淺談結構設計中的若干問題

【摘要】隨著我市經濟的迅速發展，建筑類型越來越豐富，建筑規模越來越大，建筑結構設計給結構工程師提出了更多新的挑戰，本文結合作者多年的設計經驗，對常見的若干問題做出分析和探討。

【關鍵詞】結構設計；結構選型；地下室；嵌固端

1、結構選型之框剪和剪力墻

對于我市（6度區）常見的多層和高層住宅，使用較多的結構類型基本上是框架或框架一剪力墻，多層選框架通常是無異議，18層以下的高層是框剪較多，但碰到18層以上的住宅樓就可能碰上選型的問題，到底選框剪還是純剪力墻呢，《高規》里規定，根據框架和剪力墻底層傾覆力矩的比例來判定是框剪結構還是剪力墻結構，在滿足位移角的前提下，如果墻布置的較多，傾覆力矩接近90%，那還是套剪力墻結構比較合算，此時最好是調整結構布置，使剪力墻的傾覆力矩超過90%，而不是停留在85%、88%等尷尬的位置，因為我們知道，在結構高度80米以內，剪力墻結構的抗震等級是四級，而套框剪結構則是三級，如此則不經濟，但如果是滿足位移角的情況下，剪力墻布置不太多，其所占的傾覆力矩是60%，那就不應該去為了湊成90%而去布置更多的剪力墻，雖然抗震等級是降低了，但增加的鋼筋和混凝土的用量一定會讓你得不償失。

2、大底盤地下室帶塔樓結構的嵌固端設置

隨著工業化和城鎮化進程的加快，人民生活水平的逐步提高，汽車正大踏步地走進千家萬戶，而停車卻成了一大難題，因此建造地下車庫成了新建建筑的必然選擇，近年來，不管是高層建筑還是多層建筑，基本都有建造地下車庫的需求，一個大底盤地下室上面帶十多幢塔樓已經變得司空見慣，然而這也給結構設計帶來了新的問題，如嵌固端的設置問題、超長地下室設縫問題等等。此處就單層地下室嵌固端的設置做些討論，一般單層地下室可以選擇地下室頂板或者地下室底板（基礎）作為上部結構的嵌固端。《抗規》規定：結構地上一層的側向剛度，不宜大于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍，“相關范圍”一般可從地上結構（主樓、有裙房時含裙房）周邊外延不大于20m。按此條規定，相關范圍內地下構件的側剛應大于地上一層構件側剛的2倍，對處于大底盤地下室中間部位的高層來說，無法借助地下室的側墻來滿足此條件，因此必須在地下一層增加剛度：增加墻厚或者增加墻長，對剛度來說墻厚的影響遠沒有墻長影響大，因此若想達到兩倍的數值，得增加不少的剪力墻，這會增加鋼筋和混凝土的用量從而增加造價，同時對地下室的空間利用造成麻煩，這是建筑師不愿意看到的結果。而如果是大底盤地下室帶多層塔樓的情況，那就更糟，因為對于多層的框架結構想在相關范圍內剛度增大一倍，實在是難上加難。因此，筆者認為大底盤地下室帶多幢塔樓能達到在頂板嵌固的條件僅剛度這一條就很難達到，更多情況下是嵌固在地下室底板比較恰當，如此則問題就簡單多了，不需要滿足這樣那樣的限制條件，但要注意的是，此時應按照《高規》5.1.14條：“對多塔樓結構，宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計算，并采用較不利的結果進行結構設計。當塔樓周邊的裙樓超過兩跨時，分塔樓模型宜至少附帶兩跨的裙樓結構。”的規定進行設計。

3、地下室頂板的結構布置

無上部結構的地下室頂板多有覆土，按防水混凝土設計，最小板厚一般取到250mm，對于跨度只有6、7米的雙向板來說，厚跨比為1/30不到，計算下來完全可以滿足強度及撓度的要求，配筋率也不會比構造配筋率多多少，而對于雙向板，裂縫是無法計算的（參見結構技術措施2009版混凝土結構分冊2.6.5條內容），也無需考慮，因此做成無次梁的大板是合理的選擇，現實中也有在中間增加一道次梁的做法，此時，雖然板跨度減少一半，板厚卻仍然取250mm，最小配筋率的限制同樣無法改變，這使得在板上節約下來的僅僅是局部超過構造配筋率部分的鋼筋。對主梁來說，此時大部分均布荷載轉化為集中力作用在其中間位置，這顯然是不利的，以簡支梁為例，假設在中點作用al的集中力，梁的最大彎矩為1/4q12，而相同的荷載如果是均布其上，則最大彎矩只有1/8q12，僅有一半，因此跨中增加一道次梁會加大主梁的彎矩，從而增加主梁的配筋量。此外，最大的浪費應該來自于增加的次梁，由于地下室頂板覆土荷載大，板自重大，活載也較大，從而次梁傳遞到的荷載也是相當大的，使得次梁的截面和配筋都不小，可以說這一道增加的傳遞路徑起到的效果與其產生的造價相比是微不足道的，頂多只是讓我們的板輕松點而已，而這一切本該是板的義務。如果是8、9米的跨度，我們大可以取300mm，道理是完全相同的，厚跨比1/30可以滿足要求，而如果荷載更大的話我們只需要加大板厚即可，就比如3米跨的樓層板當荷載加大時我們會優先考慮增加板厚，而沒人會想去中間加道次梁吧！

4、板邊跨支座嵌固類別

對于板邊跨支座的嵌固來說，理論上既不是簡支也不是固結，應該介于二者之間，對同一塊板來說，寬而高的梁約束大，窄而低的梁約束小，而對于實際工程設計來說，我們沒有必要去弄清到底約束的程度有大，只需要知道什么樣的假設才是最安全的。毫無疑問，固端和簡支二者包絡的設計是萬無一失的，假設固端得到支座最大彎矩和假設簡支得到板底最大彎矩，如此得到的配筋當然是最安全的，但如此設計會造成浪費，而且操作起來麻煩，因此，通常的做法是選取簡支計算保證板底的配筋，支座按構造配筋，此時即使支座約束破壞，變成簡支，板底的配筋量也可以保證板的絕對安全，而此種情況最壞也就是支座出現裂縫罷了，而如果按固端配筋，一旦支座約束不能保證，則可能會出現整個板破壞的結果，而這是不應該發生的。

結語：

以上是筆者從事結構設計工作過程中對一些具體問題的思考和淺薄的認識，由于篇幅所限，實際還有許許多多的問題值得我們去研究和探討。總而言之，結構設計博大精深，身為結構設計師，自當不斷學習，精益求精。