重视概念设计，掌握基本原则，合理应用软件

孟祥斌

陕西省西安市华陆工程科技有限责任公司，陕西西安 710065

重视概念设计，掌握基本原则，合理应用软件

孟祥斌

陕西省西安市华陆工程科技有限责任公司，陕西西安 710065

正确认识PKPM结构设计、计算软件的作用，要重视概念设计、结构设计的基本原则，设计工作的前提条件、工程项目结构设计总结。

PKPM结构专业软件；概念设计；强制性条文

通过山东富潍薄膜BOPET工程（局部）和贵州宏福AHF工程（2个栈桥转运站部分）具体项目工程的设计，基本掌握PKPM结构专业软件的运用和了解结构专业和其它专业之间的配合关系，总结如下：

1 正确认识PKPM结构设计、计算软件的作用，要重视概念设计

随着计算机技术和计算方法的发展，计算机及其结构程序在结构工程中得到大量地应用，结果容易给我们部分结构工程师造成一种错觉，觉得结构设计很简单，只需遵循规范、手册、图集，等待建筑师给出一个空间形成的方案即可。事实上，建筑物是一个空间结构，各种构件以相当复杂的方式共同工作，且都并非是脱离总的结构体系的单独构件。这就要求结构工程师对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识，把概念设计应用到实际工作中去。所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。其实现在的设计或计算软件远未达真正意义上的智能化，它只是一个设计制图和计算工具，能节约过去依赖手算过程所需大量时间的智能工具而已，因为无论输入的结构体系和结构布置不管是什么样的（有时甚至包括违反规范规定的），也不管电算总信息是否正确，它都能计算，判断正确与否主要还是要靠人的大脑。如果盲目信赖计算机，而不重视概念设计，这样是不可能作出合格的结构设计的，古人云“尽信书则不如无书”就是这个道理。如4.0m的213A转运站有根角柱就是运用概念设计进行判断，因其承担两端呈90°栈桥荷载作用而且垂直和水平荷载都较大、作用点较近，配筋应该较其它三根柱为最大的。

2 正确认识结构设计的基本原则：符合规范、安全可靠、合理经济、施工方便

结构设计（含结构体系、结构布置、地基基础方案、荷载取值、结构计算、电算总信息、钢筋混凝土构造等）主要还是靠设计人员对各种设计规范、外部技术条件（含工艺、设备要求等）、PKPM结构专业软件工具（各模块的用户手册和技术条件）的熟悉理解运用的具体、客观的分析理解过程。

1）结构体系、结构布置、荷载、强度、刚度、构造、计算等，均应符合规范要求（规范用词为“宜”、“可”的，也应尽可能执行），不能只要求不违反规范的强制性条文。

2）要安全可靠，但不要太浪费设计保守，要合理经济，在正常施工条件下，按我国现行规范设计是能够保证工程安全的。

3）要方便施工：如砼强度等级、钢筋规格、等级不要太多，同一构件内配筋不要太复杂（钢筋直径及根数不要有太多种）。

4）设计要考虑施工质量等因素，如施工管理技术人员及民工素质；建筑市场环境如压价竞争、行贿送礼、偷工减料、伪劣建材、垂直度偏差、混凝土保护层厚度偏差等等，施工的结果与设计的理论条件是有较大差距的，作为设计人员切不要太过理想化，既便是PKPM软件本身已按新规范在结构内部数据处理过程中已有考虑，但我们还是在进行设计过程中，在一些容易施工出现偏差的结构部位适当进行“安全储备”。

3 正确认识做好设计工作的前提条件

1）“三基”：基本知识、基本理论、基本技能。力的概念、传力途径、基本计算公式等应掌握。

2）熟悉规范，并应正确理解规范的含义及意图。规范也有不少不妥不明之处，规范之间也有矛盾，对规范就高不就低，按“大规范”不按“小规范”。

3）结构方案应是集体智慧的结晶，要从实际出发，及时交流、借鉴、积累，要讨论、集思广益，勇于创新和实践。刚开始拿捏不准转运站主体是按钢结构还是钢砼结构，因为从建筑图条件上看有不少截面表示为工字钢，而且还要考虑后期钢滤煤储仓的吊装，但我考虑到钢结构耐久性、抗震（振）性较钢砼框架结构较差、在反复荷载作用下容易疲劳破坏的特点以及各层楼板还要有设备基础的安装等因素，确定采用钢砼，局部采用工字钢梁便于设备安装拆卸。借鉴以往经验，我在一层采用可拆卸的钢平台（角钢加劲肋上铺花纹钢板），这样就解决了土建先期完工然后进行滤煤储仓吊装及后期使用更换的一个设计上难点；无论是工艺、设备还是建筑、结构等专业一定要协调配合好，处处留心皆学问、“它山之石攻玉”就是这个道理，结构设计前一定要把上游的工艺、设备、建筑等所提条件条件看清楚否则会作许多无用功，同时也应要求上游的条件尽量准确、完善。

4）工作责任心、一丝不苟的工作态度、精益求精、对自己的设计负责。虽然这两个转运站看起来似乎不起眼，但“麻雀虽小，五脏俱全”，也有它的特点和难点：除了室内楼板有较多设备和预埋件需考虑其荷载等受力加小梁、有大小多处开洞，室外的钢楼梯和悬挑（梁）板等。大到模型检查、计算结果分析，小到图名、线条、标注、字体要求等，不断修改完善结构施工图纸，严格遵守国家相关制图标准规定和要求。

5）自我保护意识和对建筑（结构）工程设计是高风险行业应有充分的认识。不能听任其它专业或业主的无理要求，进行违规设计。结构设计担负房屋安全的大部责任；终生责任制；全额索赔；严重的负刑事责任。但不少设计人员对此并没有真正认识：施工质量出问题，往往牵连设计、勘察单位，而中国目前规范安全度远低于发达国家，结构专业需学习、掌握的知识太多，中国有关结构设计及施工验收的规范（规程）多达数百本，既细又不细，熟悉不容易，互相矛盾的也不少，对规范理解各人不同，执行起来千差万别，我们应正确对待：不害怕，精心设计。不应该把规范当成束缚我们的条条框框，而应通过深入学习理解使之成为我们的“武器”和“尚方宝剑”。

4 设计过程中总结和参考的一些经验

1）柱、梁截面定义应合理：由位移、轴压比、配筋率等控制，梁大跨取大截面，小跨取小截面，连续跨梁截面宽度宜相同、梁的宽高比合适，转运站的刚开始梁宽暂定为250mm，毕竟框架梁计算跨度不大：一个是4.3m；另一个是4m，按计算跨度的1/8～1/12取框架梁截面高度，按梁截面的高宽比也在范围之内，但建模计算后按配筋率要求梁高会取到950mm，梁的宽高比已超过1：3，极为不妥，通过定义调整梁截面并重新验算后改为300mm×800mm。梁的配筋率刚开始按不超过纵向受拉最大配筋率2.5%的强制性要求但取值有些偏大，这样往往因截面小配筋较密可能施工过程中振捣棒伸不进去从而无法保证振捣密实很容易出现蜂窝麻面裂缝等，通过适当加大梁断面配筋率取值在0.35%～1.5%，针对抗震框架梁还要求梁下部钢筋与上部钢筋的比不小于0.3（合理的钢砼结构含钢筋量：梁0.35%～1.5%，墙0.35%～0.5%，柱0.5%～1.5%，板：0.35%～0.6%）。

2）混凝土强度等级：钢筋混凝土结构的强度等级不应低于C15；当采用HRB335、 HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，其等级不得低于C20；预应力混凝土结构不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时等级不宜低于C40；板不宜高于C40（高规4.5.2条规定）；《钢筋混凝土结构裂缝控制指南》中也建议“楼板、屋面板采用普通混凝土时，其强度等级不宜大于C30，基础底板、地下室外墙不宜大于C35”，其原因是为了控制水泥用量，混凝土强度等级越高，水泥用量越多就越容易开裂。

3）柱设计

（1）混凝土设计规范10.3.1条1款：纵筋配筋率不宜大于5%（非抗震设计值，抗震设计时为4%，搭接区域5%，实际中框架结

构柱一般按3%控制），10.3.2条4款：纵筋配筋率大于3%时对

箍筋直径、间距、弯钩有要求，也可焊成封闭环式；11.1.13条：抗震设计时不应大于5%；高规6.4.4条3款：不宜大于5%、不应大于6%，抗震设计时不应大于5%，6.4.9条4款同混凝土规范10.3.2条4款，但未要求箍筋可焊成封闭环式。

（2）纵筋净间距应≥50mm（混凝土设计规范10.3.1条3款），抗震设计时，截面尺寸大于400mm的柱，纵筋间距不宜大于200mm。

（3）一个截面宜一种直径，宜对称配筋，方便施工，钢筋直径不宜上大下小。

（4）强柱弱梁，纵筋不要太小，最好Ф20以上。

（5）箍筋肢距：一级抗震等级不宜大于200mm及20d（d为箍筋直径）的较大值，二、三级抗震等级不宜大于250mm及20d的较大值，四级抗震等级不宜大于300mm。

4）梁设计

（1）梁上有次梁处（包括挑梁端部）应附加箍筋和吊筋，宜优先采用附加箍筋。，有次梁处两侧各加三根主梁箍筋。

（2）当外部梁跨度相差不大时，梁高宜等高，尤其是外部的框架梁。当梁底距外窗顶尺寸较小时，宜加大梁高做至窗顶。外部框架梁尽量做成外皮与柱外皮齐平。梁也可偏出柱边一较小尺寸。梁与柱的偏心可大于1/4柱宽，并宜小于1/3柱宽。

（3）折梁阴角在下时纵筋应断开，并锚入受压区内La，还应加附加箍筋。

（4）梁上有次梁时，应避免次梁搭接在主梁的支座附近，否则应考虑由次梁引起的主梁抗扭，或增加构造抗扭纵筋和箍筋。

（5）梁纵筋宜小直径、小间距，有利于抗裂，但应注意钢筋间距要满足构造要求并与梁的断面相应。箍筋按规定在梁端头加密。布筋时应将纵筋等距，箍筋肢距可不等。小断面的连续梁或框架梁其上、下部纵筋均应采用同直径的，尽量不在支座搭接。

（6）端部与框架梁相交或弹性支承在墙体上的次梁，梁端支座可按简支考虑，但梁端箍筋应加密。

（7）考虑抗扭的梁，纵筋间距不应大于300和梁宽，即要求加腰筋，并且纵筋和腰筋锚入支座内La。箍筋要求同抗震设防时的要求。

（8）反梁的板吊在梁底下，板荷载宜由箍筋承受，或适当增大箍筋。梁支承偏心布置的墙时宜做下挑沿。

（9）挑梁宜作成等截面（大挑梁外露者除外）：与挑板不同，挑梁的自重占总荷载的比例很小，作成变截面不能有效减轻自重；变截面挑梁的箍筋，每个都不一样，难以施工；变截面梁的挠度也大于等截面梁。挑梁端部有次梁时，注意要附加箍筋或吊筋。一般挑梁根部不必附加斜筋，除非受剪承载力不足。对于大挑梁，梁的下部宜配置受压钢筋以减小挠度。挑梁配筋应有安全储备。

（10）梁上开洞时，不但要计算洞口加筋，更应验算梁洞口下偏拉部分的裂缝宽度。从构造上保证不发生冲切破坏和斜截面受弯破坏。

（11）梁净高大于500时，宜加腰筋，间距200，否则易出现垂直裂缝。

（12）挑梁出挑长度小于梁高时，应按牛腿计算或按深梁构造配筋。

（13）尽量避免长高比小于4的短梁，采用时箍筋应全梁加密，梁上筋通长，梁纵筋不宜过大。

（14）扁梁宽度不必过大，钢筋能正常摆下及满足受剪满足即可。因为在挠度计算时，梁宽对刚度影响不大，加宽1倍，挠度减小20%左右。相对来讲，增大钢筋更经济，钢筋加大一倍，挠度减小60%左右，同时梁的上筋应大部分通长布置，以减小混凝土徐变对挠度的增大，如果上筋不小于下筋，挠度减小20%。

（15）框架梁高取1/10～1/15跨度，扁梁宽可取到柱宽的两倍，其箍筋应延至另向的梁边。

（16）当一宽框架梁托两排间距较小的柱时，可加刚性挑梁，两柱支承在刚性挑梁的端头。

（17）梁宽大于350时，应采用四肢箍。

5）总信息取值：前提条件、很重要，否则计算无意义。虽然电算程序对总信息取值有详细说明或规定，但往往未掌握其含义，取值不妥屡有发生。

（1）混凝土容重宜取26～30：梁、柱、板、剪力墙等考虑粉刷或装饰面层后的容重应大于25kN/m3，确定合适的混凝土容重值可免去它们上面抹灰等荷载及荷载导算。

（2）周期折减系数Tc：必须折减，否则使地震作用偏小，应根据本工程填充墙的多少来确定周期折减系数值，填充墙多取小值，填充墙少取大值，《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002》3.3.16条规定“计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减”是强制性条文，框架结构取0.6～0.9，剪力墙结构取0.9～0.99，框剪结构取0.7～0.9。

（3）计算结构的周期、位移、层刚度比时，应采用刚性楼板假定。如楼板开有大洞或楼板不连续，应再按弹性楼板计算结构内力。

（4）振型数：采用刚性楼板假定时，平动≤计算层数，耦联≤计算层数×3。

（5）梁刚度增大系数：中梁2、边梁1.5（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002》5.2.2条规定1.3～2.0），否则使地震作用偏小。

（6）梁端弯矩调幅系数：0.8～0.9（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002》5.2.2条），一般可填0.85。有些设计人员认为梁端弯矩不调幅，是不妥的，因更易引起梁端负弯矩钢筋过大、根数过多，影响混凝土浇筑，且配筋率更容易超过2.5%（强制性条文）。

（7）梁端弯矩考虑柱宽影响标志：当已填梁端弯矩调幅系数，则不宜再考虑柱宽作为刚域对梁端负弯矩的折减。

（8）梁跨中弯矩增大系数：1～1.4，一般可填1，配筋时可酌情填1.2～1.4倍。如程序设定为“梁弯矩增大系数”，即正、负弯矩都增大，则应填1。

（9）梁扭矩折减系数：0.4，填扭矩刚度折减对梁扭矩的折减效果较小。

（10）连梁刚度折减系数：0.5～0.55（《建筑抗震设计规范GB 50011-2001》6.2.13条2款、《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002》5.2.1条都规定不宜小于0.5）。

（11）0.2Q0力调整：框剪结构对框架柱必须调整。

（12）小塔楼地震作用放大系数：SATWE、TAT：平动时3～5振型：≤3，6～9振型时：≤1.5，耦联时9～11振型：≤3，12～15振型时：≤1.5。

（13）基本风压：取50年一遇，高≥60m及对风敏感的结构取100年一遇，基本风压值见荷载规范。

（14）地面粗糙度：D（4）类（密集高层市区）慎用，只有其四周建筑物均高于它时。

（15）风载体型分段数：应分段，可每隔3层左右分1段，如多、高层建筑只填1段，则风载偏大。有些电算程序（如SATWE、TAT）规定最多分3段。

（16）混凝土保护层厚度：一般梁25柱30，有防水要求或基础通常加厚。

（17）P-△效应：高层建筑应考虑（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002》5.4.1条和5.4.2条）。

（18）偶然偏心：高层建筑计算单向地震时应考虑偶然偏心（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002》3.3.3条），按双向地震计算时就可不考虑偶然偏心了。

（19）活载应考虑不利组合。

（20）活载折减系数：如SATWE、TAT等程序内定的折减系数系按《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》表4.1.2编制，特别注意适用《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》表4.1.1中的1（1）项房屋，即住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园，对其它房屋一概不适用。

（21）柱计算长度计算原则（SATWE等程序本意是对钢柱）：宜填“有侧移”，因为框架结构、剪力墙结构、框剪结构等都是有侧移的。

（22）平动与耦联：一般取耦联，但有时平动可能比耦联更不利。

（23）柱配筋计算原则：单偏压与双偏压，二者计算结果有时差别较大，应分别按单偏压、双偏压作两次计算按大值配筋。如转运站的框架柱布置是规则的、但受力不规则、不对称而且都是单榀无其它可借力和依托的特点，开始先按单偏计算不满足，后按双偏计算配筋。

6）荷载（是强制性条文）

荷载要合理：偏大无必要，偏小更不行。楼面装修面层（除找平层、板底抹面外）1kN/m2～1.5kN/m2，消防楼梯3.5kN/m2，不上人屋面如按0.5kN/m2太小，《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》4.3.1条（强制性条文）注1：不上人的屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，按施工荷载1.5kN/m2～2kN/m2取值。

7）电算结果分析

（1）总信息、周期、周期比、位移、剪重比、刚度比、超筋超限信息、底层轴力等；

（2）形参平面图；

（3）荷载输入平面图；

（4）配筋结果平面图；

（5）剪力V包络图（用于配置梁的附加横向钢筋）；

（6）JCCAD计算结果：不能所有的柱脚都直接采用，根据受力特征、结构布置等对计算结果进行分析和归并，尽量选用少量有代表性的基础形式和尺寸等。

8）对电算结果要分析，不能不管对不对。根据工程结构类型和特点对一些计算结果跟自己进行概念设计判断进行对比分析，亦可采用其它一些专业结构软件进行必要的验证，如TSSD、世纪旗云结构设计工具箱、天正、理正结构等软件都是很好和有益的补充。

[1]钢筋混凝土结构裂缝控制指南.化学工业出版社，2004-4-1.

[2]混凝土结构构造手册.3版.中国有色工程设计研究总院主编.中国建筑工业出版社，2003，6.

[3]徐有邻，周氏编著.混凝土结构设计规范理解与应用.中国建筑工业出版社，2002-5-1.

[4]陈基发，沙志国编著.建筑结构荷载设计手册.2版.中国建筑工业出版社，2004-12-2.

[5]PKPM结构系列用户手册及技术条件.2005版.中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部.

[6]林同炎编著.结构概念和体系.2版.

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1674-6708（2010）31-0193-03

孟祥斌，工程师，长期从事结构设计和项目管理工作