混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理解與應(yīng)用

【摘要】近幾年地震頻發(fā)，建筑抗震讓大家有了直接的認(rèn)識，在汶川、玉樹、都江堰地震中，人民生命和財產(chǎn)安全受到極大損失。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要。本文筆者根據(jù)多年工作經(jīng)驗，就混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計做一簡單總結(jié)，供同行參考。

【關(guān)鍵詞】混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計；應(yīng)用

1、概念設(shè)計

概念設(shè)計是我們結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心。根據(jù)建筑的功能布置，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，這是概念設(shè)計的第一步?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》中有各種結(jié)構(gòu)形式的最大適用高度，但是我們要靈活運用。比如在8度區(qū)，框架結(jié)構(gòu)最大適用高度為40m，而在阿克陶縣的某辦公綜合樓，地上9層，總建筑高度36.80m。阿克陶縣地震分組為第三組，該項目的場地類別為Ⅲ類，按規(guī)范的要求是可以選用的框架結(jié)構(gòu)，實際計算我們發(fā)現(xiàn)，框架梁、柱截面非常大，底層個別框架柱截面達(dá)到1100X1100m，框架梁截面達(dá)到400X1000，嚴(yán)重影響了建筑的使用功能。最終我們選用了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，將框架柱截面控制在700X700，框架梁控制在350X700。

概念設(shè)計的第二步，判斷結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。結(jié)構(gòu)的規(guī)則性包括平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性。平面規(guī)則在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.4.3中有明確的闡述，而針對第4款建筑平面不宜采用角部重疊或細(xì)腰形平面布置沒有明確要求，可參照上?！冻薷邔咏ㄖこ炭拐鹪O(shè)計指南》規(guī)定：結(jié)構(gòu)平面為角部重疊的平面圖形或細(xì)腰形的平面圖形，其中，角部重疊面積小于較小一邊的25%，細(xì)腰形平面中部兩側(cè)收進超過平面寬度50%，（如下圖所示）為特別不規(guī)則。

豎向規(guī)則性在《高規(guī)》3.5條中有具體規(guī)定，針對主樓帶裙房的項目，一定要注意收進部位的高度，如果超過0.2H，需按高位收進考慮，提高相關(guān)構(gòu)件的抗震等級，即使沒有超過，也需從概念上對收進部分做加強處理。

概念設(shè)計的第三步，結(jié)構(gòu)的布置?？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般柱網(wǎng)根據(jù)建筑布置，將柱距控制在6～9m的經(jīng)濟范圍內(nèi)即可，一般需將外側(cè)框架進行加強，以控制周期比，達(dá)到增加抗扭剛度的目的。

2、結(jié)構(gòu)計算

結(jié)構(gòu)計算是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，和合理的方案選擇后，計算的是否正確，是結(jié)構(gòu)安全的保證。

2.1荷載的輸入

荷載應(yīng)依據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值。而在實際取值中，有幾點是設(shè)計人員容易遺漏或者疏忽的：

1. 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》6.1.2條中規(guī)定：對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，基本雪壓應(yīng)適當(dāng)提高。如輕鋼結(jié)構(gòu)基本雪壓可按100年一遇的雪壓考慮。

2.屋面積雪分布系數(shù)，在高低屋面時應(yīng)不小于2，在雨棚輸入時也應(yīng)該考慮。

3.基本風(fēng)壓：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》6.1.2條中規(guī)定對高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓應(yīng)適當(dāng)提高。

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.2.2條規(guī)定：對風(fēng)荷載比較敏感的高層建筑，承載力設(shè)計時應(yīng)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用。

2.2參數(shù)的合理選擇

參數(shù)的合理選擇是計算結(jié)果正確的保證，下面以PKPM軟件SATWE模塊為例，將大家容易忽略的幾個地方進行分析：

1.裙房層數(shù)，容易漏填或未考慮地下室層數(shù)。

2.周期折減系數(shù)不按規(guī)范要求輸入，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）4.3.17條規(guī)定各種結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)，比02版規(guī)范更為嚴(yán)格，計算時相對以前要求更高，特別是針對框架結(jié)構(gòu)，部分設(shè)計人員仍按原來的思路，認(rèn)為規(guī)范是按填充實心磚墻考慮，在規(guī)范條文解釋中已明確，實心磚墻的實測周期更短，此處不能再打折了。

3.不考慮梁活荷載不利布置。

4.梁扭矩折減系數(shù)偏小，按程序默認(rèn)的值取。梁扭矩折減是考慮樓板的對梁抗扭的貢獻(xiàn)，在邊梁和主梁兩側(cè)次梁不在一條線上時，按默認(rèn)0.4取是不安全的，邊梁應(yīng)至少取0.7，主梁兩側(cè)次梁不在一條線上應(yīng)不考慮折減進行復(fù)核。

5.結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：乙類建筑安全等級應(yīng)取一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

3、計算結(jié)構(gòu)的判斷

通過程序計算以后，對計算結(jié)果的合理性。可靠性判斷十分必要，也是一個結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該具備的素質(zhì)。

合理性的判斷

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)類型分析其動力特性和位移特性，判斷其合理性。

剛度、周期、質(zhì)量結(jié)構(gòu)剛度大周期小，周期大小與剛度的平方根成反比，與結(jié)構(gòu)質(zhì)量的平方根成正比。周期小、 質(zhì)量大，則結(jié)構(gòu)的地震作用大。

按正常設(shè)計，非耦連計算地震作用時，結(jié)構(gòu)周期大致在以下范圍內(nèi)，即：

框架結(jié)構(gòu) T1=0.12-0.15N；

框剪結(jié)構(gòu) T1=0.08-0.12N；

剪力墻結(jié)構(gòu) T1=0.04-0.08N；

筒中筒結(jié)構(gòu) T1=0.06-0.10N；

T2=（1/3-1/5）T1；

T3=（1/5-1/7）T1。

其中，N為結(jié)構(gòu)計算層數(shù)。

建筑結(jié)構(gòu)單位面積為重力荷載代表值，對框架結(jié)構(gòu)約為12-14kN/m2，對框架剪力墻結(jié)構(gòu)為13-15 kN/m2，對剪力墻結(jié)構(gòu)約為14-16kN/m2，多層建筑時取小值。

2）漸變性判斷

豎向剛度、質(zhì)量變化較均勻的結(jié)構(gòu)，在較均勻變化的外力作用下，其內(nèi)力、位移等計算結(jié)果自上而下也應(yīng)均勻變化，不應(yīng)有較大的突變。而對帶轉(zhuǎn)換層、大底盤塔樓等結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)豎向剛度，質(zhì)量有突變時，在突變處，其內(nèi)力、層間位移角等肯定也有很大的變化。不符合這個規(guī)律的，肯定有錯，應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)截面尺寸或輸入數(shù)據(jù)（荷載、平面尺寸等）是否正確、合理。

3）平衡性的判斷

結(jié)構(gòu)在任一節(jié)點（或桿件截面）處應(yīng)處于力的平衡狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)的平衡分析。進行平衡性判斷時，應(yīng)注意以下幾點：

（1）平衡分析應(yīng)在結(jié)構(gòu)各種荷載工況作用下的內(nèi)力調(diào)整之前進行，豎向荷載下模擬施工進程的結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果，不能進行平衡分析。

（2）平衡分析只能對同一結(jié)構(gòu)在單一荷載工況（靜載、活載、風(fēng)荷載或地震作用等；X方向左震和X方向右震應(yīng)算兩種不同的荷載工況）條件下進行，平衡分析時必須考慮同一荷載工況作用下的全部內(nèi)力。

（3）經(jīng)過RSS和CQC法組合后的地震作用效應(yīng)不能進行平衡分析，當(dāng)需要進行平衡校核時，可利用第一振型的地震作用進行平衡分析。

（4）電算結(jié)果需注意幾個限值除上述的要求外，對于一般抗震設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)，需注意以下幾個限值：

①軸壓比

抗震設(shè)計時，限制框架柱、框支柱、剪力墻軸壓比的目的都是為了提高構(gòu)件的延性，由于不同的構(gòu)件重要性不同，對延性的要求不同，故規(guī)范對框架柱、剪力墻、框支柱、落地剪力墻、短肢剪力墻等軸壓比限值的要求也不同。

②剛度比

控制樓層側(cè)向剛度比只要是為了控制控制設(shè)計時結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性，避免豎向剛度突變，形成薄弱層或軟弱層。

（1）.樓層最小的地震剪力系數(shù)（剪重比）

由于地震影響系數(shù)在長周期段下降較快，對基本周期大于3.5S的結(jié)構(gòu)，由于計算的水平地結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。但長周期結(jié)構(gòu)地震動態(tài)作用中的地面運動速度和位移可能對結(jié)構(gòu)的破壞影響更大，而規(guī)范的振型分解反應(yīng)譜法尚無法對此作出估計。

（5）位移比、周期比

（1）位移比

1）扭轉(zhuǎn)位移比的計算

按國外的有關(guān)規(guī)定，樓蓋周邊兩端位移不超過平均位移2倍的情況稱為剛性樓蓋，超過2倍則屬于柔性樓蓋。因此，所謂剛性樓蓋，并不是剛度無限大。計算扭轉(zhuǎn)位移比時，樓蓋剛度可按實際情況確定而不限于剛度無限大假定。

2）周期比

周期比是結(jié)構(gòu)抗扭剛度與抗側(cè)力剛度的比值，反應(yīng)的是兩者的相對關(guān)系，而不是絕對大小。控制結(jié)構(gòu)周期比的目的是使結(jié)構(gòu)在具有合理的抗側(cè)力剛度的同時還具有合理的抗扭剛度。

結(jié)束語：

結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個系統(tǒng)的工程，其中存在的問題涉及到方方面面，首先要有整體的結(jié)構(gòu)概念，要能正確選用荷載和參數(shù)，針對計算結(jié)果要能理解每個指標(biāo)的含義，遇到問題能分析出問題所在，并通過不斷實踐，達(dá)到合理解決問題的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計也是一個漫長的積累過程，只有不斷的努力進取，方能做到運用自如。

參考文獻(xiàn)

[1]張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計釋疑級工程實例（第二版）