土木工程專業畢業設計中結構問題探討

摘要：文章通過土木工程專業畢業設計的教學實踐，從結構布置、樓板計算、樓梯計算等3個方面，分析了多層鋼筋混凝土框架結構類畢業設計計算過程中存在的結構問題，并指出了正確的做法及其理論依據，旨在增強學生結構知識。

關鍵詞：土木工程；畢業設計；框架結構；結構知識

中圖分類號：TU4；G642.477 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）01-0122-04

土木工程專業畢業設計是實現培養目標的重要教學環節，是教育與生產勞動和社會實踐相結合的重要體現。廣西工學院土木工程專業建筑工程方向采用較多的畢業設計題目類型有：5周建筑設計與7周結構設計搭配，9周結構設計與3周施工設計搭配，7周結構設計與5周標書設計搭配。這3種題目類型中均包含有7周或7周以上的結構設計，結構設計部分通常為多層框架結構設計。結構設計的內容主要有結構布置、樓板設計、樓梯設計、一榀框架設計、基礎設計及施工圖繪制。結構設計的內容較多，存在的問題也較多，筆者在文章中將結合自己多年指導畢業設計的經驗，探討了結構布置、樓板設計、樓梯設計中存在的主要問題。

一、結構布置問題

框架結構是由梁、柱及節點構成，對其進行結構布置需考慮平面布置及豎向布置。學生畢業設計時通常采用不太復雜的建筑剖面，可只考慮結構平面布置，即在已確定的建筑平、立、剖面圖和結構型式的基礎上確定柱網尺寸和承重框架、初估構件截面尺寸及設置變形縫。在畢業設計初期，由于學生無設計經驗，結構整體力學性能概念不甚清晰，較難做出合理的結構布置。其突出問題主要表現在如下幾個方面。

（一）柱網尺寸問題

柱網尺寸盲目與建筑一致，未能考慮施工方便及受力合理的要求。柱的位置通常在建筑設計時已由建筑師初步確定，但在進行結構布置時應認真考慮其合理性。

柱網尺寸確定時，未能考慮受力合理的要求。多層框架主要承受豎向荷載，因此布置柱網時，應考慮結構在豎向荷載作用下內力分布是否均勻合理，各材料強度均能否充分利用[1]。如圖1的框架A及框架B，均為三跨，但圖1（a）框架A的框架梁跨中彎矩、支座最大負彎矩及柱端彎矩均明顯比圖1（b）的框架B大。后者受力較為均勻，各構件材料強度更能得到充分利用，材料用量也較少， 其結構技術經濟指標要好。

縱向柱距不能盲目與建筑一致。通常，框架縱向柱距一般取建筑開間，但當開間較小、層數較少時，柱截面設計時常按構造配筋，材料強度不能充分利用；另外，過小的柱距也使建筑平面難以靈活布置，為此可考慮柱距為兩個開間，柱距為6～9 m為宜。

（二）承重框架選擇問題

學生在結構布置時，基本上千篇一律采用橫向承重框架。通常房屋橫向剛度比縱向剛度弱，采用橫向承重框架可以改善橫向與縱向剛度相差較大的缺點，縱向聯系梁高度較小，因而可將窗戶尺寸設計得大些，室內采光通風較好，多層框架結構常采用這種承重方案。但對地質條件不好，結構整體性要求較高、或承受的水平荷載較大、或樓面開有較大開洞口、或當柱網布置為正方形或接近正方形時，應設計成雙向承重框架[2]。中國《建筑抗震設計規范》5.1.1條規定：一般情況下，應至少在建筑結構的兩個主軸方向分別計算水平地震作用，各方向的水平地震作用應由該方向抗側力構件承擔[3]。因此，要求計算抗震的結構也宜設計成雙向承重框架。

（三）次梁布置問題

其一，采用橫向承重框架，其次梁沿縱、橫向布置沒有差別。當采用橫向承重框架，由于橫向框架梁截面尺寸較大，縱向聯系梁截面尺寸較小，因此應使主要豎向荷載通過橫向框架梁傳遞給柱，這時一級次梁的布置方向應沿縱向。

其二，為節省材料用量，盡量不布置次梁。布置次梁時，梁的混凝土及鋼筋用量將增加，但由此減小了樓板的計算跨度，樓板的混凝土及鋼筋用量將有效的減少。通常現澆樓板的厚度h=100～120 mm，而不做剛度驗算的最小板厚為h=（1/30～1/40） l0，因而樓板跨度常取為3.0～4.8 m，此時樓板配筋不會很大，也不致于由構造配筋控制。

其三，主梁一跨內次梁的根數為1根或2根沒有差別。在主梁上內布置次梁，若為1根時，如圖2（a）梁A所示，彎矩圖為三角形，材料強度只有在跨中點才能得到充分利用；而若為2根時，如圖2（b）梁B所示，彎矩圖近似為梯形，材料強度在兩根次梁之間均能得到充分利用。且在同樣荷載總量的情況下，彎矩值還能有效降低，跨中彎矩降低51.5%，支座彎矩降低9.5%，既節省材料用量，又使材料得到充分利用。

（四）截面尺寸初估問題

首先，采用截面較寬的框架梁，如350 mm×600 mm、400 mm×700 mm的框架梁。此時應考慮框架梁的高寬比（h/b）一般為2.0～3.5，且框架梁的受彎承載力僅與截面寬度的1次方成比例，但與截面有效高度的平方成比例，增大截面高度比增大截面寬度對受彎承載力的貢獻要大得多。

其次，確定框架梁、柱截面尺寸時，未能考慮梁、柱線剛度比的限值。當梁、柱的線剛度比相差比較大（ib/ic﹥5）時，框架梁應按鉸支于鋼筋混凝土柱上的連續梁計算；當梁、柱的線剛度比相差比較小（ib/ic≤5）時，框架梁與框架柱共同形成框架按框架結構計算；況且內力計算時，梁端、柱端的彎矩按線剛度分配，線剛度比值（ib/ic）大，將導致梁端分配到的彎矩值過大，也不符合建筑抗震設計原則之“強柱弱梁”的要求。

再次，確定門窗上梁的截面高度時，盲目按跨高比估算，未能考慮與建筑圖的協調。估算梁的截面高度時通常區別主、次梁分別按其跨高比進行估算。但在估算門窗上梁的截面高度時，應注意梁底標高不應低于窗頂標高。當梁下墻的高度小于300 mm時，可直接把梁的高度加大，以避免另做門窗過梁。

然后，梁的截面寬度盲目按高寬比估算，造成施工不便。梁的截面寬度應按高寬比（h/b）進行估算，但同一條軸線上的梁截面寬度不宜變化，以免施工時支模不方便。

最后，確定主、次梁截面高度時，未能認真考慮支承的問題。在考慮主、次梁及一、二級次梁截面高度時，應認真考慮其支承的問題。次梁（或二級次梁）支承于主梁（或一級次梁）上，截面高度不應高于后者，以免被支承梁的梁底標高低于支承梁的梁底標高。由于畢業設計多要求人工導荷，當房間內設有十字形交叉梁時，為荷載傳遞路線清晰，支承梁的截面高度應至少高于被支承梁的截面高度50 mm。

（五）結構平面布置圖表達問題

結構平面布置圖的圖名錯誤。學生上交的結構布置圖的圖名往往是從一層開始，即“一層結構平面布置圖”“二層結構平面布置圖”等。對于沒有地下室的建筑，第一層的結構布置主要依據建筑圖的第二層進行，因此圖名應改為“二層結構平面布置圖”“三層結構平面布置圖”等。但最上一層結構布置的圖名，宜采用“頂層結構平面布置圖”或“屋面結構平面布置圖”，以免給人一種N層樓的建筑物其結構圖卻有N+1層的錯覺。當然，圖名也可采用標高的形式，如底層層高為4.2 m的建筑，考慮建筑裝飾層的厚度為30 mm，第二層的結構布置圖可用“4.170 m結構平面布置圖”表示，以此類推。

未能區分建筑標高及結構標高。大多數學生沒有建筑標高與結構標高的概念，上交的結構平面布置圖也基本上采用建筑圖上的標高。建筑標高是指建筑物裝飾裝修層完成后的標高；結構標高是指裝飾裝修層完成前的標高。中國《建筑結構制圖標準》2.0.10條規定：在結構平面圖中，構件應采用輪廓線表示，定位軸線應與建筑平面圖或總平面圖一致，并標注結構標高[4]。因此結構平面布置圖上應采用結構標高而非建筑標高。

未能區分與建筑平面圖尺寸標注的差異。建筑平面上的尺寸有外部和內部尺寸之分：外部尺寸通常有外輪廓的總尺寸、軸線間的距離、各細部的位置及大小等三道尺寸；內部尺寸表示房間凈空大小和室內的門窗洞、孔洞、墻厚和固定設施的大小與位置。結構平面布置圖上的尺寸主要有：與建筑圖一致的軸線尺寸，墻、梁、柱等構件的定位尺寸，次梁的定位尺寸，墻、梁、柱等構件的定形尺寸可采用平面整體表示法表示。

二、樓板設計問題

樓板計算問題雖然在相關課程設計中已接觸過，但是學生仍然存在對部分細節考慮不周及概念不清的問題。

（一）對活荷載折算目的理解不透

樓板計算時對活荷載進行折算的主要目的是減小所取計算簡圖與實際結構的差異。支承于梁上的多跨連續板選取計算簡圖時，通常把中間支座視為鉸支座，即梁對板的轉動無約束作用。而整體式梁板結構中，板、梁是整體澆筑在一起的，梁對板有一定的約束作用。采用計算簡圖時，在滿布的恒荷載作用下，中間支座轉動很小，與實際結構基本相符；但在隔跨布置的活荷載作用下，實際結構由于梁的抗扭剛度約束了板在支座處的轉動，使實際結構的轉角小于計算簡圖中的轉角。計算時通常采用增大恒荷載值，減小活荷載值的方法來解決上述約束作用引起的誤差。

（二）對彈、塑性計算理論概念不明確

不論是單向板還是雙向板，其內力計算的理論均有彈性理論和塑性理論。按彈性理論計算，結構的某一個截面達到承載能力極限狀態，即認為整個結構達到承載能力極限狀態；而按塑性理論計算，結構的某一個截面達到承載能力極限狀態，將出現一個塑性鉸，超靜定結構將減少一次超靜定，結構還能繼續承受荷載，只有當結構出現若干個塑性鉸，使結構局部或整體成為幾何可變體系時，才認為結構達到承載能力極限狀態。按彈、塑性理論計算時，還應區分其計算跨度。

（三）對荷載組合考慮不周全

樓板上的荷載有恒荷載及活荷載，學生做設計時通常僅考慮將恒荷載標準值和活荷載標準值作為樓板荷載組合設計值。但根據《建筑結構荷載規范》3.2.3條：基本組合設計值應考慮由可變荷載效應控制的組合及由永久荷載效應控制的組合[5]。當活荷載標準值不大于4 kN/m2時，永久荷載分項系數分別取1.2、1.35，活荷載分項系數取1.4，組合系數除書庫、檔案庫、儲藏室、密集柜書庫、通風機房及電梯機房外取0.7。當恒荷載標準值與活荷載標準值大于或等于2.8（即gk/qk≥2.8）時，由永久荷載效應控制的組合值要大于或等于由可變荷載效應控制的組合，此時應考慮恒載起控制作用的荷載組合情況。

三、樓梯設計問題

常用樓梯的結構型式是現澆板式樓梯和現澆梁式樓梯。樓梯雖然與日常生活息息相關，但在計算時仍要注意幾個問題。

（一）結構選型時要考慮經濟性

由于板式樓梯下表面平整，施工支模較方便，外觀較輕巧，因而受到廣泛使用，但樓梯結構選型時應考慮經濟性能。板式樓梯斜板厚度常為h=100～120 mm，而厚度估算公式為h=（1/30～1/25） ln（ln為梯段板水平投影長度），因而當ln﹥3.0～3.6 m時不宜再使用板式樓梯，此時混凝土及鋼筋用量較多。

（二）半層高平臺梁的支承要考慮周全

學生在做畢業設計時，常使用樓梯間兩側的墻體來支承半層高的平臺梁。但框架結構與砌體結構是兩種截然不同的結構體系，其抗側剛度、變形能力等相差很大，將這兩種結構在同一建筑物中混合使用，對建筑物的抗震能力產生不利的影響。中國《高層建筑混凝土結構技術規程》6.1.6條（強條）：框架結構按抗震設計時，不應采用部分由砌體墻承重之混合形式；框架結構中的樓、電梯間及局部出屋頂的電梯機房、樓梯間、水箱間等，應采用框架承重，不應采用砌體墻承重[6]。為此，對需考慮抗震的結構，其樓梯間半層高平臺梁的支承不應采用兩側砌體墻來支承，而應考慮以梁上柱來支承。

（三）梯段斜板支座負筋的選配

通常為簡化計算均將梯段斜板和平臺板分開計算，但實際上梯段斜板和平臺梁、板為一個整體結構，梯段斜板、平臺板是一個多跨連續板，因此在構造上需考慮它們之間的整體作用，以降低簡化計算所帶來的誤差。因此在斜板兩端ln/4范圍內應按構造設置承受負彎矩作用的鋼筋，其數量可取跨中截面配筋的50%，在平臺梁處板鋼筋的錨固長度不應小于30d。

四、結語

結構問題是土木工程專業學生在畢業設計中經常碰到的問題，主要是學生結構概念設計知識貧乏。在指導畢業設計時一定要注意自始自終將結構概念設計思想灌輸至學生的設計過程中，以便學生在走向工作崗位之前充分利用畢業設計進行理論應用于實踐的最后一次預演，達到學會分析結構問題，盡快熟悉規范，培養良好的工程習慣。

參考文獻：

[1]程文瀼，顏德姮，王鐵成.混凝土結構（中冊）混凝土結構與砌體結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2008：175-176.

[2] 沈蒲生，梁興文.混凝土結構設計[M].北京：高等教育出版社，2007：183-184.

[3] 中國建筑科學研究院.GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4] 中國建筑標準設計研究所. GB/T 50105-2010 建筑結構制圖標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5] 中國建筑科學研究院. GB 50009-2001 建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[6] 中國建筑科學研究院. JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

Structural issues in civil engineering graduation design

LUO Zhen， GE Xin-guang

（Department of Civil Engineering Architecture， Guangxi University of Technology， Liuzhou 545006， P. R. China）

Abstract：Based on our teaching practice in graduation design of civil engineering， we analyzed frequent issues of structural calculation in reinforced concrete frame structure of graduation design from three aspects including the structure arrangement， floor design and stair design， and pointed out correct practice methods and theoretical basis to enhance students’ structure knowledge.

Keywords：civil engineering； graduation design； frame structure； structure knowledge

（編輯 詹燕平）