建筑结构设计的常见问题

在实际工作中, 由于种种原因, 结构设计人员容易在砌体结构设计、屋面梁与配筋、楼层平面刚度计算及原则、构造箍筋等环节出现失误。主要问题如下:

1 砌体结构设计中存在的问题及处理措施

1.1底层框架;剪力墙砌体结构挑梁裂缝问题

底层框架剪力墙砌体结构房屋是指底层为钢筋混凝土框架;剪力墙结构,上部为多层砌体结构的房屋。该类房屋多见于沿街的旅馆、住宅、办公楼,底层为商店,餐厅、邮局等空间房屋,上部为小开间的多层砌体结构。这类建筑是解决底层需要一种比较经济的空间房屋的结构形式。部分设计者为追求单一的建筑立面造型来增加使用面积,将二层以上的部分横墙且外层挑墙移至悬挑梁上,各层设计有挑梁,但实际结构的底层挑梁承载普遍出现裂缝,该类挑梁的设计与出现裂缝在临街砌体结构房屋中比较常见。

原因是原设计各层挑梁均按承受本层楼盖及其墙体的荷载进行计算。但实际结构中,悬挑梁上部墙体均为整体砌筑,且下部墙体均兼上层挑梁的底摸,这样挑梁上部的墙体及楼盖的荷载实际上是由上往下传递。上述挑梁的设计计算与实际工程中受力及传力路线不符是导致底层挑梁承载力不足并出现受力裂缝的主要原因,解决的办法要么改变计算简图及受力路线,要么注意施工顺序和施工工序。

1.2砌体结构布置方式及抗震分析

(1)横墙承重的结构布置:一般房屋为矩形平面,其横向刚度远小于纵向刚度, 因此有足够数量的横墙,是提高结构抗震性能的主要途径。由震害可知,墙体多为剪切破坏,因此,为了提高横墙的抗震能力,必须提高其抗剪强度。主要措施是提高材料的强度等级,增加横墙上的轴压力。为此,应尽量使横墙成为承重和隔断合二为一的墙体。

(2)纵横墙共同承重的结构布置。当房间较大时,设有沿进深方向的梁支承于纵墙上,使纵墙承重。楼板沿纵向搁置, 故形成横墙承重,横墙间距不入,一般可满足抗震要求,同时纵墙也因轴压力的存在而提高了抗剪能力。另一方案是纵墙承重与横墙承重沿竖向交替布置,这种方案实际应用不多。

(3)纵墙承重的结构布置。该种布置方案,横墙间距大、数量小,且轴压力较小,故对抗震不利;纵墙多易引起弯曲破坏,应慎重选用。

(4)混合承重结构布置。这种布置可有多种布置方式,如内框架砌体结构、底层框架砌体结构及局部框架砌体结构等。这种结构体系由两种结构材料弹性模量和动力性能相差很大的两种结构体系组成,因而不是一种良好的抗震结构形式。但因其能满足建筑使用要求,提供较大的使用空间,且结构经济、方便施工,应用较多。总之,选择哪种砌体结构是抗震结构设计中的关键环节,应从抗震的概念设计出发,综合建筑使用功能、技术、经济和施工等方面进行选择。

2 楼层平面刚度的问题

一些设计在缺乏基本的结构观念或结构布置缺乏必要措施时,采用楼板变形的计算程序。尽管程序的编程在数学力学模型上是成立的甚至是准确无误的,但在确定楼板变形程度上却很难做到准确。作为计算的大前提都无法“准确”,就不可能指望其结果会“正确”了。据此进行的结构设计肯定存在着结构不安全成分或者结构某些部位或构件安全储备过大等现象。为了使程序的计算结果基本上反映结构的真实受力状况而不致于出现根本性的误差,设计时应尽可能将楼层设计成刚性楼面。要做到这一点,首先应在建筑设计甚至方案阶段就避免采用楼面有变形的平面比如楼层大开洞、外伸翼块太长、块体之间成“缩颈”连接、凹槽缺口太深等。其次要从结构布置和配筋构造上给予保证, 对于使用功能确实必需的,或者建筑效果十分优越的建筑设计,如果其平面无法完全符合刚性楼板的假定,那么在结构设计时可以通过增设连系梁板、洞口边加设暗梁边梁、提高连系梁板或暗梁边梁的配筋量、采用斜向配筋或双层配筋形式等方法,尽量满足刚性楼板的基本假设,或者弥补由于不是绝对的刚性楼板假定而产生的计算“误差”。

3 屋面梁与配筋的问题

(1)屋面梁配筋太少。结构建模时, 设计人员图方便,屋面梁直接拷贝下层梁的尺寸。由于屋面梁荷载较小,计算结果配筋不多,这样屋面梁在温度变化、混凝土收缩和受力等作用下因配筋率过低而裂缝宽度较大。

(2)受扭屋面梁缺少必要的腰筋。对于一般的梁,为了保持钥筋骨架的刚度, 同时为了承受温度和收缩应力及防止梁腹出现过大的裂缝,一般构造措施为梁腹板高度大于450mm时加设腰筋,其间距≤200mm,然后拉筋勾连。对于受扭构件,《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第10.2.5条第二款规定,其纵向受力钢筋的间距不应大于200MM和梁截面短边长度。对于设置悬挑檐口的屋面梁,在结构设计中误等同一般梁,未按受扭构件设计配筋。

基于以上问题,怎样对结构计算中几个重要参数的合理选取是建筑结构设计中应该重点考虑的,笔者从以下三个方面进行说明:

a振型数的取值

振型数取多少关系到结构计算结果的精度。对于平面不规则、刚度不均匀的复杂结构,尤其对于多塔结构、大底盘结构,在考虑扭转耦联计算时,很难确定应该取多少个振型来计算地震作用。若振型数取少了,有些高振型的地震作用计算不出来,结构抗震设计不安全;若振型数取得太多,又增加很多计算工作量。一般应遵循以下原则:当不考虑扭转耦联计算时,至少应取3;当振型数多于3时,宜取3的倍数,但不应多于房屋的层数;如层数≤2时,振型数可取2或1,如层数=5层时,振型数可取3,而不能是6;对于不规则的结构,当考虑扭转耦联时,振型数应取≥9,结构层数较多或结构刚度突变较大,振型数应多取,但又不能多于房屋层数的3倍。

b周期折减系数

框架结构由于填充墙的存在,使结构的实际刚度大于计算刚度,计算周期大于实际周期。因此算出的地震剪力偏小,使结构偏于不安全,所以对结构的计算周期进行折减是必要的。但对框架结构的计算周期不折减或折减系数取得过大都是不妥当的。对于砌体填充墙,周期折减可取 0.6～0.7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时,可取0.7～0.8;完全采用轻质墙体板材时,可取0.9;只有无墙的纯框架,计算周期才可以不折减。周期折减系数不改变结构的自振特性,只改变地震影响系数。

c梁跨中正弯矩放大系数

此系数主要是对那些楼面活荷载较大的多层建筑设置的,不能泛用。当梁上不计算活荷载或不考虑活荷载的不利布置时,一般取放大系数1.2,以弥补梁跨中弯矩偏小之不足;当多层建筑推导荷载时,将永久荷载与楼面活荷载分开计算,并作活荷载不利布置,此时系数应取1.0,不再放大。一般计算高层建筑时,为了计算简化起见,永久荷载与楼面活荷载不分开计算,也不作活荷载不利布置,此时梁跨中正弯矩放大系数应取1.2。

4 结束语

砌体结构设计是随着经济发展及人们对建筑物功能要求改变,又随着科技的进步而得以实现和解决。以上所提到的几个问题是设计人员在工程设计中较易出差的地方,对设计者来说要把提高设计质量作为终身奋斗的目标,为祖国贡献自己的力量。