混凝土结构设计常见问题分析.pdf

19 Building Structure 设计交流 We learn we go 混凝土结构设计常见问题分析 徐琳 尤天直 朱炳寅/中国建筑设计研究院 1 结构计算应注意的问题 采用 SATWE 程序进行结构整体计算时， 对计算参数取 用不当，会影响计算结果的准确性、可靠性，有可能造成计 算结果偏于不安全。 1） 计算中对是否点取“对所有楼层强制采用刚性楼板 假定”选用不当。在结构计算中应采用符合实际情况的楼板 刚度计算假定；当计算模型存在楼板开大洞、不连续、弱连 接的情况，不符合刚性楼板假定时，应采用“弹性楼板假定” 计算， 同时地震作用应采用总刚分析方法计算， 而计算结构 的位移比时， 则应选用 “对所有楼层强制采用刚性楼板假定” 进行补充计算。 2） 在计算框架结构、框架-剪力墙结构、带转换层的 结构时，计算层刚度比选用“剪切刚度”不妥，宜选用“剪 弯刚度”法计算各层侧向刚度比。见文1。 3）在输入风荷载信息中的结构基本周期时，其取值与 结构计算第一周期相差过大。 结构基本周期可直接取用经计 算得到的结构第一周期数值填入，再对结构重新进行计算， 以使结构风荷载的计算更为准确。 4）多层钢筋混凝土结构整体计算，当楼层的弹性水平 位移比大于 1.3 时，而仍未计入双向水平地震作用下的扭转 影响。根据建筑抗震设计规范（GB50011-2001）（简 称抗震规范）第 3.4.2 条规定，当楼层的弹性水平位移比大 于 1.2 时，结构属于平面扭转不规则，又根据抗震规范第 5.1.1 条规定，质量和刚度分布明显不对称（扭转明显不规 则）的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响。建议 当不考虑偶然偏心时，楼层的弹性水平位移比大于 1.2 时， 宜计入双向水平地震作用下的扭转影响。 5）计算有斜交抗侧力构件的结构，当其斜交角度大于 15时，未增加相应斜向抗侧力构件的水平地震作用计算。 抗震规范第 5.1.1.2 条规定，对有斜交抗侧力构件的结构， 当相交角度大于 15时，应分别计算各抗侧力构件方向的水 平地震作用。 6）在结构整体计算时，设计未考虑最不利地震作用方 向的影响。 地震沿着不同的方向作用时， 结构地震反应的大 小一般也不同， 程序计算结果会给出一个最不利地震作用方 向角度， 设计人应将该方向作为斜交抗侧力构件方向的附加 地震作用方向， 增加验算该方向地震作用， 以体现最不利地 震作用的影响，并以此较大的计算结果设计、编制施工图。 7）在计算复杂结构时应注意控制薄弱层，并对其作用 力和内力进行调整。 当结构的层间受剪承载力不符合混凝土 高规第 4.4.3 条时， 设计需要在总信息中定义此层为薄弱层， 使程序能够按照抗震规范第 3.4.3.2 条规定对薄弱层增大地 震剪力和杆件内力； 转换层应强制定义为薄弱层。 如计算某 高层建筑，第 3 计算层（地上 1 层）抗侧力结构的受剪承载 力与相邻上部楼层的比值在两个方向分别为 0.73 和 0.59， 均小于 0.8，设计需要定义此层为薄弱层。 8） 计算柱、墙和基础时，采用的活荷载折减系数应符 合建筑结构荷载规范（GB50009-2002）（简称荷载规 范）第 4.1.2 条。当建筑的使用功能不属于荷载规范表 4.1.1 中第 1（1）项时，活荷载应按 4.1.2 条内的相应规定进行折 减。 例如当计算的住宅建筑含有 3 层底商用房时， 则底商的 活荷载折减系数均应取 0.9 或不折减。计算中要注意，程序 内定的活荷载折减系数为荷载规范表 4.1.2 数值，如折减系 数不同时，需调整折减系数。 9） 计算某四层的钢筋混凝土结构， 采用刚性楼板计算 假定，地震作用振型数取用了前 15 个，由于振型数量取用 过多， 造成计算结构周期不准确， 地震作用下的结构内力异 常。 地震作用振型数量的取用多少与结构层数及结构形式有 关，计算振型数要保证振型参与质量不小于总质量的 90%， 一般在刚性楼板假定的情况下取用的振型数不大于 3 倍层 数，见文2中对于计算振型数的说明。 10）当结构中有越层柱时，计算宜考虑 P-效应，以 控制重力二阶效应对构件的影响。 2 其它计算应注意的问题 1）计算钢筋混凝土框架或框架-剪力墙结构时，当框架 梁与柱偏心较大（偏心距大于柱宽的 1/4）时，设计须考虑 偏心对梁柱节点核心区的不利影响。 计算模型中梁布置应按 实际偏心情况建模；并应参照抗震规范附录 D 的验算方法 进行核心区截面抗震验算； 构造上可在梁支座处采取增设水 平加腋措施， 也可适当减小柱的轴压比控制值， 提高框架柱 的延性。设计应特别注意，在 9 度抗震设计时，不应采用梁 柱偏心较大的结构，见混凝土高规第 6.1.3 条的条文说明。 2）计算长悬臂结构时未考虑竖向地震作用。按抗震规 范第 5.1.1.4 条规定，长悬臂结构应考虑竖向地震作用；按 抗震规范第 5.3.3 条规定， 竖向地震作用可采用静力法计算， 即增加竖向等效荷载；竖向地震作用标准值：在 8 度和 9 度地震区可分别取该结构重力荷载代表值的 10%和 20%。 20 设计交流 Building Structure We learn we go 3）在计算文件中，应对荷载有清楚的计算过程，对特 殊活荷载及有特殊使用要求的荷载取用要提供依据。 例如计 算室外地面的地下室顶板荷载、 屋顶花园荷载、 游泳池的水 深等，以使校审过程或归档后进行相关荷载查询一目了然。 4）结构整体计算时，设计要注意计算的荷载对周边结 构的影响应与实际相符， 避免由于荷载错漏而造成结构构件 内力计算错误。如：计算卫生间、卫生间前室等隔墙较密的 楼板荷载， 楼板上隔墙的等效荷载计算偏小； 计算楼梯荷载 一概按等效板面荷载输入， 在有些情况下分配至楼梯周边梁 上的荷载与实际不符， 造成某些楼梯边梁荷载分配偏小； 计 算自动扶梯边梁荷载时， 计算的荷载形式不符合实际受力状 况或计算的荷载小于厂家提供的荷载等。 5） 在计算有较小高差的楼板配筋时 （如高差300mm） ， 对板在高差处的支座按简支边模型计算和配筋， 笔者认为此 种情况不同于错层楼板计算模型， 建议设计可按无高差连续 板简化计算， 高差处的两边板支座纵向受拉钢筋可参照此计 算结果配置， 设计也可根据高差和梁抗扭刚度等因素， 对支 座弯矩调幅 0.80.9，同时加大相应跨中的弯矩。对于计算 较大跨度悬挑板结构，当悬挑板厚度大于支座内跨板厚度 时， 设计应注意， 悬挑板根部的内跨板支座抗弯承载力应满 足悬挑板根部倾覆弯矩的要求。 6）当计算的悬臂梁跨度较大、受荷较大时，应特别注 意要补充验算该梁在长期荷载效应下的挠度及裂缝。 7） 当地基基础设计等级为甲级、 乙级时， 设计未按 建 筑地基基础设计规范（GB50007-2002）（简称地基规范） 第 3.0.1 条、第 3.0.2 条要求，进行地基变形计算。如高层建 筑与周边纯地下车库连为一体形成大底盘地下室的工程， 其 地基基础设计等级为甲级， 设计应根据场地地质条件和建筑 结构情况进行地基变形验算。 8）计算有一层地下室的建筑时，由于各种因素使0.00 层作为嵌固端有欠缺， 设计应按有一层地下室和无地下室两 种模型分别计算包络设计。 9） 在计算0.00 层无楼板处的地下室外墙时， 地下室外 墙为悬臂挡土墙。 设计应注意除计算墙身配筋外， 必要时尚 应对墙下基础作为挡土墙的一部分进行抗倾覆及抗滑移验 算，基础配筋应满足节点平衡的受力要求。 10） 在计算纯地下车库顶板结构上支立的挡土墙时， 应 注意考虑挡土墙根部弯矩对下部顶板结构的影响， 满足节点 平衡的受力要求。 11） 在设计无地下室的钢筋混凝土框架结构独立柱基础 时， 基础计算除考虑上部轴力的作用外， 尚应考虑柱根部的 弯矩和剪力对地基基础承载力的影响。 12） 设计下沉式庭院结构， 下沉底板的周边设有独立外 墙， 且有地下水影响， 设计要验算整体结构是否满足抗浮要 求， 当外墙作为下沉底板的边梁抵抗地下水浮力时， 外墙除 满足承受侧向土压力的强度和正常使用要求外， 应补充验算 外墙平面内按深梁计算的承载力要求。 13）人防外墙的土压力计算，其分项系数不应取 1.0。 按人民防空地下室设计规范（GB50038-2005）第 4.10.2 条，永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时取 1.2。 14） 在计算挡土墙的土压力、 地基或斜坡稳定及滑坡推 力时（即计算土体的承载能力时），设计要注意荷载效应按 承载能力极限状态下荷载效应的基本组合， 但荷载分项系数 均为 1.0，见地基规范第 3.0.4-3 条要求。而在设计基础、支 挡结构截面或计算基础或支挡结构内力、 确定配筋和验算材 料强度时（即计算结构构件的承载能力时），荷载效应和相 应的基底反力，应按承载力极限状态下荷载效应的基本组 合，并采用相应荷载分项系数，见地基规范 3.0.4-4 条要求。 15） 建筑物的地基变形计算， 传至基础底面上的荷载效 应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合， 不应计 入风荷载和地震作用。见地基规范第 3.0.4-2 条要求。 16）在高层建筑地基基础设计时，按混凝土高规第 12.1.6 条规定：对高宽比大于 4 的高层建筑，基础底面不宜 出现零应力区。 高层建筑主楼和相邻裙楼基础相连且质量偏 心较大时， 可对主楼与裙楼分别进行基底压力计算， 并应分 别满足地基承载力和变形要求，保证高层建筑抗倾覆能力。 17） 计算独立柱基防水板基础时， 防水板计算简图取 四边支撑板不妥。具体计算原则和计算方法建议参考文3。 18）计算书有漏项、缺项、计算结果未给全等问题出现 较多：如未提供大跨钢筋混凝土梁（包括大跨悬挑梁）的挠 度及裂缝验算， 未提供较大跨钢筋混凝土楼板 （包括现浇混 凝土空心楼板）的挠度及裂缝验算，见混凝土结构设计规 范（GB50010-2002）（简称混凝土规范）3.3.4 条；未提 供钢筋混凝土框架结构的薄弱层验算， 见抗震规范 5.5.2 条； 未提供结构超筋超限信息；未提供钢筋混凝土框-剪结构中 框架承担的倾覆力矩占总倾覆力矩的比例信息； 剪力墙厚度 不满足抗震规范要求时， 未补充验算墙体稳定； 未提供梁板 式筏基底板受冲切、 受剪承载力验算， 见地基规范 8.4.5 条。 3 结构构造应注意的问题 3.1 地上结构 1）在很多工程的结构设计中，结构楼板有很大的凹入 或开大洞，使结构平面出现细腰、弱连接部位，结构平面不 满足混凝土高规第 4.3.6 条规定。这种情况宜采用考虑弱连 接楼板变形影响的计算方法（如考虑弹性楼板计算）；构造 上应对弱连接部位的梁板采取相应的加强措施： 如适当加厚 21 Building Structure 设计交流 We learn we go 弱连接楼板的板厚， 对弱连接处的梁、 板配筋适当加强并将 上下纵筋拉通， 适当加大弱连接处边梁两侧的腰筋以提高梁 的抗扭能力和弱连接楼板平面内的承载能力。 2） 楼梯板作为抗震构件，为拉弯、压弯构件，宜设板 面拉通钢筋。 一般情况下， 考虑楼梯板为斜向的简支单向板， 荷载较大， 板厚要求比水平楼板宜适当加大， 楼梯板厚取值 在 1/251/28 的梯板水平投影跨度，参照文4第 5.3.2 条。 3） 在设计现浇钢筋混凝土游泳池独立结构时， 计算游 泳池的侧壁虽满足抗弯承载力要求， 但游泳池底板端部的抗 弯承载力却小于侧壁， 不符合节点弯矩平衡的力学模型。 设 计应加大游泳池底板端部抗弯承载力，满足力学计算模型。 4）一、二级框架梁纵向配筋时容易疏忽的问题：a. 梁 端截面底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值分别小于 0.5 和 0.3，不符合抗震规范第 6.3.3-2 条要求；b. 沿梁全长的顶面 拉通钢筋少于梁两端顶面纵向配筋中较大截面面积的 1/4， 不符合抗震规范 6.3.4-1 条要求；c. 当梁端纵向受拉钢筋配 筋率2%时，按抗震规范第 6.3.3-3 条，要注意梁箍筋直径 应比抗震规范表 6.3.3 的要求增大 2mm； d. 出现梁端纵向受 拉钢筋配筋率2.5%情况，不符合抗震规范第 6.3.3-1 条要 求。 设计可考虑受压钢筋按双筋梁计算， 减小支座纵向受拉 钢筋，也可适当加大梁截面或设置加腋等。 5） 设计的框支梁所配腰筋直径为 14，不符合高规 10.2.8 条构造要求。应按要求调整框支梁腰筋直径16。 6） 在设计各种弧形梁、板时，要注意在转弯处放射钢 筋间距对内弧边和外弧边是不同的， 甚至相差很大。 建议设 计按外弧边计算和控制放射钢筋间距。 7）设计时要注意对框架短柱（由于结构错层或楼梯间 等标高变化而形成的框架短柱） 及一级、 二级抗震等级的框 架角柱的箍筋应沿柱全高加密。 很多设计仍然忽略了这类构 件，未按规范要求加强这类框架柱的抗剪能力。 8）当框架连续梁的相邻两跨的梁跨度相差较大时，应 注意大小跨间的梁支座受力应满足弯矩平衡要求， 对小跨支 座纵向受拉钢筋长度应满足相邻长跨的要求。 9）设计高层剪力墙结构的连梁，当连梁高度大于 700mm 时， 设置的连梁腰筋直径取为 8， 不满足混凝土高规 第 7.2.26-4 条要求，应按规范要求调整腰筋直径不小于 10。 10） 在抗震设计时应注意下列情况， 结构构件的抗震等 级应比混凝土高规表 4.8.2 和表 4.8.3 的相应规定提高，主 要有： a. 部分框支剪力墙的高层建筑，当转换层的位置设 置在 3 层及 3 层以上时， 其框支柱、 剪力墙底部加强部位的 抗震等级宜提高一级采用，见混凝土高规第 10.2.5 条要求； b. 带加强层的高层建筑，加强层及其相邻层的框架柱和核 心筒剪力墙的抗震等级应提高一级，见混凝土高规第 10.3.3 条要求；c. 错层高层建筑，错层处的框架柱和剪力墙的抗 震等级应提高一级；d. 连体高层建筑，连接体及与连接体 相邻的结构构件的抗震等级应提高一级； 以上提高原则当抗 震等级为特一级时则不再提高。 11） 在设计框架-剪力墙结构的非筒体剪力墙时，应注 意对单片剪力墙在每层的墙顶设置边梁或暗梁， 并与单片剪 力墙的端柱组成剪力墙的边框， 以提高剪力墙的变形和耗能 能力，见抗震规范第 6.5.1 条要求。 12） 设计的剪力墙结构在角部设有转角窗时， 应对角窗 部位的结构构件适当加强。 如角窗处楼板适当加厚， 且双层 双向通长配筋；也可在角窗处板内加设斜向暗梁或斜向配 筋， 斜向钢筋锚入角窗两边的边缘构件； 角窗两边的边缘构 件适当加强。参见图集5。 13）钢筋混凝土框架-剪力墙结构设计，当较大跨楼面 梁与剪力墙垂直单面相交时，应依据混凝土高规 7.1.7 条采 取措施，减小梁端部弯矩对墙的不利影响,如梁下剪力墙设 置扶壁柱、 暗柱或减小梁端截面等； 如墙厚不满足框架梁纵 向钢筋的水平锚固长度时，宜尽量采用较小直径钢筋。 14） 剪力墙结构设计， 墙体拉接筋间距的设置不是墙体 竖向和水平向钢筋间距的倍数， 包括剪力墙约束边缘构件的 /2 区段的拉接钢筋也有相同情况。按抗震要求，墙体拉接 筋应钩住剪力墙最外侧的钢筋，详见图集6要求。 15） 设计剪力墙结构， 设计图纸应对结构底部加强部位 的层数或标高给予注明。 16） 设计 8 度地震区填充墙时， 填充墙的拉结筋未按要 求全长贯通，不符合抗震规范第 13.3.3-2 条。5.12 汶川地震 对房屋的震害表明， 填充墙的破坏所造成的次生灾害是十分 严重的， 尤其当填充墙的墙高或墙长较大时， 设计应严格执 行抗震规范对填充墙的拉结筋、 构造柱和水平系梁等构造措 施，对填充墙的抗震设计给予充分重视。 3.2 地下结构与基础 1）无地下室的钢筋混凝土框架结构，对于底层柱的设 计，仅在基础顶面上设置箍筋加密区，未对0.00 刚性地面 上下设置箍筋加密区，不符合抗震规范第 6.3.10-2 条要求。 应按规范要求在0.00 增设箍筋加密区。 2）桩基础设计，单桩承台未在两个互相垂直方向上设 置联系梁； 有抗震要求的柱下独立承台未在两个主轴方向设 置联系梁； 不符合地基规范第 8.5.20 条要求。 宜按地基规范 要求增设承台联系梁。 3）当地基梁底面设置在冰冻线以上，且基底土为冻胀 性地基土时， 设计应采取构造措施考虑基底土冻胀后使地基 梁产生反拱问题。 设计可根据地基土的冻胀性， 对地基梁下 一定厚度采用非冻胀性的砂、 砂石换填夯实； 也可在地基梁 22 设计交流 Building Structure We learn we go 下与地面之间预留 50200mm 的空隙，空隙两侧采用砌体 封堵。见文4第 3.6.1 条。 4） 在设计基础宽度2.5m 的独立柱基础时，基础钢 筋长度可按0.9基础宽度交错布置， 为开发商节省基础投资。 5）在设计基础防水板时，应注意防水板配筋除满足地 下水浮力要求外， 应满足抗弯构件最小配筋率要求， 依据混 凝土规范 9.5.2 条，配筋率应不小于 0.15。 4 设计对施工要求及其它应注意的问题 1） 设计文件中出现“本工程中隔墙均采用厂家砌 块”等指定产品生产厂家的字样是不允许的，根据建筑工 程勘察设计管理条例（国务院令第 293 号）第 27 条，设 计不能指定产品生产厂家。 2）当设计电梯及设备吊装盖板等吊钩时，应注明“严禁 采用冷加工钢筋”。 3）当设计中引用标准图做法时，宜注明图集页码、范 围等， 便于施工选用并避免误选； 当设计采用地方标准构件 时， 应注明选用的地方标准图集号； 同时注意不要采用失效 标准图集。 4） 在设计无粘结预应力混凝土板时，应按无粘结预 应力混凝土结构技术规程（JGJ92-2004）第 4.2 条的相关 要求， 明确板的保护层厚度、 对氯离子的控制和对预应力钢 筋张拉的要求。 5）在设计预应力混凝土构件详图中，应对预应力的张 拉端、锚固端及预应力锚具给予表示或说明。 6）人工挖孔桩属限用技术，设计采用时应充分论证， 采取可靠措施确保施工过程安全及成桩质量， 并应绘出护壁 大样图。当采用大直径人工挖孔桩，且桩距较近时，设计应 注明施工应跳挖。 7） 当工程有大体积混凝土时， 设计应注明施工注意事 项，采取可靠施工技术措施，解决水化热问题。 8）当建设场地有降水要求时，设计应注明对地下水的 施工降水与停止降水时间要求，若建设场地有毗邻建筑物 时，应充分论证工程降水对毗邻建筑物的影响。 9）设计采用 CFG 桩复合地基时，应对基础下褥垫层的 材料及相关的力学性能提出设计要求。 10） 高层建筑的基础埋深， 当按较低一侧地面计算不满 足混凝土高规 12.1.7.1 条要求时，设计应验算整体结构抗倾 覆指标需满足规范要求， 并应对基槽回填土的压实系数提出 要求等，加强周边土对基础的侧限约束。 11） 当建筑外立面造型要求采用大量预制构件时，设 计应对预制构件的连接构造采取可靠的抗震措施， 应配合厂 家提供预制构件及连接大样详图，并对设计图纸复核确认。 参考文献 1 陈岱林,等.多层及高层结构 CAD 软件高级应用PKPM 系列软件 应用指南丛书M.北京:中国建筑工业出版社，2004. 2 中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部.多层及高层建筑结构空间 有限元分析与设计软件 SATWE 用户手册及技术条件M.2005. 3 朱炳寅,等.建筑地基基础设计方法及实例分析M.北京:中国建筑工 业出版社, 2007. 4 建设部工程质量安全监督与行业发展司/中国建筑标准设计研究所. 全国民用建筑工程设计技术措施结构M.中国计划出版社,2003. 5 05SG109-3 民用建筑工程设计常见问题分析及图示(混凝土结构)P55. 6 03G329-1 建筑物抗震构造详图: P18. 7朱炳寅.建筑结构设计规范应用图解手册M.中国建筑工业出版社,2005. （上接 24 页） 切相关，针对具体的需要，设计合理的梁平面布置，使得楼 板厚度和配筋处于一个合理的范围是设计应做的。 一般住宅类剪力墙结构，板跨的划分多由房间布置决 定，结构可调整的余地不大。对一些较大面积、柱网较为整 齐的裙房和地下车库(柱网尺寸 8m 左右)等，应多方案比较 梁布置的合理性。 一般对类似车库功能的楼层，且无太多房间布置的情 况， 可考虑在一个方向通长布置两道次梁的单向板作为优选 方案之一。 而对于裙房有较多房间划分， 设置双向双道次梁的双向 板更利于主、次梁配合建筑的灵活布置。 对覆土较厚的地下室顶板， 有时尚需考虑消防车荷载的 情况，仍旧建议以双向板为宜，便于荷载的多向传递，减少 各道梁承担的荷载。 3 结论 在确保结构方案尽可能合理的前提下， 再对各结构构件 进行精细化设计， 结构用钢量应该可以控制在一个较为合理 的范围内。 参考文献 1 JGJ94-2008 建筑桩基技术规范 S.北京： 中国建筑工业出版社,2008. 2GB50010-2002 混凝土结构设计规范S.中国建筑工业出版社,2002. 3 JGJ 32002 高层建筑混凝土结构技术规程 S. 4 DBJ/T15-46-2005 广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ3-2002）补充规定S.北京：中国建筑工业出版社，2005. 5 GB50011-2001 建筑抗震设计规范(2008 年版) S. 6DGJ32/J16-2005 江苏省工程建设标准 住宅工程质量通病控制标准化 S.北京：中国建筑工业出版社,2006. 7朱炳寅，娄宇，杨琦. 建筑地基基础设计方法及实例分析M.中国 建筑工业出版社，2007. 8刘俊， 赵洋. 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