摘要：文章通過土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計的教學實踐，從結(jié)構(gòu)布置、樓板計算、樓梯計算等3個方面，分析了多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)類畢業(yè)設(shè)計計算過程中存在的結(jié)構(gòu)問題，并指出了正確的做法及其理論依據(jù)，旨在增強學生結(jié)構(gòu)知識。

關(guān)鍵詞：土木工程；畢業(yè)設(shè)計；框架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)知識

中圖分類號：TU4；G642.477 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）01-0122-04

土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的重要教學環(huán)節(jié)，是教育與生產(chǎn)勞動和社會實踐相結(jié)合的重要體現(xiàn)。廣西工學院土木工程專業(yè)建筑工程方向采用較多的畢業(yè)設(shè)計題目類型有：5周建筑設(shè)計與7周結(jié)構(gòu)設(shè)計搭配，9周結(jié)構(gòu)設(shè)計與3周施工設(shè)計搭配，7周結(jié)構(gòu)設(shè)計與5周標書設(shè)計搭配。這3種題目類型中均包含有7周或7周以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計部分通常為多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容主要有結(jié)構(gòu)布置、樓板設(shè)計、樓梯設(shè)計、一榀框架設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計及施工圖繪制。結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容較多，存在的問題也較多，筆者在文章中將結(jié)合自己多年指導畢業(yè)設(shè)計的經(jīng)驗，探討了結(jié)構(gòu)布置、樓板設(shè)計、樓梯設(shè)計中存在的主要問題。

一、結(jié)構(gòu)布置問題

框架結(jié)構(gòu)是由梁、柱及節(jié)點構(gòu)成，對其進行結(jié)構(gòu)布置需考慮平面布置及豎向布置。學生畢業(yè)設(shè)計時通常采用不太復雜的建筑剖面，可只考慮結(jié)構(gòu)平面布置，即在已確定的建筑平、立、剖面圖和結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上確定柱網(wǎng)尺寸和承重框架、初估構(gòu)件截面尺寸及設(shè)置變形縫。在畢業(yè)設(shè)計初期，由于學生無設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)構(gòu)整體力學性能概念不甚清晰，較難做出合理的結(jié)構(gòu)布置。其突出問題主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

（一）柱網(wǎng)尺寸問題

柱網(wǎng)尺寸盲目與建筑一致，未能考慮施工方便及受力合理的要求。柱的位置通常在建筑設(shè)計時已由建筑師初步確定，但在進行結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)認真考慮其合理性。

柱網(wǎng)尺寸確定時，未能考慮受力合理的要求。多層框架主要承受豎向荷載，因此布置柱網(wǎng)時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下內(nèi)力分布是否均勻合理，各材料強度均能否充分利用[1]。如圖1的框架A及框架B，均為三跨，但圖1（a）框架A的框架梁跨中彎矩、支座最大負彎矩及柱端彎矩均明顯比圖1（b）的框架B大。后者受力較為均勻，各構(gòu)件材料強度更能得到充分利用，材料用量也較少， 其結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟指標要好。

縱向柱距不能盲目與建筑一致。通常，框架縱向柱距一般取建筑開間，但當開間較小、層數(shù)較少時，柱截面設(shè)計時常按構(gòu)造配筋，材料強度不能充分利用；另外，過小的柱距也使建筑平面難以靈活布置，為此可考慮柱距為兩個開間，柱距為6～9 m為宜。

（二）承重框架選擇問題

學生在結(jié)構(gòu)布置時，基本上千篇一律采用橫向承重框架。通常房屋橫向剛度比縱向剛度弱，采用橫向承重框架可以改善橫向與縱向剛度相差較大的缺點，縱向聯(lián)系梁高度較小，因而可將窗戶尺寸設(shè)計得大些，室內(nèi)采光通風較好，多層框架結(jié)構(gòu)常采用這種承重方案。但對地質(zhì)條件不好，結(jié)構(gòu)整體性要求較高、或承受的水平荷載較大、或樓面開有較大開洞口、或當柱網(wǎng)布置為正方形或接近正方形時，應(yīng)設(shè)計成雙向承重框架[2]。中國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.1條規(guī)定：一般情況下，應(yīng)至少在建筑結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向分別計算水平地震作用，各方向的水平地震作用應(yīng)由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔[3]。因此，要求計算抗震的結(jié)構(gòu)也宜設(shè)計成雙向承重框架。

（三）次梁布置問題

其一，采用橫向承重框架，其次梁沿縱、橫向布置沒有差別。當采用橫向承重框架，由于橫向框架梁截面尺寸較大，縱向聯(lián)系梁截面尺寸較小，因此應(yīng)使主要豎向荷載通過橫向框架梁傳遞給柱，這時一級次梁的布置方向應(yīng)沿縱向。

其二，為節(jié)省材料用量，盡量不布置次梁。布置次梁時，梁的混凝土及鋼筋用量將增加，但由此減小了樓板的計算跨度，樓板的混凝土及鋼筋用量將有效的減少。通?，F(xiàn)澆樓板的厚度h=100～120 mm，而不做剛度驗算的最小板厚為h=（1/30～1/40） l0，因而樓板跨度常取為3.0～4.8 m，此時樓板配筋不會很大，也不致于由構(gòu)造配筋控制。

其三，主梁一跨內(nèi)次梁的根數(shù)為1根或2根沒有差別。在主梁上內(nèi)布置次梁，若為1根時，如圖2（a）梁A所示，彎矩圖為三角形，材料強度只有在跨中點才能得到充分利用；而若為2根時，如圖2（b）梁B所示，彎矩圖近似為梯形，材料強度在兩根次梁之間均能得到充分利用。且在同樣荷載總量的情況下，彎矩值還能有效降低，跨中彎矩降低51.5%，支座彎矩降低9.5%，既節(jié)省材料用量，又使材料得到充分利用。

（四）截面尺寸初估問題

首先，采用截面較寬的框架梁，如350 mm×600 mm、400 mm×700 mm的框架梁。此時應(yīng)考慮框架梁的高寬比（h/b）一般為2.0～3.5，且框架梁的受彎承載力僅與截面寬度的1次方成比例，但與截面有效高度的平方成比例，增大截面高度比增大截面寬度對受彎承載力的貢獻要大得多。

其次，確定框架梁、柱截面尺寸時，未能考慮梁、柱線剛度比的限值。當梁、柱的線剛度比相差比較大（ib/ic﹥5）時，框架梁應(yīng)按鉸支于鋼筋混凝土柱上的連續(xù)梁計算；當梁、柱的線剛度比相差比較小（ib/ic≤5）時，框架梁與框架柱共同形成框架按框架結(jié)構(gòu)計算；況且內(nèi)力計算時，梁端、柱端的彎矩按線剛度分配，線剛度比值（ib/ic）大，將導致梁端分配到的彎矩值過大，也不符合建筑抗震設(shè)計原則之“強柱弱梁”的要求。

再次，確定門窗上梁的截面高度時，盲目按跨高比估算，未能考慮與建筑圖的協(xié)調(diào)。估算梁的截面高度時通常區(qū)別主、次梁分別按其跨高比進行估算。但在估算門窗上梁的截面高度時，應(yīng)注意梁底標高不應(yīng)低于窗頂標高。當梁下墻的高度小于300 mm時，可直接把梁的高度加大，以避免另做門窗過梁。

然后，梁的截面寬度盲目按高寬比估算，造成施工不便。梁的截面寬度應(yīng)按高寬比（h/b）進行估算，但同一條軸線上的梁截面寬度不宜變化，以免施工時支模不方便。

最后，確定主、次梁截面高度時，未能認真考慮支承的問題。在考慮主、次梁及一、二級次梁截面高度時，應(yīng)認真考慮其支承的問題。次梁（或二級次梁）支承于主梁（或一級次梁）上，截面高度不應(yīng)高于后者，以免被支承梁的梁底標高低于支承梁的梁底標高。由于畢業(yè)設(shè)計多要求人工導荷，當房間內(nèi)設(shè)有十字形交叉梁時，為荷載傳遞路線清晰，支承梁的截面高度應(yīng)至少高于被支承梁的截面高度50 mm。

（五）結(jié)構(gòu)平面布置圖表達問題

結(jié)構(gòu)平面布置圖的圖名錯誤。學生上交的結(jié)構(gòu)布置圖的圖名往往是從一層開始，即“一層結(jié)構(gòu)平面布置圖”“二層結(jié)構(gòu)平面布置圖”等。對于沒有地下室的建筑，第一層的結(jié)構(gòu)布置主要依據(jù)建筑圖的第二層進行，因此圖名應(yīng)改為“二層結(jié)構(gòu)平面布置圖”“三層結(jié)構(gòu)平面布置圖”等。但最上一層結(jié)構(gòu)布置的圖名，宜采用“頂層結(jié)構(gòu)平面布置圖”或“屋面結(jié)構(gòu)平面布置圖”，以免給人一種N層樓的建筑物其結(jié)構(gòu)圖卻有N+1層的錯覺。當然，圖名也可采用標高的形式，如底層層高為4.2 m的建筑，考慮建筑裝飾層的厚度為30 mm，第二層的結(jié)構(gòu)布置圖可用“4.170 m結(jié)構(gòu)平面布置圖”表示，以此類推。

未能區(qū)分建筑標高及結(jié)構(gòu)標高。大多數(shù)學生沒有建筑標高與結(jié)構(gòu)標高的概念，上交的結(jié)構(gòu)平面布置圖也基本上采用建筑圖上的標高。建筑標高是指建筑物裝飾裝修層完成后的標高；結(jié)構(gòu)標高是指裝飾裝修層完成前的標高。中國《建筑結(jié)構(gòu)制圖標準》2.0.10條規(guī)定：在結(jié)構(gòu)平面圖中，構(gòu)件應(yīng)采用輪廓線表示，定位軸線應(yīng)與建筑平面圖或總平面圖一致，并標注結(jié)構(gòu)標高[4]。因此結(jié)構(gòu)平面布置圖上應(yīng)采用結(jié)構(gòu)標高而非建筑標高。

未能區(qū)分與建筑平面圖尺寸標注的差異。建筑平面上的尺寸有外部和內(nèi)部尺寸之分：外部尺寸通常有外輪廓的總尺寸、軸線間的距離、各細部的位置及大小等三道尺寸；內(nèi)部尺寸表示房間凈空大小和室內(nèi)的門窗洞、孔洞、墻厚和固定設(shè)施的大小與位置。結(jié)構(gòu)平面布置圖上的尺寸主要有：與建筑圖一致的軸線尺寸，墻、梁、柱等構(gòu)件的定位尺寸，次梁的定位尺寸，墻、梁、柱等構(gòu)件的定形尺寸可采用平面整體表示法表示。

二、樓板設(shè)計問題

樓板計算問題雖然在相關(guān)課程設(shè)計中已接觸過，但是學生仍然存在對部分細節(jié)考慮不周及概念不清的問題。

（一）對活荷載折算目的理解不透

樓板計算時對活荷載進行折算的主要目的是減小所取計算簡圖與實際結(jié)構(gòu)的差異。支承于梁上的多跨連續(xù)板選取計算簡圖時，通常把中間支座視為鉸支座，即梁對板的轉(zhuǎn)動無約束作用。而整體式梁板結(jié)構(gòu)中，板、梁是整體澆筑在一起的，梁對板有一定的約束作用。采用計算簡圖時，在滿布的恒荷載作用下，中間支座轉(zhuǎn)動很小，與實際結(jié)構(gòu)基本相符；但在隔跨布置的活荷載作用下，實際結(jié)構(gòu)由于梁的抗扭剛度約束了板在支座處的轉(zhuǎn)動，使實際結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角小于計算簡圖中的轉(zhuǎn)角。計算時通常采用增大恒荷載值，減小活荷載值的方法來解決上述約束作用引起的誤差。

（二）對彈、塑性計算理論概念不明確

不論是單向板還是雙向板，其內(nèi)力計算的理論均有彈性理論和塑性理論。按彈性理論計算，結(jié)構(gòu)的某一個截面達到承載能力極限狀態(tài)，即認為整個結(jié)構(gòu)達到承載能力極限狀態(tài)；而按塑性理論計算，結(jié)構(gòu)的某一個截面達到承載能力極限狀態(tài)，將出現(xiàn)一個塑性鉸，超靜定結(jié)構(gòu)將減少一次超靜定，結(jié)構(gòu)還能繼續(xù)承受荷載，只有當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)若干個塑性鉸，使結(jié)構(gòu)局部或整體成為幾何可變體系時，才認為結(jié)構(gòu)達到承載能力極限狀態(tài)。按彈、塑性理論計算時，還應(yīng)區(qū)分其計算跨度。

（三）對荷載組合考慮不周全

樓板上的荷載有恒荷載及活荷載，學生做設(shè)計時通常僅考慮將恒荷載標準值和活荷載標準值作為樓板荷載組合設(shè)計值。但根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》3.2.3條：基本組合設(shè)計值應(yīng)考慮由可變荷載效應(yīng)控制的組合及由永久荷載效應(yīng)控制的組合[5]。當活荷載標準值不大于4 kN/m2時，永久荷載分項系數(shù)分別取1.2、1.35，活荷載分項系數(shù)取1.4，組合系數(shù)除書庫、檔案庫、儲藏室、密集柜書庫、通風機房及電梯機房外取0.7。當恒荷載標準值與活荷載標準值大于或等于2.8（即gk/qk≥2.8）時，由永久荷載效應(yīng)控制的組合值要大于或等于由可變荷載效應(yīng)控制的組合，此時應(yīng)考慮恒載起控制作用的荷載組合情況。

三、樓梯設(shè)計問題

常用樓梯的結(jié)構(gòu)型式是現(xiàn)澆板式樓梯和現(xiàn)澆梁式樓梯。樓梯雖然與日常生活息息相關(guān)，但在計算時仍要注意幾個問題。

（一）結(jié)構(gòu)選型時要考慮經(jīng)濟性

由于板式樓梯下表面平整，施工支模較方便，外觀較輕巧，因而受到廣泛使用，但樓梯結(jié)構(gòu)選型時應(yīng)考慮經(jīng)濟性能。板式樓梯斜板厚度常為h=100～120 mm，而厚度估算公式為h=（1/30～1/25） ln（ln為梯段板水平投影長度），因而當ln﹥3.0～3.6 m時不宜再使用板式樓梯，此時混凝土及鋼筋用量較多。

（二）半層高平臺梁的支承要考慮周全

學生在做畢業(yè)設(shè)計時，常使用樓梯間兩側(cè)的墻體來支承半層高的平臺梁。但框架結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)是兩種截然不同的結(jié)構(gòu)體系，其抗側(cè)剛度、變形能力等相差很大，將這兩種結(jié)構(gòu)在同一建筑物中混合使用，對建筑物的抗震能力產(chǎn)生不利的影響。中國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》6.1.6條（強條）：框架結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)計時，不應(yīng)采用部分由砌體墻承重之混合形式；框架結(jié)構(gòu)中的樓、電梯間及局部出屋頂?shù)碾娞輽C房、樓梯間、水箱間等，應(yīng)采用框架承重，不應(yīng)采用砌體墻承重[6]。為此，對需考慮抗震的結(jié)構(gòu)，其樓梯間半層高平臺梁的支承不應(yīng)采用兩側(cè)砌體墻來支承，而應(yīng)考慮以梁上柱來支承。

（三）梯段斜板支座負筋的選配

通常為簡化計算均將梯段斜板和平臺板分開計算，但實際上梯段斜板和平臺梁、板為一個整體結(jié)構(gòu)，梯段斜板、平臺板是一個多跨連續(xù)板，因此在構(gòu)造上需考慮它們之間的整體作用，以降低簡化計算所帶來的誤差。因此在斜板兩端ln/4范圍內(nèi)應(yīng)按構(gòu)造設(shè)置承受負彎矩作用的鋼筋，其數(shù)量可取跨中截面配筋的50%，在平臺梁處板鋼筋的錨固長度不應(yīng)小于30d。

四、結(jié)語

結(jié)構(gòu)問題是土木工程專業(yè)學生在畢業(yè)設(shè)計中經(jīng)常碰到的問題，主要是學生結(jié)構(gòu)概念設(shè)計知識貧乏。在指導畢業(yè)設(shè)計時一定要注意自始自終將結(jié)構(gòu)概念設(shè)計思想灌輸至學生的設(shè)計過程中，以便學生在走向工作崗位之前充分利用畢業(yè)設(shè)計進行理論應(yīng)用于實踐的最后一次預(yù)演，達到學會分析結(jié)構(gòu)問題，盡快熟悉規(guī)范，培養(yǎng)良好的工程習慣。

參考文獻：

[1]程文瀼，顏德姮，王鐵成.混凝土結(jié)構(gòu)（中冊）混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：175-176.

[2] 沈蒲生，梁興文.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2007：183-184.

[3] 中國建筑科學研究院.GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 中國建筑標準設(shè)計研究所. GB/T 50105-2010 建筑結(jié)構(gòu)制圖標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5] 中國建筑科學研究院. GB 50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[6] 中國建筑科學研究院. JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

Structural issues in civil engineering graduation design

LUO Zhen， GE Xin-guang

（Department of Civil Engineering Architecture， Guangxi University of Technology， Liuzhou 545006， P. R. China）

Abstract：Based on our teaching practice in graduation design of civil engineering， we analyzed frequent issues of structural calculation in reinforced concrete frame structure of graduation design from three aspects including the structure arrangement， floor design and stair design， and pointed out correct practice methods and theoretical basis to enhance students’ structure knowledge.

Keywords：civil engineering； graduation design； frame structure； structure knowledge

（編輯 詹燕平）