建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問(wèn)題淺析

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在實(shí)際工作中, 由于種種原因, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員容易在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、屋面梁與配筋、樓層平面剛度計(jì)算及原則、構(gòu)造箍筋等環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤。主要問(wèn)題如下:

　　1 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及處理措施

　　1.1底層框架——剪力墻砌體結(jié)構(gòu)挑梁裂縫問(wèn)題

　　底層框架剪力墻砌體結(jié)構(gòu)房屋是指底層為鋼筋混凝土框架——剪力墻結(jié)構(gòu),上部為多層砌體結(jié)構(gòu)的房屋。該類房屋多見于沿街的旅館、住宅、辦公樓,底層為商店,餐廳、郵局等空間房屋,上部為小開間的多層砌體結(jié)構(gòu)。這類建筑是解決底層需要一種比較經(jīng)濟(jì)的空間房屋的結(jié)構(gòu)形式。部分設(shè)計(jì)者為追求單一的建筑立面造型來(lái)增加使用面積,將二層以上的部分橫墻且外層挑墻移至懸挑梁上,各層設(shè)計(jì)有挑梁,但實(shí)際結(jié)構(gòu)的底層挑梁承載普遍出現(xiàn)裂縫,該類挑梁的設(shè)計(jì)與出現(xiàn)裂縫在臨街砌體結(jié)構(gòu)房屋中比較常見。

　　原因是原設(shè)計(jì)各層挑梁均按承受本層樓蓋及其墻體的荷載進(jìn)行計(jì)算。但實(shí)際結(jié)構(gòu)中,懸挑梁上部墻體均為整體砌筑,且下部墻體均兼上層挑梁的底摸,這樣挑梁上部的墻體及樓蓋的荷載實(shí)際上是由上往下傳遞。上述挑梁的設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際工程中受力及傳力路線不符是導(dǎo)致底層挑梁承載力不足并出現(xiàn)受力裂縫的主要原因,解決的辦法要么改變計(jì)算簡(jiǎn)圖及受力路線,要么注意施工順序和施工工序。

　　1.2砌體結(jié)構(gòu)布置方式及抗震分析

　　(1)橫墻承重的結(jié)構(gòu)布置:一般房屋為矩形平面,其橫向剛度遠(yuǎn)小于縱向剛度, 因此有足夠數(shù)量的橫墻,是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的主要途徑。由震害可知,墻體多為剪切破壞,因此,為了提高橫墻的抗震能力,必須提高其抗剪強(qiáng)度。主要措施是提高材料的強(qiáng)度等級(jí),增加橫墻上的軸壓力。為此,應(yīng)盡量使橫墻成為承重和隔斷合二為一的墻體。

　　(2)縱橫墻共同承重的結(jié)構(gòu)布置。當(dāng)房間較大時(shí),設(shè)有沿進(jìn)深方向的梁支承于縱墻上,使縱墻承重。樓板沿縱向擱置, 故形成橫墻承重,橫墻間距不入,一般可滿足抗震要求,同時(shí)縱墻也因軸壓力的存在而提高了抗剪能力。另一方案是縱墻承重與橫墻承重沿豎向交替布置,這種方案實(shí)際應(yīng)用不多。

　　(3)縱墻承重的結(jié)構(gòu)布置。該種布置方案,橫墻間距大、數(shù)量小,且軸壓力較小,故對(duì)抗震不利;縱墻多易引起彎曲破壞,應(yīng)慎重選用。

　　(4)混合承重結(jié)構(gòu)布置。這種布置可有多種布置方式,如內(nèi)框架砌體結(jié)構(gòu)、底層框架砌體結(jié)構(gòu)及局部框架砌體結(jié)構(gòu)等。這種結(jié)構(gòu)體系由兩種結(jié)構(gòu)材料彈性模量和動(dòng)力性能相差很大的兩種結(jié)構(gòu)體系組成,因而不是一種良好的抗震結(jié)構(gòu)形式。但因其能滿足建筑使用要求,提供較大的使用空間,且結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、方便施工,應(yīng)用較多?？傊?選擇哪種砌體結(jié)構(gòu)是抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),應(yīng)從抗震的概念設(shè)計(jì)出發(fā),綜合建筑使用功能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和施工等方面進(jìn)行選擇。

　　2 樓層平面剛度的問(wèn)題

　　一些設(shè)計(jì)在缺乏基本的結(jié)構(gòu)觀念或結(jié)構(gòu)布置缺乏必要措施時(shí),采用樓板變形的計(jì)算程序。盡管程序的編程在數(shù)學(xué)力學(xué)模型上是成立的甚至是準(zhǔn)確無(wú)誤的,但在確定樓板變形程度上卻很難做到準(zhǔn)確。作為計(jì)算的大前提都無(wú)法“準(zhǔn)確”,就不可能指望其結(jié)果會(huì)“正確”了。據(jù)此進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)肯定存在著結(jié)構(gòu)不安全成分或者結(jié)構(gòu)某些部位或構(gòu)件安全儲(chǔ)備過(guò)大等現(xiàn)象。為了使程序的計(jì)算結(jié)果基本上反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀況而不致于出現(xiàn)根本性的誤差,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能將樓層設(shè)計(jì)成剛性樓面。要做到這一點(diǎn),首先應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)甚至方案階段就避免采用樓面有變形的平面比如樓層大開洞、外伸翼塊太長(zhǎng)、塊體之間成“縮頸”連接、凹槽缺口太深等。其次要從結(jié)構(gòu)布置和配筋構(gòu)造上給予保證, 對(duì)于使用功能確實(shí)必需的,或者建筑效果十分優(yōu)越的建筑設(shè)計(jì),如果其平面無(wú)法完全符合剛性樓板的假定,那么在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)增設(shè)連系梁板、洞口邊加設(shè)暗梁邊梁、提高連系梁板或暗梁邊梁的配筋量、采用斜向配筋或雙層配筋形式等方法,盡量滿足剛性樓板的基本假設(shè),或者彌補(bǔ)由于不是絕對(duì)的剛性樓板假定而產(chǎn)生的計(jì)算“誤差”。

　　3 屋面梁與配筋的問(wèn)題

　　(1)屋面梁配筋太少。結(jié)構(gòu)建模時(shí), 設(shè)計(jì)人員圖方便,屋面梁直接拷貝下層梁的尺寸。由于屋面梁荷載較小,計(jì)算結(jié)果配筋不多,這樣屋面梁在溫度變化、混凝土收縮和受力等作用下因配筋率過(guò)低而裂縫寬度較大。

　　(2)受扭屋面梁缺少必要的腰筋。對(duì)于一般的梁,為了保持鑰筋骨架的剛度, 同時(shí)為了承受溫度和收縮應(yīng)力及防止梁腹出現(xiàn)過(guò)大的裂縫,一般構(gòu)造措施為梁腹板高度大于450mm時(shí)加設(shè)腰筋,其間距≤200mm,然后拉筋勾連。對(duì)于受扭構(gòu)件,《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)第10.2.5條第二款規(guī)定,其縱向受力鋼筋的間距不應(yīng)大于200MM和梁截面短邊長(zhǎng)度。對(duì)于設(shè)置懸挑檐口的屋面梁,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中誤等同一般梁,未按受扭構(gòu)件設(shè)計(jì)配筋。

　　基于以上問(wèn)題,怎樣對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算中幾個(gè)重要參數(shù)的合理選取是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的,筆者從以下三個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明:

　　a振型數(shù)的取值

　　振型數(shù)取多少關(guān)系到結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的精度。對(duì)于平面不規(guī)則、剛度不均勻的復(fù)雜結(jié)構(gòu),尤其對(duì)于多塔結(jié)構(gòu)、大底盤結(jié)構(gòu),在考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時(shí),很難確定應(yīng)該取多少個(gè)振型來(lái)計(jì)算地震作用。若振型數(shù)取少了,有些高振型的地震作用計(jì)算不出來(lái),結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不安全;若振型數(shù)取得太多,又增加很多計(jì)算工作量。一般應(yīng)遵循以下原則:當(dāng)不考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時(shí),至少應(yīng)取3;當(dāng)振型數(shù)多于3時(shí),宜取3的倍數(shù),但不應(yīng)多于房屋的層數(shù);如層數(shù)≤2時(shí),振型數(shù)可取2或1,如層數(shù)=5層時(shí),振型數(shù)可取3,而不能是6;對(duì)于不規(guī)則的結(jié)構(gòu),當(dāng)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí),振型數(shù)應(yīng)取≥9,結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)剛度突變較大,振型數(shù)應(yīng)多取,但又不能多于房屋層數(shù)的3倍。

　　b周期折減系數(shù)

　　框架結(jié)構(gòu)由于填充墻的存在,使結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度,計(jì)算周期大于實(shí)際周期。因此算出的地震剪力偏小,使結(jié)構(gòu)偏于不安全,所以對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算周期進(jìn)行折減是必要的。但對(duì)框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算周期不折減或折減系數(shù)取得過(guò)大都是不妥當(dāng)?shù)?。?duì)于砌體填充墻,周期折減可取 0.6～0.7;砌體填充墻較少或采用輕質(zhì)砌塊時(shí),可取0.7～0.8;完全采用輕質(zhì)墻體板材時(shí),可取0.9;只有無(wú)墻的純框架,計(jì)算周期才可以不折減。周期折減系數(shù)不改變結(jié)構(gòu)的自振特性,只改變地震影響系數(shù)。

　　c梁跨中正彎矩放大系數(shù)

　　此系數(shù)主要是對(duì)那些樓面活荷載較大的多層建筑設(shè)置的,不能泛用。當(dāng)梁上不計(jì)算活荷載或不考慮活荷載的不利布置時(shí),一般取放大系數(shù)1.2,以彌補(bǔ)梁跨中彎矩偏小之不足;當(dāng)多層建筑推導(dǎo)荷載時(shí),將永久荷載與樓面活荷載分開計(jì)算,并作活荷載不利布置,此時(shí)系數(shù)應(yīng)取1.0,不再放大。一般計(jì)算高層建筑時(shí),為了計(jì)算簡(jiǎn)化起見,永久荷載與樓面活荷載不分開計(jì)算,也不作活荷載不利布置,此時(shí)梁跨中正彎矩放大系數(shù)應(yīng)取1.2。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們對(duì)建筑物功能要求改變,又隨著科技的進(jìn)步而得以實(shí)現(xiàn)和解決。以上所提到的幾個(gè)問(wèn)題是設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)中較易出差的地方,對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)要把提高設(shè)計(jì)質(zhì)量作為終身奮斗的目標(biāo),為祖國(guó)貢獻(xiàn)自己的力量。