结构设计中应注意的几个问题

陈孟芝

【摘要】本文从施工图审查角度， 提出几个在结构设计中应注意的涉及结构安全质量和经济造价的问题，供设计人员参考。

【关键词】 安全质量；经济造价；多层与高层建筑；框支梁与转换梁；独立基础

1. 概述

在近年来对结构施工图的审查中，发现结构设计中有些问题常常容易被忽略，应引起设计人员注意。这些问题往往又都是对工程影响非常大的问题：有的是直接影响工程的安全质量， 有的是影响工程的经济造价。对于在市场经济发展中的工程项目建设，随着人们专业素质的提高，业主对设计的要求越来越专业化， 对结构设计的要求也越来越具体。设计不仅要美观、适用、安全，而且要经济，工程含钢量甚至直接写入设计合同中。因此，优质的结构设计不仅为业主带来利益，也为设计者本身提高了信誉。加强结构设计质量，重视结构设计中存在的问题，提高业务能力和技术水平是每一个设计人员应具备的基本素质。下面，本人总结了近年来在结构施工图审查中发现的容易被忽略应引起注意的几个问题，供设计人员参考。

2. 结构设计中应注意的几个问题

2.1多层与高层建筑在结构设计中的区别。在结构设计中，多层与高层建筑应该是有区别的， 这个问题设计人员往往容易忽略。就执行和遵守的规范条文而言，多层建筑应执行《建筑抗震设计规范》（简称抗震规范），高层建筑应执行《高层建筑混凝土结构技术规程》（简称高层规程）。由此，在下面两方面应有所区别：

2.1.1在结构体系的选择上， 多层建筑由于建筑物高度不高，受水平力影响较小，主要承受竖向荷载的影响，宜选择框架结构体系。对设计中经常遇到的多层住宅、公寓，可根据建筑平面布置和功能要求，在不影响使用和建筑立面效果的位置布置矩形柱，在其他部位布置隐藏在墙内的异形柱，控制异形柱所占柱总数的比例或异形柱受荷面积比例，使除异形柱的轴压比、配筋率、构造要求按异形柱要求设计外，结构体系可按普通框架体系设计。高层建筑由于主要承受水平荷载影响，宜选择侧向刚度较大、抗侧移性能好的框架——剪力墙或剪力墙结构体系。从设计经验分析， 剪力墙结构体系经济性较好。对于十二层左右的小高层，可设少于剪力墙总数比例40%的短肢墙或短肢墙承受的地震倾覆力矩小于总地震倾覆力矩40%， 结构体系可按普通剪力墙体系设计，少数的短肢墙可不执行高规中短肢墙的要求，按普通剪力墙设计。这样设计的多层与高层建筑结构体系方案既满足建筑功能和使用要求，又灵活运用规范，安全合理，而且往往还是最经济的。

2.1.2在结构计算上，对6度抗震设防区，当结构平面和竖向为较规则类型时，多层建筑可不进行地震作用计算，仅按《抗震规范》采取抗震构造措施即可。当为不规则类型时才进行抗震作用计算，此时不考虑偶然偏心的影响。如计算中不能满足框架结构层间位移变形限值时，可布置少量纵、横向剪力墙，但仍应按框架结构确定框架抗震等级，而计算时应按框架——剪力墙结构满足剪力墙的承载能力和结构整体变形的要求，此时剪力墙抗震等级可为三级， 剪力墙可不设底部加强区， 框架宜满足不计剪力墙时框架承载力要求。高层建筑无论结构平面和竖向是否规则，均应进行地震作用计算，应考虑偶然偏心的影响，且应满足《高层规程》中对结构计算与分析的各种指标限值的要求。

2.2框支梁与转换梁的区别。

（1）在结构设计中，经常会遇到部分竖向构件不能直接连续贯通落地，需要设置结构转换构件的问题。这些不能直接连续贯通落地的竖向构件有的是普通剪力墙，有的是短肢剪力墙或框架柱。两者的转换构件是有很大区别的，这个问题往往容易被忽略，设计人员通常均按照《高层规程》框支梁的要求设计转换构件，造成不必要的浪费，影响工程的经济造价。

（2）承托普通剪力墙和短肢剪力墙或框架柱的转换构件受力性能是完全不同的，内力及配筋计算和构造设计上也有很大的区别。当转换构件是由梁转换时， 承托普通剪力墙的转换构件是拉、弯、剪构件，也称为框支梁。在竖向荷载作用下， 转换层上的墙体有拱效应，两支座处竖向应力大，同时有水平推向力，中间则会出现拉应力。框支梁就像是拱的拉杆， 在竖向荷载作用下除有弯矩、剪力外，还有轴向拉力。沿梁全长拉力不均匀，跨中拉力大，支座处减小，有洞口处拉力更小。框支柱除受有弯矩、轴力外，还承受较大的剪力。因此， 框支梁设计时应严格按照《高层规程》中框支梁的要求，正截面承载力按偏心受拉计算，斜截面承载力按拉、剪计算。梁面应有不少于50%的支座负钢筋沿梁全长贯通，下部纵向钢筋应全部直通到柱内。沿梁高应配置间距不大于200mm、直径不小于16mm的腰筋。加密区箍筋直径不小于10mm， 间距不大于100mm。

（3）承托短肢剪力墙或框架柱的转换构件是弯、剪构件，也称为转换梁。在竖向荷载作用下，转换梁的受力和普通跨中有集中荷载的框架梁相同，仅仅由于跨度大，跨中又有很大的集中荷载，梁端和跨中的弯矩、剪力都很大，但基本没有轴向力，柱的剪力较小。因此， 转换梁设计时应按普通框架梁的构造要求，正截面承载力按纯弯计算， 斜截面承载力按受剪计算。梁面贯通筋根据抗震等级按框架梁要求设计， 沿梁高配置的腰筋按框架梁0.1%配筋率计算或适当加大，通常沿梁高配置间距不大于200mm、直径不小于14mm的腰筋。加密区箍筋根据抗震等级按框架梁要求设计，或适当加大直径不小于8mm， 间距不大于100mm。

2.3柱下钢筋混凝土独立基础设计。在结构设计中， 柱下钢筋混凝土独立基础是最常用的基础形式。该基础设计中有几个问题设计人员很容易忽略而出错，直接影响工程的安全质量。

（1）首先是基础的抗剪计算。在《建筑地基基础设计规范》（简称基础规范）中，未对柱下钢筋混凝土独立基础要求进行抗剪验算，只要求验算柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力。然而，这只是对一般的柱下钢筋混凝土独立基础而言，其抗剪强度一般均能满足要求。当我们设计落在基岩上的独立基础，特别是高层建筑支承在基岩上的独立基础时，没有进行抗剪验算是不合理的。由于此类基础底面平均压力较大，应进行抗剪强度验算，否则仅由抗冲切验算确定基础高度是不安全的。《基础规范》8.1.2条注4对此有相应规定： 基础底面处的平均压力值超过300KPa的混凝土基础，尚应进行抗剪验算。高层建筑落在基岩上的独立基础，其基础底处的平均压力大大超过此值，因此应进行抗剪验算。

（2）其次是基础宽高比的问题。对于柱下钢筋混凝土独立基础，设计人员往往只考虑在较小的埋置深度内，将基础底面扩大到所需的面积，以满足地基承载力的要求，而忽略了对基础台阶高宽比的要求。基础宽高比或台阶的宽高比大于2.5的基础直接按《基础规范》扩展基础公式进行设计计算的情况经常出现。《基础规范》8.2.7条对扩展基础底板配筋计算时规定，对于矩形基础，当台阶的宽高比小于或等于2.5和偏心矩小于或等于1/6基础宽度时，任意截面的弯矩可按规范规定的弯矩公式计算。其本质是对地基反力线性分布的要求。当基础台阶的宽高比大于2.5时， 地基反力不再遵循直线分布假定，不能按规范公式进行弯矩计算确定基础底板配筋，宜按弹性地基板计算。

（3）最后是基础配筋问题。《基础规范》未明确规定柱下钢筋混凝土独立基础的最小配筋率要求。设计人员往往只按计算配筋，未进行最小配筋率控制。《混凝土结构设计规范》9.5.2条规定：对卧置于地基上的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应小于0.15%。柱下钢筋混凝土独立基础属于卧置于地基上的混凝土板， 板中受拉钢筋的最小配筋率应满足此条要求，在进行基础设计时，应按阶形（或锥形）基础的实际面积计算其最小配筋梁，并将其配置在基础的全宽范围内。

3. 小结

结构设计是一门经验科学。注重设计中存在问题，特别是容易被忽略的问题，掌握结构的概念设计，是提高设计质量，优化结构设计的一项重要内容，也是对每个设计人员的基本要求。要适应建筑设计市场需要，为业主创造一座既满足建筑使用功能、构造功能和形象功能的要求，又安全经济，且符合地理环境条件的建筑物，设计人员必须不断总结设计经验，提高自己的业务能力和技术水平，使之具备结构设计概念、经验、悟性、判断力和创造力。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，北京，中国建筑工业出版社

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》GJG3-2002，北京，中国建筑工业出版社

[3]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002，北京，中国建筑工业出版社

[4]《混凝土结构设计规范》GB50010-2002，北京，中国建筑工业出版社