土木工程专业毕业设计常见问题探讨与分析

罗若帆，王莺歌，王仕成

（嘉应学院土木工程学院，广东 梅州 514000）

土木工程专业毕业设计常见问题探讨与分析

罗若帆，王莺歌，王仕成

（嘉应学院土木工程学院，广东 梅州 514000）

结合混凝土结构课程教学内容，以高层混凝土框架结构为例，对土木工程专业毕业设计过程中常见及疑难问题进行了讨论。重点分析了目前毕业设计过程中较难处理的问题并提出相应的处理方法。同时分析了学生在毕业设计过程中易犯的错误以及容易混淆的概念，提出合理的做法，为改进混凝土结构设计的教学方法以及毕业设计的实践教学提供参考。

混凝土结构设计；高层框架结构；毕业设计

毕业设计是土木工程专业学生的重要实践环节，一方面学生通过毕业设计，对所学课程有一个系统的整合过程，巩固和深化了本科所学知识，另一方面毕业设计是学生走向工作岗位前的一次重要实践活动，通过该实践，可使学生提高其计算分析、软件应用、文字表达以及论文撰写方面的能力，同时发展学生的创新能力和学以致用的思维。

毕业设计所涉及的内容是本科所学课程与实际工程的结合，设计对象的结构类型包括多、高层框架结构，框架-剪力墙结构等。大部分学校采用手算和电算相结合的方式，能够让学生掌握结构计算全过程，从而更好地理解结构概念。

目前关于毕业设计的教学方法方面已有较多研究成果[1-3]，然而在毕业设计具体内容，特别是与现行国家规范[4-7]以及本科重点课程（如混凝土结构设计原理、混凝土结构设计、高层建筑结构设计和结构抗震设计）的教学结合中常见的具体问题以及毕业设计对课程教学的反思目前仍较少文献报道，仅有少部分学者对实际操作问题做了简要分析[8-9]。本文以高层框架结构设计为例，讨论并分析在毕业设计过程中较难处理的问题以及容易出现理解错误的概念，并提出相应的处理方法。

1 计算嵌固端的选取问题

计算嵌固端的选取在手算过程中是一个比较难处理的问题。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定，地下室顶板作为上部结构嵌固端时，地下室的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍[5]。毕业设计选题要求往往不带地下室，对于框架结构，通常在基础埋深较大时会在室外地面位置建地梁，以支撑首层填充墙和减小首层柱计算高度。然而由于地梁以下有回填土的刚度贡献，无法直接当成一个普通结构层进行计算，且我国规范并无明确规定如何考虑回填土刚度的贡献。在混凝土结构设计课程教学中，通常认为首层柱在基础顶面嵌固，没有考虑回填土的影响。然而在实际操作过程中，往往与电算假定及结果无法吻合，同时也会带来一系列问题：如层刚度比，首层柱弯矩放大系数，柱端箍筋加密区等。目前关于毕业设计中嵌固部位的选取，有如下3种简化处理方法（见1.1-1.3），本文基于手算与电算的统一及学生对结构概念的正确理解，提出第4种处理方法（见1.4）。

1.1 地梁建在基础面，嵌固在基础面

该做法适用于基础埋深不大的情况，地梁建在基础面起到拉结独立基础，防止不均匀沉降的作用，见图1（1）。可在手算和电算中采用同样的假定，在手算中忽略地下回填土的作用，但应注意风荷载的起算高度。该做法概念较清晰，但应用有一定局限。

1.2 地梁建在室外地坪，地梁层作为结构层

针对工程中基础埋深较大的情况，将地梁建在基础面往往会遇到首层柱高过高的情况，因此通常会将地梁建在室外地坪处，见图1（2）。则室外地坪到基础面形成一个结构层，在手算时，往往将其简化为普通结构层，即忽略地下回填土对地梁层的作用，在计算简图中增加一个结构层，但这种简化方法应将首层柱定义在二层，且无法考虑回填土的影响，会造成概念上的不清晰。

1.3 地梁建在室外地坪，将地梁简化为次梁

该做法即在电算中，将地梁层建在室外地坪处，而在手算中，计算简图忽略地梁的存在，即直接嵌固在基础顶面，见图1（3）。很多高校在毕业设计指导中采用这种方法，认为应在电算中以合理的方式处理首层柱的问题，但在手算中可以简化处理，方便手算。但该方法造成手算和电算的不统一，且手算中同样存在首层柱过高的情况。

1.4 地梁建在室外地坪，嵌固在地梁顶

本文在总结前几种做法的基础上，提出一种新的处理方法，即将地梁建在室外地坪，且嵌固在地梁顶，见图1（4）。该方法基于抗震嵌固端的概念，由于回填土刚度的贡献，柱铰应该出现在室外地坪以上的柱端，因此室外地坪应作为抗震嵌固端，在电算和手算中都将计算嵌固端设在地梁顶。虽然抗震嵌固端和计算嵌固端在计算中不能相互替代，但回填土是不可忽略的一个重要因素，因此不少设计人员的做法通常也是考虑回填土刚度的贡献，直接将嵌固端设在地梁顶。该方法能让学生清晰地掌握概念，同时兼顾考虑实际情况。

图1 嵌固端简化方式

2 内力计算方法的选取问题

2.1 水平荷载作用下

水平荷载主要为风荷载、地震作用采用底部剪力法计算时简化形成的荷载。水平荷载作用下的内力计算方法主要有：反弯点法，D值法，位移法，矩阵位移法，也可直接采用sap2000或结构力学求解器等较容易操作的有限元工具求解。其中反弯点法和D值法为近似解，位移法、矩阵位移法和求解器求解为精确解。

水平荷载作用下的内力计算方法较为明确，手算时较适合采用近似解法。反弯点法适用于层数较少、楼面荷载较大时，通常认为梁柱线刚度ib/ic＞3时可满足工程精度要求。当框架高度较大、层数较多时，柱子截面尺寸一般较大，梁柱线刚度之比往往很小，此时应采用D值法求解。该方法在混凝土结构设计课程中有详细讲解，而求解器基于矩阵位移法，其原理也在有限元课程中有简略的介绍。本文建议学生采用D值法和求解器同时计算并做对比，有助于学生更深入地理解该方法的计算原理，反过来对混凝土结构设计课程所学知识能有进一步的掌握，而不会仅仅机械地套用模板解决问题。

2.2 竖向荷载作用下

竖向荷载作用下的内力计算方法主要有：分层法、弯矩分配法、位移法、矩阵位移法及直接采用求解器求解的方法。其中分层法为近似解，弯矩分配法为渐进解，而简化后的弯矩二次分配法也属于近似解，位移法、矩阵位移法和求解器求解为精确解。

有分析表明[10]在多层框架结构中，与分层法相比，采用弯矩二次分配法计算结果精确度更高，本文选取某11层框架结构工程的其中一榀框架（见图2），分别采用分层法和弯矩二次分配法进行计算求解，将计算结果与有限元解做了对比。由于篇幅限制，本文仅提取平均值结果（见表1），计算结果表明，对于高层框架结构，采用分层法计算时梁的误差较小，柱的误差较大，采用弯矩二次分配法的精度较高。

表1 两种方法的计算内力对比

混凝土结构设计课程中对分层法和弯矩二次分配法均有详细讲解，本文建议学生在掌握分层法和弯矩二次分配法基本原理的基础上，采用弯矩二次分配法进行计算。鼓励学生采用分层法、弯矩二次分配法和精确解进行计算对比，加深这方面知识的掌握。

图2 竖向荷载下框架受荷图

3 内力调整应注意的问题

内力组合前后应进行组合值的调整，很多学生出现的问题是不调整、少调整或是调整了但并没有真正理解哪些值需要调整，为什么要调整。内力调整分为组合前调整和组合后调整，在混凝土结构设计课程中虽提到了各种调整方法，但却缺乏系统的串联，导致学生概念和逻辑关系不清晰。只有把这个关系理清，才能对整个计算过程有清晰的概念。

3.1 组合前调整

组合前调整包括剪重比调整、弯矩调幅和支座边缘内力调整。

3.1.1 剪重比调整

剪重比即剪力系数，要求该系数（楼层剪力与该层重力的比值）不能小于规范限值[6]。剪重比的存在实际上是为了保证长周期结构的安全而设置的一个限值，由于加速度谱并未考虑位移和速度对结构带来的影响，长周期结构反应谱曲线下降比较快，计算时地震影响系数较低，从而使计算的地震作用偏小。手算时可采用放大地震作用的方法。由于剪重比调整的是外力，必须在组合前调整。通常毕业设计所涉及的结构层数不高，周期较短，不会出现剪重比超限的问题，若出现超限，应注意检查结构布置的合理性。

3.1.2 弯矩调幅

弯矩调幅是在竖向荷载作用下，从梁铰机制出发，考虑塑性应力重分布的合理性所进行的一种调幅方式。从施工方面考虑，梁端弯矩过大，则顶部钢筋配置过多，对浇筑和振捣混凝土也会造成很大的困难。因此人为地将梁端弯矩乘以一个折减系数，同时跨中弯矩根据平衡条件相应增大（见图3）。应注意的是，柱端弯矩仍应按调幅前的梁端弯矩计算，且弯矩调幅只在竖向荷载作用时进行，不能对水平荷载作用下的弯矩进行调幅，那么在内力组合时只有这一组内力被调整，因此该调整只能在组合之前进行。有学生在水平荷载作用时也进行弯矩调幅，是对调幅原理的理解有误造成的。

图3 弯矩调幅示意图

3.1.3 支座边缘内力调整

如图4所示，根据计算简图计算的内力依据的是轴线到轴线间距，而梁截面实际内力到达柱截面范围内时，理论上截面抗力无穷大，即该部分不再属于梁，则实际内力应计算到梁柱边缘，因此需要对计算出的内力进行调整，从概念上来说，该调整的目的是反映出结构在每组荷载下产生端部内力的真实状况，因此也应在内力组合前进行。

图4 支座边缘内力调整示意图

3.2 组合后调整

组合后调整包括强柱弱梁和强剪弱弯的调整，该调整是根据抗震设计的要求，对计算配筋所采用的那组内力进行无条件调整，因此应在组合后进行调整。

3.2.1 强柱弱梁

由于柱是上部结构最后一道支座，若柱先出铰，则可能导致结构直接倒塌，因此要控制塑性铰先出现在梁端，让梁先屈服去耗能。具体做法为放大柱端弯矩，以提高柱的设计要求：

应注意的是，顶层梁柱不用进行强柱弱梁的调整。原因是：顶层柱轴压比较小，柱端塑性铰的变形能力较大；顶层梁端产生塑性铰与柱端产生塑性铰对结构稳定的影响是相同的。

3.2.2 强剪弱弯

由于弯曲破坏是延性破坏，剪切破坏是脆性破坏，不可避免要发生破坏时，必须让构件发生有预兆的延性破坏，具体做法为放大梁柱剪力，以提高梁柱抗剪的设计要求：为柱剪力放大系数，对应一、二、三、四框架为1.4、1.3、1.2、1.1。为梁剪力放大系数，对应一、二、三框架为1.3、1.2、1.1。

4 几个容易混淆的概念和做法

4.1 强柱弱梁和弯矩调幅

强柱弱梁是框架抗震设计的重要概念，是实现梁铰机制的重要措施。该调整是人为地放大柱端弯矩，提高柱的设计要求（详见3.2.1）。而弯矩调幅则更多地从塑性理论出发，使框架梁的内力重分布更合理的一种调整（详见3.1.2）。毕业设计过程中学生经常将这两者混淆，教师在课程教学中应更加强调结构的概念。

4.2 应力重分布和内力重分布

应力重分布是相对于截面来说的，裂缝产生后，截面上的应力不再服从线弹性分布规律的现象。 内力重分布是相对于结构或构件来说的，杆件开裂后，刚度随即发生变化，实际上就改变计算简图，那么内力也就相应发生了变化。应力重分布可能发生在静定结构或超静定结构中，内力重分布只可能发生在超静定结构中。

4.3 活荷载不利布置和跨中弯矩增大

《高规》规定，当楼面活荷载大于4kN/m2时，应考虑楼面活荷载不利布置引起的梁弯矩的增大[5]。活荷载不利布置在混凝土结构设计课程中有详细讲解，此处不再赘述。当楼面活荷载不大于4kN/m2时，为减少计算工作量，可将活荷载满布，再将跨中弯矩增大1.1-1.2倍，近似考虑活荷载的不利布置。因此这两者是针对同一概念的不同条件时的处理方法。不少学生在毕业设计手算稿中忽略了活载不利布置，却在结构设计软件中同时考虑不利布置与跨中弯矩增大，是没有掌握这一概念的表现。

4.4 顶部附加水平地震作用和鞭梢效应

顶部附加水平地震作用和鞭梢效应都是结构顶部应考虑的问题，但却是完全不同的概念。增加顶部附加水平地震作用是由于按底部剪力法计算水平地震作用时，仅仅考虑了第一振型的影响，且第一振型强行假定为直线倒三角分布，当周期较长时，高阶振型的影响变大，底部剪力法则低估了结构底部的地震剪力。为修正高层振型的影响采用的方法就是增加顶部水平力，附加在顶部质点上。采用振型分解法时则不存在这个问题，因为振型分解法考虑了各振型的影响。鞭梢效应是由于顶部的突出部分（如小塔楼）由于质量和刚度较小，高振型时往往无法与结构一起振动，单独形成局部振动的现象。在手算中采用剪力放大3倍来近似考虑。

应注意的是，通常在电算时，鞭梢效应放大系数仅取1.5，是因为软件通过反应谱计算，只要振型足够多，鞭梢效应可以得到反映，而按照底部剪力法计算地震时，完全无法考虑顶部小塔楼，因而要求3.0的放大系数。

4.5 梁配筋计算考虑板的影响与梁刚度放大

梁配筋计算考虑板的影响是指在计算梁配筋时，在受压区相应位置已有部分板钢筋存在，应根据需要在计算时予以考虑；梁刚度放大是指考虑楼板平面外的刚度贡献，这是刚度计算问题。即梁配筋计算考虑板的影响理论上只影响梁的配筋计算，减少钢筋用量，但对内力没有影响，板对梁的内力影响应考虑为梁刚度放大，两者并不矛盾，且互不影响，只不过将一种实际情况用两个功能分开模拟而已。

4.6 单向板和双向板

单向板和双向板在毕业设计中出现的较大问题在于如何求解长边与短边比值介于2与3之间的板， 《混凝土结构设计规范》规定，当长边与短边比值介于2与3之间时，宜按双向板计算[4]。然而进行手算时，2与3之间的板若按双向板计算，则无系数可查。因此这类板应按单向板计算，按双向板的构造配筋。

4.7 周期比和位移比

周期比和位移比都是控制结构扭转的指标，但两者的关注点不同。周期比控制的是结构的扭转能力，位移比控制的是结构实际存在的扭转量。设计时不能只关注位移比。周期比过大说明结构的抗扭能力较差，结构并不一定出现扭转，因为有可能给定的作用力条件有限，并没有找到一个使结构有效扭转的作用位置。因此位移比并未超限，并不代表结构不会扭转，实际工程中若结构一旦扭转，将会遭到较大程度的破坏。因此周期比和位移比最好应同时满足。

4.8 框架结构和少墙框架结构

在高层框架结构毕业设计中，常常有学生会在电梯井处布置剪力墙，或为了满足某些指标的要求，在少部分位置布置剪力墙，并认为剪力墙较少，不能形成框架剪力墙结构，仍按框架结构进行设计，这种做法是错误的。当框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总倾覆力矩的80%时，会形成带少量剪力墙的框架结构。实际上带少量剪力墙的框架结构比框架结构更复杂，应按实际模型和去除剪力墙的框架模型进行小震弹性计算，取包络设计，按纯框架模型验算框架的弹塑性变形。混凝土结构设计课程中并未将带少量剪力墙的框架结构纳入教学内容范畴，原因在于规范对该结构体系中框架和剪力墙构件的设计并未细化。因此不推荐学生在毕业设计中采用这类结构。

5 结语

土木工程专业的毕业设计是学生对本科专业课程的运用及熟悉规范的过程。要求学生必须对重点课程的知识（混凝土结构设计原理、混凝土结构设计）有全方位的掌握。学生毕业设计的质量是专业课教学质量的体现，本文对大量毕业设计文本进行了总结，对设计中较难处理的问题提出相应的处理方法，并总结了学生常见错误和知识薄弱点，为混凝土课程的教学提供参考。

[1]陈兰.土木工程专业毕业设计若干问题剖析[J].东南大学学报，2012，（14）：24-27.

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[3]张如林，程旭东.土木工程专业毕业设计中存在的问题探讨与建议[J].中国电力教育，2014，(11)：198-203.

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[5]中国建筑科学研究院. JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6]中国建筑科学研究院. GB50010-2010. 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[7]中国建筑科学研究院. GB50009-2012. 建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

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[10]周俐俐.竖向荷载作用下框架内力计算方法的对比分析[J].绵阳经济技术高等专科学校学报，2001，18(3)：19-21.

Analysis on Common Problems in Graduation Design of Civil Engineering

LUO Ruo-fan, WANG Ying-ge, WANG Shi-cheng
（Jiaying University, Meizhou 514000, China）

According to the course content of Concrete Structure, the common problems in graduation design of Civil Engineering are discussed with high-rise concrete frame structure as the example. The article focuses on the problems which are difficult to deal with in the process of graduation design and provides corresponding solutions. It also analyzes general errors and confusing concepts, putting forward the practical suggestions, which may be a helpful reference to the teaching method of Concrete Structure Design and the teaching practice of graduation design.

Concrete Structure Design; high-rise frame structure; graduation design

TU3；G642.477

：A

：1672-2841（2016）04-0027-05

2016-11-13

2016广东省本科高校教学质量与教学改革工程项目精品资源共享课：混凝土结构；嘉应学院质量工程项目。

罗若帆，男，助教，硕士，研究方向为新材料在土木工程中的应用。