為從受力傳遞過程來說,板筋設置必須準確,但考慮施工困難及相應板保護層的損失,建議可以作適當放松,我院地下工程說明中規定底板面筋應有一半鋼筋經斜折后放置在支承基礎梁主筋下面,伸入梁內不小于15d,這是合理的。

            5.關于板面設置溫度應力筋:

            《混凝土結構設計規范》GB50010-2002第10.1.9條規定在溫度收縮應力較大的現澆板區域內,鋼筋間距宜取為150-200mm,并應在板的末配筋表面布置溫度收縮鋼筋,板的上下表面沿縱橫兩個方向的配筋率均不宜小于0.1%。對于這一條設計人員的理解又會產生出入。什么區域屬于溫度收縮應力較大的區域?筆者認為對于規則較短的建筑物我們可以在各樓面邊跨及屋面層設置相應的溫度應力鋼筋,而對于超長結構,則建議在超長結構的長向均應設置雙層鋼筋。其余部位則可因人而異,功能重要的區域設置,有條件的建設子項設置,而不必過于強調。另外有一點,當地下室筏板厚度大于1200mm時,筆者建議在筏板中間配置溫度收縮應力鋼筋以抵抗大體積混凝土所產生的收縮及溫度應力,配筋量筆者建議取1/2筏板厚的0.1%,且不小于φ12@200。

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            6.關于梁上起柱是否設置附加鋼筋:

            本人曾遇到某些工程有梁上起柱及次梁在主梁上面的,都在梁中設置了附加橫向鋼筋,有的同志甚至在彈性地基梁基礎中柱下梁內亦設置附加鋼筋,這完全沒有必要。雖然這是偏于安全的一種做法,但如果計算不需要則就是浪費了?!痘炷两Y構設計規范》GB50010-2002第10.2.13條規定,位于梁下部或梁截面高度范圍內的集中荷載,應全部由附加橫向鋼筋(箍筋,吊筋)承擔,附加橫向鋼筋宜采用箍筋。而對于次梁放在主梁上面及梁上起柱,主梁是不必設置附加橫向鋼筋的?!痘炷两Y構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖》就是如此的。但還是有相當多的設計人員認為梁上起柱應設置橫向鋼筋,其理由是柱的軸力(集中荷載)會通過柱中的縱向鋼筋傳到梁截面。這就不對了,柱軸力是由柱截面的混凝土傳到梁的上表面,而不是由柱內鋼筋傳遞的,否則獨立基礎內豈不是也要設置吊筋了?這一類問題我覺得搞清楚了在工程實踐中可以避免一些不必要的浪費。

            7.關于保護層和墊層厚度:

            《地下工程防水技術規范》(GB50108-2001)對防水混凝土結構規定:結構厚度不應小于250mm;裂縫寬度不得大于0.2mm,并不得貫通;迎水面鋼筋保護層厚度不應小于50mm.防水混凝土結構底板混凝土墊層,強度等級不應小于C15,厚度不小于100mm,在軟弱土層中不應小于150mm。工程實踐表明如果結構厚度或迎水面鋼筋保護層厚度小于規范限值常常是引起滲漏水現象的常見原因,因此規范修訂以后對限值作了相應的提高,應引起注意。

            地下室頂板鋼筋應加強,保護層和混凝土墊層及強度等級應按規范加注(GB50108-2001第4.1.6條)。否則就會產生如下類似問題:地下室外墻、底板等迎水面保護層厚40mm,底板與土接觸處鋼筋保護層厚35mm,不適合GB50108-2001第4.1.6條;柱保護層25mm,違反GB50010-2002第9.2.1條;地下室墊層采用C10混凝土,或底板下未做混凝土墊層,違反GB50108-2001第4.1.5條和第4.1.5條;未見地下混凝土構件環境類別劃分與對應的鋼筋混凝土構件保護層厚度,不符合GB50010-2002第9.2.1條等。

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            8.關于強柱弱梁的設計理念:

            強柱弱梁的概念主要是針對小震不壞,中震可修,大震不倒的抗震設防目標而提出的。柱破壞了建筑物整個都會傾覆,而梁破壞則僅是某個區域失效,因此柱較之梁破壞的損害更大,當前我們的經濟已高速發展,我們設計人員在設計中一定要將這一概念設計貫徹下去。其一必須嚴格控制柱軸壓比,我們目前的計算均是基于小震下進行的,如果小震下柱子軸壓比過高,則大震下地震力將對邊柱產生一個巨大的附加軸力(有文章研究表明約增加30%),則柱子根本不可能有這點安全儲備,在大震即會破壞,那又何談大震不倒呢?筆者認為軸壓比在任何情況下均不宜超過0.9%,且我們對柱斷面及配筋設置時應分部位處理,建議邊柱,角柱應適當加強,特別是角柱,建議應全柱加密箍筋,且配筋率不宜小于1%。所有框架柱,不包括小截面柱,筆者建議縱筋均應大于20,且柱筋品種不宜過多,矩形截面柱盡可能對稱配筋。而對梁配筋筆者則建議應配足梁中部筋,而支座筋則可通過調幅讓其適當降低,以使地震作用下能形成梁鉸機制,防止柱先于梁屈服,使梁端能首先產生塑性鉸,保證柱端的實際受彎承載力大于梁端的實際受彎承載力。

            9. 剪力墻設計:

            9.1.布置:剪力墻布置必須均勻合理,使整個建筑物的質心和剛心趨于重合,且X,Y兩向的剛重比接近。在結構布置應避免一字形剪力墻,若出現則應布置成長墻(h/w>8);應避免樓面主梁平面外擱置在剪力墻上,若無法避免,則剪力墻相應部位應設置暗柱,當梁高大于墻厚的2.5倍時,應計算暗柱配筋,轉角處墻肢應盡可能長,因轉角處應力容易集中,有條件兩個方向均應布置成長墻;規范中對普通墻及短肢墻的界定是墻高厚比8倍以下為短墻,大于8倍則為普通墻,這就引起高厚比為7.9倍及8.1倍的兩種墻的受力特性截然不同,而配筋亦大相徑庭,這顯得比較機械而不合理,因此筆者建議布置長墻時高厚比能大于9。

            9.2.配筋及構造:對于小高層住宅來說,剪力墻是面廣量大的,因此合理的控制剪力墻配筋對于結構安全及工程的經濟性具有十分重要的作用。

            9.2.1剪力墻墻體配筋(以200厚墻體為例)一般要求水平鋼筋放在外側,豎向鋼筋放在內側。配筋滿足計算及規范建議的最小配筋率即可。筆者建議加強區Φ10@200,非加強區Φ8@200雙層雙向即可,雙排鋼筋之間采用Φ6@600x600拉筋。但地下部分墻體配筋則另當別論。因為地下部分墻體配筋大多由水壓力,土壓力產生的側壓力控制,而由于簡化計算經常由豎向筋控制,此種情況下為增大計算墻體有效高度,可將地下部分墻體的水平筋放在內側,豎向鋼筋放在外側。地下部分墻體鋼筋保護層按《地下工程防水技術規范》第4.1.6條規定:迎水面保護層應大于50mm,且在保護層內按《混凝土結構設計規范》第9.2.4條規定增設雙向鋼筋網片。在這種情況下,很多設計人員在進行外墻裂縫驗算時有效截面高度仍按保護層50mm計算,筆者認為是不妥當的。當采取了雙向鋼筋網片后,計算保護層厚度至少可按30mm來取值,這對節省墻體配筋效果相當明顯。

            9.2.2.剪力墻按規范應設置邊緣構件,一.二級抗震設計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應設置約束邊緣構件;其余剪力墻應按《高層建筑混凝土結構技術規程》第7.2.17條設置構造邊緣構件。本節僅就構造邊緣構件的配筋作一點討論。筆者認為首先要區分剪力墻的受力特性及類別,即:普通剪力墻(長墻),短肢剪力墻,小墻肢和一個方向長肢墻而另一方向屬短肢墻來區別對待配筋。對于普通剪力墻,其暗柱配筋滿足規范要求的最小配筋率,建議加強區0.7﹪,一般部位0.5﹪。對于短肢剪力墻,應按高規第7.1.2條控制配筋率加強區1.2﹪,一般部位1.0﹪;對于小墻肢其受力性能較差,應嚴格按高規控制其軸壓比,宜按框架柱進行截面設計,并應控制其縱向鋼筋配筋率加強區1.2﹪,一般部位1.0﹪;而對于一個方向長肢另一方向短肢的墻體,設計中往往就按長肢墻進行暗柱配筋,筆者認為這并不妥當,建議有兩種方法。其一,計算中另一方向短肢不進人剛度,則配筋可不考慮該方向短肢影響;其二,計算中短肢進人剛度,則配筋中應考慮該方向短肢的不利影響。建議該短肢配筋率加強區1.0﹪,一般部位0.8﹪。

          備注:文章來源于建筑通自媒體

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