結構設計若干問題的探討

項方同++吳輝輝

摘 要： 本文從幾個問題簡單闡述概念設計在結構設計中的重要性，旨在倡導結構工程師們要加強理論學習，追求對結構原理及力學性質的深刻認識，進而積累，豐富結構概念設計水平。

關鍵詞：工程師；結構原理；概念設計

Abstract： This article briefly discusses several issues that design of concept is the importance of the structural design， and aims to promote structural engineers to strengthen theoretical study， the pursuit of structural principles and a profound understanding of the mechanical properties， and thus， extensive structural conceptual design level.

Keywords： Engineer； Structural principle； Conceptual design

1.關于梁扭矩的折減系數

高規5.2.4條高層建筑結構樓面梁受扭計算時應考慮現澆樓板對梁的約束作用（有時候還有次梁的約束）。當計算中未考慮現澆樓蓋對梁扭轉的約束作用時，對梁的計算扭矩予以折減。折減系數的取值應根據梁周圍樓改的約束情況確定。常規設計中梁兩側都有現澆樓板時，可取0.4，當為獨立梁（兩側均無樓板）時，應取1.0計算。設計中有時候恰恰就容易忽略獨立梁的情況，對結構所有的梁扭矩統一進行了0.4的折減。需要特別注意：梁扭矩折減系數和彎矩折減調幅系數不同，程序對扭矩折減后一般都沒有進行節點扭矩和彎矩的平衡驗算，也就是說，被折減下來的扭矩實際上就缺失了（如果確實周邊沒有樓板的約束），這樣的話對獨立梁來說就存在風險。必須采取措施，一是調整結構布置，避免這種情況，二是取扭矩折減系數為1.0，不考慮扭矩折減進行復核驗算，并包絡設計。

2.對框架梁跨高比的認識

規范對框架梁的截面剪應力及截面尺寸及跨高比都有所規定，但總感覺還不是很透徹。實際上與長短柱混雜的概念一樣（一般設計上對短柱都有充分的認識）。長、短梁在同一榀框架中并存，也是極為不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、負彎矩也很大，其配筋全部由水平力控制，豎向荷載基本上不起作用。同時，由于梁的剪力增大，也會使支撐柱的軸力大幅增大，這顯然不符合協同工作原則，結構造價也會提高。在一些公寓樓、辦公樓、教學樓中容易出現這樣在同一榀框架中出現長短梁的情況，需要引起足夠的重視。

3.強柱弱梁的實現

強柱弱梁概念作為抗震設計中的一個重要概念，實現框架抗震性能實現的重要措施。在結構設計中是必須要重視的，并要保證他的順利實現。汶川地震表明：強柱弱梁是框架實現梁鉸機制的重要結構措施。高規6.2.1條明確規定：抗震設計時，除頂層、柱軸壓比小于0.15者及框支柱節點（框支梁與框支柱的節點一般難以實現強柱弱梁，故可不驗算，而通過規定相應的抗震措施得以保證）外，框架的梁、柱節點處考慮地震作用組合的柱端彎矩設計值應符合下列要求：

（1）一級框架結構及9度時的框架：

ΣMc=1.2ΣMbua

（2）其他情況：

ΣMc=ηcΣMb

《抗規》6.2.2條及《混凝土規范》（第11.4.1條）均有類似規定。

梁端的正彎矩與其相鄰跨的梁端負彎矩組成強柱弱梁驗算中的梁端總彎矩，同樣梁端（梁端的頂部和底部）實配鋼筋直接影響梁端的實際受彎承載力，對強柱弱梁的實現意義重大。而設計中不合理的構造往往會影響強柱弱梁的實現，甚至與帶來災難。如不合理的構件裂縫寬度驗算加大了梁端實際配筋，驗算梁端截面的裂縫寬度時，內力取值與實際截面位置不統一（內力取自柱截面范圍內的梁計算端部，不是真正的梁端，應取柱邊緣處梁的真實截面），這種內力與計算截面的不一致，導致梁端計算彎矩過大，梁端裂縫寬度計算值大于實際值。同時，加大梁端配筋，對強柱弱梁的實現極為不利。二是人為的對梁端鋼筋的超配，加大了梁端實際受彎承載力與計算受彎承載力的差距，亦使強柱弱梁的實現困難。鑒于柱鋼筋在整個結構造價中的比重比較低，為保證強柱弱梁的順利實現，建議對柱子配筋做1.1～1.25的放大。而嚴格控制梁端的實配鋼筋，對梁端鋼筋不宜進行超配，甚至可以適當考慮現澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實際的正截面抗震受彎承載力的影響。

4.對角柱要有足夠的重視

多高層結構設計的主要目的是為了抵抗水平力的作用，防止扭轉。為有效的抵抗水平力作用，平面上兩個正交方向的尺寸宜盡量接近，目的是保證這兩個方向上的“慣性矩”相等，防止一個方向強度（剛度）儲備太大，而另一個方向偏弱。因此，抗側力結構（墻、柱）宜四周布置，以增大整體的抗側剛度及抗扭剛度。防止扭轉的目的是因為在扭轉發生時，各柱節點水平位移不等，距扭矩中心較遠的角柱剪力很大，而中柱的剪力較小。破壞由外向里，先外后里。為了防止扭轉，抗側力結構應對稱布置，宜設在結構的兩端，緊靠四周設置，以增大抗扭慣性矩。因此高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過程中作用卻很大（弱角柱先壞，整個結構的扭轉剛度或強度下降，中柱必定依次破壞）。此外在水平力作用下，角柱軸力的變化幅度也會很大，這樣勢必要求角柱有較大的變形能力，足夠的強度儲備。像《高規》6.2.4條，抗震設計框架角柱應按雙向偏心受力構件進行正截面承載力驗算，一、二、三、四級框架角柱彎矩、剪力設計值應乘以不小于1.1的增大系數。以及6.4.4條邊柱、角柱以及剪力墻端柱考慮地震作用組合產生小偏心受拉時，柱內縱筋總截面面積應比計算值增加25%，可見角柱的重要性。因此，角柱設計時在承載力和變形能力上都應有較多考慮，如加大箍筋、縱筋，包括截面尺寸，以控制軸壓比限制，保證柱子的變形能力。endprint

5.如何把握剪力墻結構的適宜剛度

在剪力墻結構中，一般結構側向剛度較大，而延性較差，有條件可以通過調整剪力墻的連梁剛度，并通過連梁的變形耗能，改善剪力墻結構的延性。但正如《高規》7.1.1條的條文說明敘述：本規程所指的剪力墻結構是以剪力墻及因剪力墻開洞形成的連梁組成的結構，其變形特點為彎曲型變形，目前有些項目采用了大部分由跨高比較大的框架梁聯系的剪力墻形成的結構體系，這樣的結構雖然剪力墻較多，但受力和變形特性接近框架結構，當層數較多時對抗震是不利的，宜避免?？梢娺B梁的剛度也不是越小越好，過小的連梁剛度，減弱了連梁的耗能能力，使剪力墻結構成為全部為獨立墻肢加弱連梁的壁式框架結構，對抗震不利。因此，度的拿捏很重要。

6.框架-剪力墻結構的基礎設計

在框架-剪力墻結構中，剪力墻作為第一道防線吸收了很大部分的地震作用，同時當剪力墻布置相對集中時，考慮地震作用組合的基礎面積較大，而框架柱下的則基礎面積較小。這樣會帶來兩個問題，一是剪力墻下基礎面積過大，基礎設計很困難；二是在正常使用條件下框架柱與剪力墻基礎的差異沉降較大，影響結構的安全及正常使用。框架-核心筒、板柱-剪力墻等結構體系都有類似問題。因此當按地震作用標準組合效應確定基礎面積或樁數量時，必須對改問題有足夠的重視，可以充分考慮剪力墻下基礎的各種有利因素，如樁土共同作用等，以適當減少剪力墻下的基礎面積，并使剪力墻下基礎面積與正常使用狀態下需要的面積相差不要太多。

結語：

在一體化計算機結構程序設計全面應用的今天，對計算機的依賴越來越嚴重，甚至與計算機結果明細的不合理，甚至錯誤而不能及時發現。尤其是現行的結構設計理論與計算理論存在許多的缺陷或不可計算性，比如對混凝土結構設計，內力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態設計方法，這一矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態差之甚遠，為了彌補這類計算理論的缺陷，都需要優秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。為此，結構工程師只有加強結構概念的培養，不斷的學習，深入、深刻的了解給類結構的性能，不斷豐富自己的結構概念，并能有意識的運用他們，方能使設計成果越來越創新、完善。

參考文獻

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[2] 建筑抗震設計規程，GB 50011-2010

[3] 朱炳寅.建筑結構設計問答及分析.第二版.

[4] 馬國庫、徐太安.淺談結構概念設計在建筑結構設計中的作用.黑龍江科技信息，2008（35）

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【文章編號】1006-2688（2017）07-0070-02endprint