王文東

(廣州珠江外資建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣東廣州 510000)

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題及解決方法

王文東

(廣州珠江外資建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣東廣州 510000)

本文總結(jié)了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些工程經(jīng)驗(yàn)，就結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算的一些問題進(jìn)行了分析。本文以位于廣東省的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為主。

混凝土結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)

在工程實(shí)踐中，大部分民用建筑設(shè)計(jì)采用的都是比較常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)。多層房屋一般采用框架結(jié)構(gòu)或帶少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)；高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)或框支剪力墻結(jié)構(gòu)；A級(jí)高度的辦公樓采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)或框筒結(jié)構(gòu)。本文主要總結(jié)個(gè)人在工程實(shí)踐中對(duì)這類常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的一些問題及解決方法。對(duì)于許多大跨度公共建筑，如劇院、體育場(chǎng)館、交通樞紐等，主要結(jié)構(gòu)特征不在混凝土結(jié)構(gòu)上，一般以大跨度的鋼結(jié)構(gòu)為主要特征，樓層概念也往往不明顯，不在本文的討論范圍。

1 結(jié)構(gòu)布置中的常見問題

框架結(jié)構(gòu)布置靈活，在中小學(xué)、商業(yè)裙樓、住宅公建配套等多層結(jié)構(gòu)大量采用。抗震設(shè)計(jì)不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)，如遇到局部的大開間如風(fēng)雨操場(chǎng)等需要布置單跨框架時(shí)，應(yīng)在兩側(cè)布置剪力墻或多垮框架，以避免單跨框架的抗側(cè)剛度超過總抗側(cè)剛度的50%[1]，同時(shí)應(yīng)避免一端全為單跨框架的情況。出于建筑功能的要求，往往樓板大開洞，必要時(shí)應(yīng)考慮樓板斷裂后分成多個(gè)單體來復(fù)核抗震承載力。樓梯布置應(yīng)避免偏置，但工程實(shí)踐中很難避免；另外樓梯對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也并沒有很合理的設(shè)計(jì)方法，工程中罕見采用滑動(dòng)支座來降低樓梯對(duì)主結(jié)構(gòu)的影響。在多層住宅中，為了不露柱需要，工程上較多的采用異形柱，從施工質(zhì)量來看，個(gè)人建議盡可能少用異形柱，異型柱較多時(shí)在樓梯間電梯間等可能的位置增加剪力墻。

高層住宅基本上采用剪力墻結(jié)構(gòu)或框支剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻剛度大，從體系上來說，沒有梁結(jié)構(gòu)都是成立的，邊框梁目的是保證樓板的平面內(nèi)抗彎能力。住宅設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)部梁的布置應(yīng)優(yōu)先滿足建筑要求，然而工程上常見剪力墻面外單挑懸臂梁來支承大跨梁，這不合理，宜做一塊大的異型板，至少板底筋貫通。兩墻之間的連梁在風(fēng)載作用控制，往往為設(shè)計(jì)所忽略，連梁在抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，折減系數(shù)不應(yīng)當(dāng)取0.6，應(yīng)按折減系數(shù)1.0來補(bǔ)充計(jì)算復(fù)核連梁，尤其是聯(lián)肢墻。住宅設(shè)計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)中部電梯間位置樓板不滿足5m的要求，優(yōu)先采用把電梯間、樓梯間的剪力墻合理布置，形成結(jié)構(gòu)的核心筒。水平力已經(jīng)直接傳遞給核心筒，從體型上就不是規(guī)范所指的十字型，同時(shí)核心筒內(nèi)壁的樓板也不存在不連續(xù)的問題。

框支剪力墻結(jié)構(gòu)由于底部大空間，能為業(yè)主提供更好的活動(dòng)場(chǎng)地而在住宅中應(yīng)用的越來越多，由原來主要用在商住項(xiàng)目到現(xiàn)在普遍采用二層轉(zhuǎn)換以騰出首層高間給住戶活動(dòng)。局部的車道轉(zhuǎn)換，控制剪力墻轉(zhuǎn)換面積不超過10%，可以認(rèn)為是局部轉(zhuǎn)換，不屬于框支剪力墻結(jié)構(gòu)。10%的剪力墻面積應(yīng)當(dāng)是分方向統(tǒng)計(jì)，可以扣除與柱重疊的面積。對(duì)于框支剪力墻結(jié)構(gòu)的住宅，基本上布置合理可以做到僅2.5項(xiàng)超限（廣東省標(biāo)準(zhǔn)）：豎向構(gòu)件不連續(xù)、凹凸不規(guī)則，扭轉(zhuǎn)I類不規(guī)則，無需進(jìn)行超限審查。凹進(jìn)位置的布置拉梁，應(yīng)視為凹凸不規(guī)則而不是樓板不連續(xù)，中部樓梯及電梯間布置成為較完整的核心筒以使結(jié)構(gòu)避免中部的樓板不連續(xù)。

電梯及樓梯間是否形成核心筒，規(guī)范并沒有給出明確的定義及指標(biāo)，如承受總抗傾覆彎矩或剪力的比值，概念上剪力墻+強(qiáng)連梁形成筒體基本上就是一個(gè)核心筒，但往往受建筑布置的影響，往往導(dǎo)致某一邊斷開不能形成完整的筒體。通過加強(qiáng)局部樓板，讓中部的強(qiáng)抗側(cè)力構(gòu)件能協(xié)同工作，應(yīng)當(dāng)也能看成是核心筒。

廣東省標(biāo)準(zhǔn) 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》DBJ 15-92-2013（以下簡(jiǎn)稱《廣東省高規(guī)》）取消了周期比限制，這是建立在有效控制扭轉(zhuǎn)位移比的前提下的。研究表明扭轉(zhuǎn)位移比更能反映結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[2]。這在框筒結(jié)構(gòu)體現(xiàn)的更為明顯，當(dāng)外框架剛度不是特別強(qiáng)時(shí)，雙向?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)周期比不滿足高規(guī)的要求甚至第一周期是扭轉(zhuǎn)周期，但是規(guī)定水平力作用下的位移比非常小。如果核心筒稍微偏置，扭轉(zhuǎn)周期含一定的平動(dòng)分量，周期比反而能滿足規(guī)范要求，這是相當(dāng)荒謬的。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算的一些經(jīng)驗(yàn)

超限高層需要進(jìn)行時(shí)程分析，天然波的選擇相當(dāng)令人困擾。從概念上，天然波應(yīng)當(dāng)選擇同樣頻譜特征的地震波，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)主要振型的周期點(diǎn)上相差不超過20%（滿足這要求，底部剪力也基本滿足規(guī)范要求）。然而通過譜分析計(jì)算就會(huì)發(fā)現(xiàn)，普通的天然波頻譜在高周期分量都遠(yuǎn)小于規(guī)范反應(yīng)譜，要滿足規(guī)范，需要到地震局購(gòu)買吻合結(jié)構(gòu)周期與場(chǎng)地的天然波。普通天然波的頻譜在長(zhǎng)周期的分量下降的比規(guī)范反應(yīng)譜快，計(jì)算得出的內(nèi)力也一般比反應(yīng)譜法計(jì)算的小。如果特別挑選高周期存在較大值的天然波，則計(jì)算結(jié)果在某些樓層會(huì)比規(guī)范反應(yīng)譜法計(jì)算的要大。在廣東省的實(shí)際工程中，往往是采用2條PKPM（或EBABS、MIDAS等程序）自帶的天然波和一條人工波來進(jìn)行計(jì)算，天然波采用放大系數(shù)以滿足規(guī)范要求，應(yīng)當(dāng)是地震的不確定性太大，就沒有象某些省份那樣強(qiáng)制要求去地震局購(gòu)買與結(jié)構(gòu)周期吻合的天然波。時(shí)程分析通常用于分析結(jié)果的危險(xiǎn)破壞位置，設(shè)計(jì)上還是應(yīng)當(dāng)以反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。相應(yīng)的動(dòng)力彈塑性（EPDA）的分析結(jié)果也不如彈塑性靜力分析（PUSHOVER）的結(jié)果可信。

柱的抗剪能力一般情況下取決于縱筋，應(yīng)當(dāng)校核PKPM連層柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。只要一邊有梁（剪力墻）的情況下，面外就算無支承，程序都會(huì)按樓層有支承而取默認(rèn)的計(jì)算長(zhǎng)度。連層柱由于剛度小，剪力小，如果按照計(jì)算結(jié)果配筋，會(huì)導(dǎo)致在大震時(shí)別的框架出現(xiàn)鉸時(shí)不能有效抵抗側(cè)向力，宜補(bǔ)充框架梁按非連層柱計(jì)算剪力，然后按柱的實(shí)際跨度來計(jì)算柱端彎矩，當(dāng)然這比較偏于安全考慮，實(shí)際上剪力彎矩可以略小一些。某些工程框支柱為三層的連層柱，由于外圍有框架梁，程序柱的計(jì)算跨度有誤，導(dǎo)致配筋結(jié)果不能滿足JGJ 3-2010（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）中第10.2.17條要求。

PKPM在計(jì)算框架梁及框支梁剪力時(shí)，按《高規(guī)》6.2.5計(jì)算時(shí)，梁的計(jì)算跨度是有問題的，是按梁段的兩節(jié)點(diǎn)來取的，而不是按柱節(jié)點(diǎn)間距取。

進(jìn)行超限結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇合適的性能目標(biāo)。一般結(jié)構(gòu)按常規(guī)設(shè)計(jì)，規(guī)范認(rèn)為是能滿足C級(jí)性能目標(biāo)的，不需要特別驗(yàn)算。對(duì)于復(fù)雜高層及復(fù)雜結(jié)構(gòu)，就應(yīng)當(dāng)按選定的性能目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。如一般情況A級(jí)高度的框支剪力墻結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)是等級(jí)C，但是其中冗余度小的懸臂轉(zhuǎn)換構(gòu)件應(yīng)當(dāng)采用等級(jí)B的性能目標(biāo)。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)規(guī)范不可能就所有問題給出規(guī)定，規(guī)范許多要求也有其適用范圍，程序的計(jì)算結(jié)果更是應(yīng)復(fù)核后采用。設(shè)計(jì)人應(yīng)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，合理選擇結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件布置，使結(jié)構(gòu)傳力路徑盡可能短，剛度均勻且適當(dāng)。然后結(jié)合受力分析，來靈活進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。不應(yīng)當(dāng)迷信計(jì)算結(jié)果，也不應(yīng)當(dāng)把規(guī)范當(dāng)教條。

[1]DBJ 15-92-2013 廣東省標(biāo)準(zhǔn)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

[2]李英民,韓軍,劉建偉.建筑抗震設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)周期比控制指標(biāo)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009,30(6):77～85.