浅谈框架结构设计教学问题

甘玉明

(天津市建筑工程学校土木工程系,天津 300221)

框架结构由于自身质量小、结构强度高、施工效率较高、并且房间的开间、进深相对较大、空间分割比较自由，因此钢筋混凝土多层框架是一种应用十分广泛的建筑结构型式，目前大量应用于商店、办公、住宅等公共建筑和工业厂房。基于这种情况，钢筋混凝土框架结构的设计是土木建筑专业的学生必须掌握的内容。一般要求学生的设计内容主要包括：首先基于用途的建筑方案设计和建筑施工图的绘制；其次结构布置和结构计算；最后绘制部分结构施工图。结构设计课程是检验学生对专业知识进行综合应用的实践课程，由于学生对所学基本理论缺乏灵活应用的经验，在设计中对规范规程中的要求理解不透，设计中常出现一些貌似细微却导致整个过程失败的错误。本文就学生设计中的常见问题进行简单分析。

1.施工图的问题

1.1 学生对绘图细节不够重视，一些符号的画法不深究"国标"规定，而是自己随意去画，如详图索引符号、标高符号等。对构件编号及钢筋编号概念不清，常出现漏号或一号多示的现象，应采用两种表示方式，这样就能使构件编号与钢筋编号区分开，从而使图面清楚，表示完整。还有其他一些问题，如钢筋线应采用粗实线，构件轮廓线应采用细实线，而有的学生把构件轮廓线也画为粗实线，主次不分。一级钢筋是否加弯钩，二级钢筋的断点一般不加45度直钩等。这些问题是学生基本功不扎实的体现，使图面质量较差，直接影响学生整体设计的质量。

1.2 楼梯平面剖面施工图中，学生绘图时因面层做法不一致，楼梯与楼道的接合部位在剖面图上出现一个面层高差；再有是楼梯间窗口标高与立面图上的窗口位置不相一致。这说明学生在设计绘图时对标高的重视都不够，甚至对建筑标高和结构标高混淆，常在结构施工图中出现建筑标高，针对这种情况，应提醒学生在绘制结构施工图时，注意定位轴线位置的准确性，核对轴线距离是否与建筑施工图相一致，保证构配件的正确位置及结构构造处理时尺度量值的准确性。

此外，当楼梯间首层休息平台下设计有通向室外的门，休息平台下净高尺寸不满足人的正常通过；楼梯顶层的栏杆不放或放错方向。这些都是学生空间想象能力在绘图中的体现，所以说结构设计教学是一项综合实践活动。

1.3 学生在住宅的阳台设计时注重提高建筑物的审美效果，忽略了抗震影响。如下图图 1（a、b）所示：（a）阳台破坏了转角处墙体的连续性和封闭性，使墙体平面外的稳定性较差，不利于抗震。

1.4 屋面结构布置图中，由于框架柱一般不会伸出屋面故框架柱应用虚线表示，但在学生设计作品中常常把柱涂黑与楼面结构平面布置图中框架一样表示。对于设有电梯间的多层房屋，电梯间机房楼面及屋面应另行绘出其结构布置图，并在屋面结构布置图中出现有空洞表示的电梯间，在学生设计中常会在表示方法上出错。

图1 抗震性不同的两种角阳台

1.5 板的配筋图（如双向板）是一水平投影图，假设混凝土为透明体。为了表示钢筋的形状，钢筋侧倒画在水平投影图中。在图中，根据弯钩的方向判断钢筋在板中的位置（即底部钢筋或上部钢筋）。学生在绘制施工图时常将受力筋的弯钩方向画错。并且在结构施工图里板配筋图的标注过于繁琐，图面杂乱无章。教师应当提醒学生当板配筋相同时，仅标出板号即可。一般可将板的下部筋相同和部分上部筋相同的板编为一个板号，将不相同的上部筋画在图上。当板的形状不同但配筋相同时也可编为一个板号。应全楼统一编号。

1.6 在柱子的设计方面，学生容易忽略的是地上为圆柱时，地下部分应改为方柱，方便施工；圆柱纵筋根数最少为8根，箍筋用螺旋箍，并注明端部应有一圈半的水平段；方柱箍筋应使用井字箍，并按规范加密；角柱、楼梯间柱应增大纵筋并按全柱高加密箍筋；幼儿园不宜用方柱。

1.7 框架配筋详图里学生最易出现的错误是未确定梁支座上的承受负弯矩的钢筋的切断点；其次框架节点箍筋加密区未标注在图上；最后就是框架梁柱箍筋不满足《钢筋混凝土结构设计计算手册》构造要求。应正确区分框架梁跨中截面底部配筋要求与梁端截面底部钢筋的不同概念,控制梁端截面下部实际配筋的数量。教师可指导学生根据框架梁端截面底部配筋要求,适当控制梁底钢筋伸入支座(即框架柱)的数量,当梁底设置多排钢筋时,一般情况下,可仅考虑第一排钢筋伸入支座,其他各排钢筋可不伸入支座,即在柱截面外截断。控制梁底钢筋伸入支座的数量,既有利于"强柱弱梁"的实现,又可减少过多钢筋在梁柱节点区的锚固,有利于保证节点区混凝土的质量。

教师在指导过程中应特别强调并认真把关，因为施工图是结构布置和计算的最终体现，也是施工单位的工作依据，阅读与绘制建筑工程图是从事建筑类专业人员的基本技能。所以图纸的线条、符号、规格必须严谨、准确、规范，不能有半点马虎，必须按照统一的国家要求。

建筑施工图关键是平面图、立面图和剖面图之间图示内容一致，且相互补充。要选择有特点的立面和剖面与平面对应，不可偷懒简化。只有平面、立面、剖面三者相互配合，才能完整地反映一幢建筑物的做法和特点。此外，各图所注的标高、尺寸、定位轴线等在每张图纸上都要认真核对无误。

结构施工图的关键是把主要构件的平面位置、空间标高及其钢筋配置在相应的图纸中表示清楚。学生应把简易的平法标注和构架节点详图相结合，辅以图纸说明，务必清晰完整的说明构件钢筋布置形式，连接方法，各构件的详细做法及施工要求。

2.结构计算问题

2.1 板的计算方面。

双向板上的荷载是沿着两个方向同时传到支座的，即两个方向都有弯矩产生。在配置跨中正弯矩钢筋时，沿短跨的主筋一般位于板受拉区最下部；而沿长跨的主筋位于短跨主筋之上。计算时应用两个方向的各自的有效高度，一般长向的有效高度比短向的有效高度小d(d为短向钢筋的直径)。精确计算是短跨有效高度h01＝h-c-d1/2（通常取 h01＝h-15mm），h为板的高度，c为混凝土的保护层厚度，d1为短跨受力钢筋的直径。而长跨有效高度h02＝h01-d1/2-d2/2（通常取 h02＝h-25mm），d2为长跨受力钢筋的直径。而学生在计算时为图省事或对板受力认识不足,而取两上方向的有效高度一致进行配筋计算,致使长跨有效高度偏大,配筋降低,使结构构件存在的质量隐患,甚至出现裂缝的现象。

另外板承受线荷载时弯矩计算问题,在学生设计的框架民用建筑中，常常在楼板上布置一些非承重隔墙，故大楼板设计中常常将该部分的线荷载换算成等效的均布荷载进行板的配筋计算。另外，板上隔墙顶部处理常采用立砖斜砌砌顶紧上部分的楼、屋面板，这样会给上部的板增加了一个中间支承点,使其变为连续板,支承点上部出现了负弯矩,而在板的整体设计中又没有考虑这种实际情况的影响,致使板顶出现裂缝。

2.2 框架结构设计中荷载效应组合

设计时应按恒载、活载、风载及等效地震荷载进行荷载效应组合，分为"有利"和"不利"两种方式。最不利内力组合是与竖向活荷载的布置方式密切相关的，因为恒载是一种长期作用的满布荷载，竖向活荷载则是一种短期作用的可变荷载。考虑最不利内力组合时，采用何种活荷载的布置方式是最关键的一步，首先可采用逐跨施荷法，此法计算简单、清楚，但手算繁琐，多用于电算中；另外是最不利荷载位置法，此法同连续梁、板的荷载布置，工作量较小，可用于手算；再者就是满布荷载法，此法要注意支座处与最不利荷载位置法接近，但跨中明显偏低，其值应乘以1.1～1.2，当楼面活荷载标准值不超过5KN/m2时，精度能满足工程要求，对于活载很大的书库或仓库等结构，必须考虑活载的不利组合。最后一定要注意对于竖向荷载作用下的内力要进行调整，然后进行内力组合，不同的组合类型，分项系数不同。

另外在进行内力组合时,组合目标内力与竖向荷载内力之间的符号相反,则此竖向内力应对结构有利,学生要区分此竖向内力是由永久荷载还是可变荷载引起的,正确选取分项系数进行内力组合。《建筑结构可靠度设计统一标准》中7.0.4条规定当荷载效应对结构构件承载力"有利"时,永久荷载的分项系数取1.0,可变荷载的分项系数取0,也就是不考虑。学生设计时仍然按照"不利"时的分项系数计算,特别是以"轴力最小"为目标进行柱截面内力组合时最容易出错，导致配筋错误。

2.3 框架柱的计算长度

确定框架结构计算简图时取框架柱的长度为结构的层高,许多同学在截面设计中误取H0=H进行计算。应该考虑梁柱的连接属于铰接还是刚接按规范取值，《混凝土结构设计规范》7.3.11条规定了各种柱的计算长度,对于现浇框架的底层柱取H0=1.0H,其余各层柱取H0=1.25H。因为框架结构的梁柱纵筋相互交叉形成的节点连接是介于刚接与铰接之间的,更接近于刚接。框架柱大部分都是偏压构件其效应会随柱长细比的增大而加剧，柱承载力降低。所以柱的计算长度偏小相当于忽略了柱长细比的影响，使得设计出的柱截面承载能力不足。

结语

以上只是学生在框架结构计算中的部分常见问题，这些知识点学生在各个专业课程中都学习过，那为什么还反复出错？笔者认为有以下几点原因：①是师生比过小造成的，二十几个甚至更多的学生由一位教师指导，教师不可能有针对性的逐一指导，鱼目混珠者很多。②课程设计题目大多是假题假做或真题假做，缺少实际工程背景，涉及实际问题较少，需要学生分析的客观资料不多，不能有效地激发学生的学习积极性。③指导教师也不一定是这些学生的专业课程教师，对这些学生的能力也不甚了解，设计选题难免与学生日后工作去向相悖。这样课程设计在内容上往往是专业课的课程设计内容的简单相加，学生只是应付差事，不积极查找规范及相关资料，那么整个课程设计就流于形式。

然而结构设计教学是学生从学校教学阶段向实际工作之间转换的综合性教学工作,是学生进行结构概念的辨析过程。学校应加大对设计教学课程的硬件投入，加大师资力量的投入，加大工学结合的投入，让学生学会分析结构问题,尽快熟悉规范,从而培养良好的设计习惯。

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