對一些結構設計和構造的不同看法

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【摘要】對一些結構設計中經常碰到的問題和構造措施提出不同的看法。

　　【關鍵詞】基礎底板；基礎梁；地下室外墻；室外地面活荷載；框架梁；框架柱；樓板預留洞；分隔墻 　　 　　在結構設計實踐中，經常碰到一些設計問題的處理在現行規(guī)范和標準中找不到明確的依據或規(guī)定。設計者參考的通用標準圖集為設計提供了方便，但它們是依據規(guī)范、標準、編制單位和編制人的經驗編制而成的，有不少結合了編者的個人經驗。因此，一些結構構造在不同的規(guī)范、標準和圖集中做法也不盡相同。針對上述情況，筆者對以下幾個問題進行了淺顯的分析，提出一些個人看法，供同行參考和討論。 　　1 基礎底板和基礎梁 　　1.1 《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007-2002）第8.4.9條規(guī)定：“當筏板的厚度大于2000mm時，宜在板厚中間部位設置直徑不小于12mm、間距不大于300mm的雙向鋼筋網。”筆者認為，此條規(guī)定是針對以前筏板較厚時混凝土的分層澆注，為了避免在混凝土硬化的過程中出現層面收縮裂縫。而現在隨著施工工藝的發(fā)展，全國很多地方厚板的混凝土施工已經采用了新方法：分層、放坡、連續(xù)澆注、一次到頂，有效地控制混凝土的水化熱和收縮裂縫，因此厚板中部已沒有設置鋼筋網片的必要性，這樣既節(jié)省了鋼筋又加快了施工進度。 　　1.2 一般基礎梁的截面都設計得較大，其剛度遠遠大于其上部所支撐的框架柱，因此在地震時，塑性鉸往往都發(fā)生在框架柱根部，基礎梁不會產生鉸。所以，基礎梁的配筋構造按照非抗震的做法就可以了。例如：梁端箍筋間距不必加密，只需滿足強度要求；箍筋的彎鉤做成900就可以了，而不必做成1350；梁的縱筋搭接及錨固長度，都可以按照非抗震的要求取值。 　　1.3 《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010-2002）第10.2.16條規(guī)定：“當梁的腹板高度hw≧450mm時，在梁的兩個側面應沿高度配置縱向構造鋼筋，每側縱向構造鋼筋的截面面積不應小于腹板截面面積bhw的0.1%。”筆者認為，此規(guī)定對于截面面積很大的基礎梁來說是值得商榷的。通常由于基礎梁截面較大，按照規(guī)范計算所需縱向構造鋼筋面積也較大，如梁的兩側配置大直徑鋼筋對于減少收縮效果較差。而且地基梁一般埋在土壤內部，受外界溫度變化的影響很小。因此，地基梁兩側縱向構造鋼筋的直徑可取12~16mm，間距可取200~300左右，并沿梁腹板高度范圍內均勻布置。 　　2 地下室外墻 　　2.1 地下室外墻，如高層主樓、多層裙房或純地下車庫，在土和水側壓力的作用下既要計算彎曲承載力也應驗算墻體裂縫寬度，一般這些外墻配筋都是由裂縫驗算控制的。目前在實際工程設計中，裂縫寬度驗算都是按彎曲構件考慮的，設計者往往采用一些小軟件或工具箱計算。由于沒有考慮到墻體存在軸力對裂縫寬度的有利作用，因此為了控制裂縫的寬度而需要增加不少鋼筋。高層主樓或多層裙房底層框架柱軸力傳至地下室時，由于框架柱與外墻結合在一起，底層柱的軸力沿墻擴散且數值較大，完全有可能不需要為了控制裂縫而增加配筋。為了使地下室外墻受力更符合實際且節(jié)省鋼筋，裂縫寬度驗算應該按偏心受壓構件考慮進行局部補充計算。 　　2.2 筆者在設計高層框架-剪力墻結構時，常常碰到下部幾層尤其是地下室層，柱墻混凝土強度等級往往要用到C40~C50，而基礎底板和地下室外墻出于對裂縫的控制混凝土強度等級一般只采用C35或C30。如果與外墻結合在一起的框架柱仍采用高標號的混凝土，則地下室外墻與框架柱的交接處的構造處理會給施工帶來很大困難，且容易形成隱患。由于框架柱在地下室已與外墻形成T形柱，柱軸力沿墻擴散，柱的軸壓比往往很小，遠小于規(guī)范要求的限值。所以筆者在設計與外墻相結合的框架柱時，兩者混凝土強度等級取為相同，如C35或C30。 　　2.3 地下室外墻一般都按防水設計考慮，設計者對外墻外側鋼筋的混凝土保護層厚度的取值依據有些無所適從。根據《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2002）表3.4.1和表9.2.1，二a、二b類鋼筋的混凝土保護層最小厚度為20~25；而根據《地下工程防水技術規(guī)范》（GB50108-2008）第4.1.7-3條規(guī)定，鋼筋保護層厚度應根據結構的耐久性和工程環(huán)境選用，迎水面鋼筋保護層厚度不應小于50mm；又根據《人民防空地下室設計規(guī)范》（GB50038-2005）表4.11.5，外墻外側直接防水鋼筋保護層厚度為40mm，設防水層時鋼筋保護層厚度為30mm。不同規(guī)范給出的外墻外側鋼筋的保護層厚度不一樣，讓設計者產生了疑問。筆者認為，對于一般的民用建筑工程（結構及構件有疲勞問題或混凝土環(huán)境類別為三、四、五類時除外），建議按混凝土結構設計規(guī)范執(zhí)行，不用考慮地下工程防水技術規(guī)范；如果地下室有人防要求，則執(zhí)行人防設計規(guī)范。此外，《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2002）第9.2.4條規(guī)定，當梁、柱中縱向受力鋼筋的混凝土保護層厚度大于40mm時，應對保護層采取有效的防裂構造措施。從該規(guī)定可以看出，采取防裂構造措施的要求僅是針對梁和柱，對地下室外墻和基礎底板則無此要求。防裂構造措施一般采取在保護層中設置Φ4@150的雙層鋼筋網片，但工程界對此持保留意見，原因是對保護層中鋼筋網片自身銹蝕的擔心，當鋼筋網片銹蝕時，不僅起不到對混凝土保護層的保護作用，反而會加速混凝土保護層的剝落從而影響主體結構的安全。因此，工程設計中除基礎底面外，應盡量避免混凝土保護層的厚度超過40mm。 　　3 室外地面活荷載取值 　　3.1 一些設計者在計算地下室外墻時，一般民用建筑的室外地面活荷載往往取為20kN/m2，想必是他們依據《建筑結構荷載規(guī)范》（2006年版）（GB50009-2001）表4.1.1第8項第（2）條。其實這是一種誤解，當消防車停在建筑物外時，與建筑物必須有一定的距離，否則救火云梯無法上升至建筑物上部。另外，一輛消防車占地面積至少為100 m2，荷載折合下來，按5kN/m2是能夠滿足安全的。 　　3.2 在設計上有覆土的地下室頂板時，通常要考慮其上部行駛消防車的情況。而由于《建筑結構荷載規(guī)范》（2006年版）（GB50009-2001）表4.1.1中第8項的消防車荷載，是指消防車直接行駛于樓板上，按其輪壓折合成等效均布荷載的取值。因此不應直接采用35kN/m2或20kN/m2，而應該將消防車輪壓按照覆土厚度擴散后折合成等效均布荷載。 　　4 框架梁、柱 　　4.1 《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010 -2002）第10.2.13條規(guī)定，位于梁下部或梁截面高度范圍內的集中荷載，應全部由附加橫向鋼筋（箍筋、吊筋）承擔，附加橫向鋼筋宜采用箍筋（箍筋布置見混凝土規(guī)范原圖10.2.13）。筆者認為，此規(guī)定有些主觀，與實際受力情況不符。在現澆混凝土結構中，次梁與主梁現澆在一起，次梁傳給主梁的集中力從其交接面就開始擴散開，不存在從次梁底部開始擴散。而且由于次梁與主梁現澆在一起，主梁梁身內部根本就不存在所謂的次梁底部。另外按此規(guī)定理解，當主、次梁等高時次梁梁底與主梁梁底在一個平面上，主梁恐怕早就被次梁沖切破壞了。因此，筆者認為，主、次梁擱置處，次梁傳給主梁的集中力由交接面就開始擴散開，其受力更符合斜截面抗剪特性，即只要主梁斜截面抗剪滿足要求，則主梁受力就沒有問題。另據筆者了解，國外的一些規(guī)范也沒有此項規(guī)定，即主、次梁擱置處不存在所謂的附加箍筋和吊筋。 　　4.2 一些設計者在對框架梁進行配筋時，往往在模型計算結果的基礎上還進行一些放大，尤其是有些結構已經是按抗震等級為一級或二級設計，筆者認為不妥。一般配筋按照計算結果配置就可以了，實際上考慮到樓板T形翼緣和框架柱寬度對框架梁的有利影響，實際配筋應該比計算值更小。因此，筆者認為只需根據計算結果配筋即可，當然某些需要加強配筋的部位另當別論。 　　4.3 一些設計者在進行結構設計時，往往將框架柱截面設計得過于小，雖然從計算結果看各個指標都能滿足要求，更讓建筑設計師和業(yè)主滿意。但如果從“強柱弱梁”的角度來看，就顯得有些不合理。如有些建筑柱距8m、層高4.5m，框架柱截面為500x500，而四周框架梁高都做到650甚至700，梁的線剛度大于柱的線剛度好幾倍。再加上梁柱節(jié)點處梁端配筋往往較大，造成柱的實際承載能力遠小于梁，從而變成了“強梁弱柱”，與抗震目標背道而馳，這一點在現有的震害中已有不少此類情況發(fā)生。因此，筆者認為框架柱截面設計在兼顧建筑使用和各個計算指標的同時，要考慮到避免“強梁弱柱”的出現。如框架柱截面由500x500增大至600x600，對建筑使用空間影響很小，而柱的線剛度卻比原來增大了約一倍。 　　5 樓板 　　5.1 《2003全國民用建筑工程設計技術措施—結構》第5.3.18-2條現澆樓板開洞的構造要求規(guī)定，當預留孔洞直徑D或寬度b大于300mm，但小于1000mm，且孔洞周邊無集中荷載時，應在孔洞邊每側配置附加鋼筋，其每側鋼筋面積應不小于孔洞寬度內被切斷的受力鋼筋總面積的一半。筆者認為，此規(guī)定有些主觀，與實際受力情況不符。通常樓板都有足夠的剛度，當某跨板局部開洞以后，樓板的受力則由非開洞區(qū)域的板底鋼筋和板面支座鋼筋共同承擔，只有將該跨板內非開洞區(qū)域的樓板鋼筋都加強，這樣才更安全、可靠。這一點我們從樓梯設計中可以看出，樓梯一般都是按兩對邊自由、兩對邊簡支（或彈性支座）計算，配筋是整體考慮而不是只在自由邊加強配筋。 　　5.2 《2003全國民用建筑工程設計技術措施—結構》第5.3.18-3條現澆樓板開洞的構造要求規(guī)定，當預留孔洞直徑D或寬度b大于1000mm時，應在孔洞邊加設邊梁。這一條對有些建筑執(zhí)行起來過于嚴格，筆者曾經設計過一些混凝土結構的工業(yè)廠房和醫(yī)院，這類建筑通常各層樓面都有很多的預留孔洞，不少單邊或兩邊洞邊尺寸都大于1000mm，如按此規(guī)定則洞邊四周都設有梁，這樣對于設計和施工來說都很煩雜，而且不經濟。一般這類建筑樓板板厚及配筋都已加強，應允許孔洞的某一單邊或對邊為自由邊，洞邊被削弱的部分由該跨板非開洞區(qū)域樓板鋼筋共同承擔。 　　5.3 在設計一些公建類建筑，如辦公樓、醫(yī)院時，通常建筑樓板上布置有大量的分隔墻，這些分隔墻很雜亂而且大多不固定。有不少設計者在施工圖中要求在分隔墻下加設附加鋼筋，筆者認為這樣可行性不大，而且也是沒有必要的。因為在模型計算時這類分隔墻已按《建筑結構荷載規(guī)范》（2006年板）（GB50009-2001）表4.1.1注5執(zhí)行，即按樓面等效均布荷載處理。此外，建筑在后期使用時有不少分隔墻會變動位置，在施工時鋼筋放樣也可能存在偏差，附加鋼筋不一定剛好放置于分隔墻下。 　　 　　參考文獻： 　　[1]《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010 -2002)。 　　[2]《建筑結構荷載規(guī)范》（2006年版）(GB50009-2001)。 　　[3]《地下工程防水技術規(guī)范》（GB50108 -2008）。 　　[4]《人民防空地下室設計規(guī)范》（GB 50038-2005）。 　　[5]《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007 -2002）。 　　[6]《2003全國民用建筑工程設計技術措施—結構》，2003.2。 　　[7]北京市建筑設計研究院《建筑結構專業(yè)技術措施》，2007.2。