混凝土結構設計中的常見問題及解決方法

王文東

(廣州珠江外資建筑設計院有限公司,廣東廣州 510000)

混凝土結構設計中的常見問題及解決方法

王文東

(廣州珠江外資建筑設計院有限公司,廣東廣州 510000)

本文總結了混凝土結構設計中的一些工程經驗，就結構布置、結構計算的一些問題進行了分析。本文以位于廣東省的工程設計經驗為主。

混凝土結構 設計

在工程實踐中，大部分民用建筑設計采用的都是比較常規的混凝土結構。多層房屋一般采用框架結構或帶少量剪力墻的框架結構；高層住宅采用剪力墻結構或框支剪力墻結構；A級高度的辦公樓采用框架剪力墻結構或框筒結構。本文主要總結個人在工程實踐中對這類常規結構設計中遇到的一些問題及解決方法。對于許多大跨度公共建筑，如劇院、體育場館、交通樞紐等，主要結構特征不在混凝土結構上，一般以大跨度的鋼結構為主要特征，樓層概念也往往不明顯，不在本文的討論范圍。

1 結構布置中的常見問題

框架結構布置靈活，在中小學、商業裙樓、住宅公建配套等多層結構大量采用。抗震設計不宜采用單跨框架結構，如遇到局部的大開間如風雨操場等需要布置單跨框架時，應在兩側布置剪力墻或多垮框架，以避免單跨框架的抗側剛度超過總抗側剛度的50%[1]，同時應避免一端全為單跨框架的情況。出于建筑功能的要求，往往樓板大開洞，必要時應考慮樓板斷裂后分成多個單體來復核抗震承載力。樓梯布置應避免偏置，但工程實踐中很難避免；另外樓梯對結構的影響也并沒有很合理的設計方法，工程中罕見采用滑動支座來降低樓梯對主結構的影響。在多層住宅中，為了不露柱需要，工程上較多的采用異形柱，從施工質量來看，個人建議盡可能少用異形柱，異型柱較多時在樓梯間電梯間等可能的位置增加剪力墻。

高層住宅基本上采用剪力墻結構或框支剪力墻結構。剪力墻剛度大，從體系上來說，沒有梁結構都是成立的，邊框梁目的是保證樓板的平面內抗彎能力。住宅設計時，內部梁的布置應優先滿足建筑要求，然而工程上常見剪力墻面外單挑懸臂梁來支承大跨梁，這不合理，宜做一塊大的異型板，至少板底筋貫通。兩墻之間的連梁在風載作用控制，往往為設計所忽略，連梁在抗風設計時，折減系數不應當取0.6，應按折減系數1.0來補充計算復核連梁，尤其是聯肢墻。住宅設計經常出現中部電梯間位置樓板不滿足5m的要求，優先采用把電梯間、樓梯間的剪力墻合理布置，形成結構的核心筒。水平力已經直接傳遞給核心筒，從體型上就不是規范所指的十字型，同時核心筒內壁的樓板也不存在不連續的問題。

框支剪力墻結構由于底部大空間，能為業主提供更好的活動場地而在住宅中應用的越來越多，由原來主要用在商住項目到現在普遍采用二層轉換以騰出首層高間給住戶活動。局部的車道轉換，控制剪力墻轉換面積不超過10%，可以認為是局部轉換，不屬于框支剪力墻結構。10%的剪力墻面積應當是分方向統計，可以扣除與柱重疊的面積。對于框支剪力墻結構的住宅，基本上布置合理可以做到僅2.5項超限（廣東省標準）：豎向構件不連續、凹凸不規則，扭轉I類不規則，無需進行超限審查。凹進位置的布置拉梁，應視為凹凸不規則而不是樓板不連續，中部樓梯及電梯間布置成為較完整的核心筒以使結構避免中部的樓板不連續。

電梯及樓梯間是否形成核心筒，規范并沒有給出明確的定義及指標，如承受總抗傾覆彎矩或剪力的比值，概念上剪力墻+強連梁形成筒體基本上就是一個核心筒，但往往受建筑布置的影響，往往導致某一邊斷開不能形成完整的筒體。通過加強局部樓板，讓中部的強抗側力構件能協同工作，應當也能看成是核心筒。

廣東省標準 《高層建筑混凝土結構設計規程》DBJ 15-92-2013（以下簡稱《廣東省高規》）取消了周期比限制，這是建立在有效控制扭轉位移比的前提下的。研究表明扭轉位移比更能反映結構的扭轉效應[2]。這在框筒結構體現的更為明顯，當外框架剛度不是特別強時，雙向對稱的結構很容易出現周期比不滿足高規的要求甚至第一周期是扭轉周期，但是規定水平力作用下的位移比非常小。如果核心筒稍微偏置，扭轉周期含一定的平動分量，周期比反而能滿足規范要求，這是相當荒謬的。

2 結構計算的一些經驗

超限高層需要進行時程分析，天然波的選擇相當令人困擾。從概念上，天然波應當選擇同樣頻譜特征的地震波，根據規范要求應滿足對應主要振型的周期點上相差不超過20%（滿足這要求，底部剪力也基本滿足規范要求）。然而通過譜分析計算就會發現，普通的天然波頻譜在高周期分量都遠小于規范反應譜，要滿足規范，需要到地震局購買吻合結構周期與場地的天然波。普通天然波的頻譜在長周期的分量下降的比規范反應譜快，計算得出的內力也一般比反應譜法計算的小。如果特別挑選高周期存在較大值的天然波，則計算結果在某些樓層會比規范反應譜法計算的要大。在廣東省的實際工程中，往往是采用2條PKPM（或EBABS、MIDAS等程序）自帶的天然波和一條人工波來進行計算，天然波采用放大系數以滿足規范要求，應當是地震的不確定性太大，就沒有象某些省份那樣強制要求去地震局購買與結構周期吻合的天然波。時程分析通常用于分析結果的危險破壞位置，設計上還是應當以反應譜法的計算結果為依據。相應的動力彈塑性（EPDA）的分析結果也不如彈塑性靜力分析（PUSHOVER）的結果可信。

柱的抗剪能力一般情況下取決于縱筋，應當校核PKPM連層柱的計算長度系數。只要一邊有梁（剪力墻）的情況下，面外就算無支承，程序都會按樓層有支承而取默認的計算長度。連層柱由于剛度小，剪力小，如果按照計算結果配筋，會導致在大震時別的框架出現鉸時不能有效抵抗側向力，宜補充框架梁按非連層柱計算剪力，然后按柱的實際跨度來計算柱端彎矩，當然這比較偏于安全考慮，實際上剪力彎矩可以略小一些。某些工程框支柱為三層的連層柱，由于外圍有框架梁，程序柱的計算跨度有誤，導致配筋結果不能滿足JGJ 3-2010（以下簡稱《高規》）中第10.2.17條要求。

PKPM在計算框架梁及框支梁剪力時，按《高規》6.2.5計算時，梁的計算跨度是有問題的，是按梁段的兩節點來取的，而不是按柱節點間距取。

進行超限結構計算時，應當選擇合適的性能目標。一般結構按常規設計，規范認為是能滿足C級性能目標的，不需要特別驗算。對于復雜高層及復雜結構，就應當按選定的性能目標進行計算復核。如一般情況A級高度的框支剪力墻結構性能目標是等級C，但是其中冗余度小的懸臂轉換構件應當采用等級B的性能目標。

3 結語

設計規范不可能就所有問題給出規定，規范許多要求也有其適用范圍，程序的計算結果更是應復核后采用。設計人應先進行結構概念設計，合理選擇結構形式和構件布置，使結構傳力路徑盡可能短，剛度均勻且適當。然后結合受力分析，來靈活進行結構設計。不應當迷信計算結果，也不應當把規范當教條。

[1]DBJ 15-92-2013 廣東省標準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,2013.

[2]李英民,韓軍,劉建偉.建筑抗震設計扭轉周期比控制指標研究[J].建筑結構學報,2009,30(6):77～85.