建筑結構設計的常見問題淺析

張曉萍

（秦皇島維拓建筑設計有限公司，河北 秦皇島066000）

在實際工作中,由于種種原因,結構設計人員容易在砌體結構設計、屋面梁與配筋、樓層平面剛度計算及原則、構造箍筋等環節出現失誤。主要問題如下:

1 砌體結構設計中存在的問題及處理措施

1.1 底層框架——剪力墻砌體結構挑梁裂縫問題

底層框架剪力墻砌體結構房屋是指底層為鋼筋混凝土框架——剪力墻結構,上部為多層砌體結構的房屋。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構。這類建筑是解決底層需要一種比較經濟的空間房屋的結構形式。部分設計者為追求單一的建筑立面造型來增加使用面積,將二層以上的部分橫墻且外層挑墻移至懸挑梁上,各層設計有挑梁,但實際結構的底層挑梁承載普遍出現裂縫,該類挑梁的設計與出現裂縫在臨街砌體結構房屋中比較常見。

原因是原設計各層挑梁均按承受本層樓蓋及其墻體的荷載進行計算。但實際結構中,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際上是由上往下傳遞。上述挑梁的設計計算與實際工程中受力及傳力路線不符是導致底層挑梁承載力不足并出現受力裂縫的主要原因,解決的辦法要么改變計算簡圖及受力路線,要么注意施工順序和施工工序。

1.2 砌體結構布置方式及抗震分析

1.2.1 橫墻承重的結構布置:一般房屋為矩形平面,其橫向剛度遠小于縱向剛度,因此有足夠數量的橫墻,是提高結構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,必須提高其抗剪強度。主要措施是提高材料的強度等級,增加橫墻上的軸壓力。為此,應盡量使橫墻成為承重和隔斷合二為一的墻體。

1.2.2 縱橫墻共同承重的結構布置。當房間較大時,設有沿進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,這種方案實際應用不多。

1.2.3 縱墻承重的結構布置。該種布置方案,橫墻間距大、數量小,且軸壓力較小,故對抗震不利;縱墻多易引起彎曲破壞,應慎重選用。

1.2.4 混合承重結構布置。這種布置可有多種布置方式,如內框架砌體結構、底層框架砌體結構及局部框架砌體結構等。這種結構體系由兩種結構材料彈性模量和動力性能相差很大的兩種結構體系組成,因而不是一種良好的抗震結構形式。但因其能滿足建筑使用要求,提供較大的使用空間,且結構經濟、方便施工,應用較多。總之,選擇哪種砌體結構是抗震結構設計中的關鍵環節,應從抗震的概念設計出發,綜合建筑使用功能、技術、經濟和施工等方面進行選擇。

2 樓層平面剛度的問題

一些設計在缺乏基本的結構觀念或結構布置缺乏必要措施時,采用樓板變形的計算程序。盡管程序的編程在數學力學模型上是成立的甚至是準確無誤的,但在確定樓板變形程度上卻很難做到準確。作為計算的大前提都無法“準確”,就不可能指望其結果會“正確”了。據此進行的結構設計肯定存在著結構不安全成分或者結構某些部位或構件安全儲備過大等現象。為了使程序的計算結果基本上反映結構的真實受力狀況而不致于出現根本性的誤差,設計時應盡可能將樓層設計成剛性樓面。要做到這一點,首先應在建筑設計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、塊體之間成“縮頸”連接、凹槽缺口太深等。其次要從結構布置和配筋構造上給予保證,對于使用功能確實必需的,或者建筑效果十分優越的建筑設計,如果其平面無法完全符合剛性樓板的假定,那么在結構設計時可以通過增設連系梁板、洞口邊加設暗梁邊梁、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,或者彌補由于不是絕對的剛性樓板假定而產生的計算“誤差”。

3 屋面梁與配筋的問題

3.1 屋面梁配筋太少。結構建模時,設計人員圖方便,屋面梁直接拷貝下層梁的尺寸。由于屋面梁荷載較小,計算結果配筋不多,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低而裂縫寬度較大。

3.2 受扭屋面梁缺少必要的腰筋。對于一般的梁,為了保持鑰筋骨架的剛度,同時為了承受溫度和收縮應力及防止梁腹出現過大的裂縫,一般構造措施為梁腹板高度大于450mm時加設腰筋,其間距≤200mm,然后拉筋勾連。對于受扭構件,《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)第10.2.5條第二款規定,其縱向受力鋼筋的間距不應大于200MM和梁截面短邊長度。對于設置懸挑檐口的屋面梁,在結構設計中誤等同一般梁,未按受扭構件設計配筋。

基于以上問題,怎樣對結構計算中幾個重要參數的合理選取是建筑結構設計中應該重點考慮的,筆者從以下三個方面進行說明:

a 振型數的取值

振型數取多少關系到結構計算結果的精度。對于平面不規則、剛度不均勻的復雜結構,尤其對于多塔結構、大底盤結構,在考慮扭轉耦聯計算時,很難確定應該取多少個振型來計算地震作用。若振型數取少了,有些高振型的地震作用計算不出來,結構抗震設計不安全;若振型數取得太多,又增加很多計算工作量。一般應遵循以下原則:當不考慮扭轉耦聯計算時,至少應取3;當振型數多于3時,宜取3的倍數,但不應多于房屋的層數;如層數≤2時,振型數可取2或1,如層數=5層時,振型數可取3,而不能是6;對于不規則的結構,當考慮扭轉耦聯時,振型數應取≥9,結構層數較多或結構剛度突變較大,振型數應多取,但又不能多于房屋層數的3倍。

b 周期折減系數

框架結構由于填充墻的存在,使結構的實際剛度大于計算剛度,計算周期大于實際周期。因此算出的地震剪力偏小,使結構偏于不安全,所以對結構的計算周期進行折減是必要的。但對框架結構的計算周期不折減或折減系數取得過大都是不妥當的。對于砌體填充墻,周期折減可取0.6～0.7;砌體填充墻較少或采用輕質砌塊時,可取0.7～0.8;完全采用輕質墻體板材時,可取0.9;只有無墻的純框架,計算周期才可以不折減。周期折減系數不改變結構的自振特性,只改變地震影響系數。

c 梁跨中正彎矩放大系數

此系數主要是對那些樓面活荷載較大的多層建筑設置的,不能泛用。當梁上不計算活荷載或不考慮活荷載的不利布置時,一般取放大系數1.2,以彌補梁跨中彎矩偏小之不足;當多層建筑推導荷載時,將永久荷載與樓面活荷載分開計算,并作活荷載不利布置,此時系數應取1.0,不再放大。一般計算高層建筑時,為了計算簡化起見,永久荷載與樓面活荷載不分開計算,也不作活荷載不利布置,此時梁跨中正彎矩放大系數應取1.2。

結語

砌體結構設計是隨著經濟發展及人們對建筑物功能要求改變,又隨著科技的進步而得以實現和解決。以上所提到的幾個問題是設計人員在工程設計中較易出差的地方,對設計者來說要把提高設計質量作為終身奮斗的目標。

[1]謝偉.關于建筑結構設計過程的探討.山東棗莊城鄉規劃設計研究院.【期刊】中國住宅設施，2010-11-01.