结构设计的关键问题及其对策培训小结朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》要点.docx

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结构设计的关键问题及其对策培训小结朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》要点

“结构设计的关键问题及其对策”培训小结

--朱炳寅《建筑结构设计问答及分析》要点

本次培训以相关结构规范为出发点，结合工程实例，提出现阶段执行规范的变通办法和设计建议。

小结如下：

一、结构的概念设计

概念设计是进行结构设计的第一步，也是结构设计的关键。

有一个合理的结构概念才会有一个好的结构设计，同时也更有利于建筑设计与效果的完成。

不仅对于建筑物的整体结构概念要清晰，对于结构某一方面（例如建筑地基基础选型、抗震设计等）的概念设计也要合理清晰。

结构概念搞不清楚有可能影响到结构的安全。

结构概念明确，合理选择结构体系、合理设置结构模型及参数才能保证设计质量。

概念设计的着眼点是包络设计。

这是保障结构安全的重要设计方法。

这就要求设计者对每种结构体系下相关规范及结构设计要点有较好的把握。

同时了解了结构概念，有助于思路转换，从而使设计当中的一些问题迎刃而解。

二、荷载的取值

荷载是结构设计的基本要素，荷载的大小影响着结构的周期、位移的大小以及扭转的程度等，荷载准确与否将直接影响到结构计算的可信度。

因此设计人员应当从概念上理解结构设计中所取用的荷载。

研讨班讲解了荷载中的一个重要的概念：

等效均布活荷载。

它指的是在结构设计控制部位，将复杂或者无规律的分布活荷载，用一个“假想的均布活荷载”来替代，以解决结构设计中的复杂计算问题，简化计算。

而确定这一“假想的均布活荷载”数值的原则就是使其作用时产生的效应与实际荷载作用产生的效应相等。

一般情况下可按内力相等的原则确定。

应当注意的是，此处的效应包括计算部位的内力和变形等，此外效应还与结构计算的部位有关。

荷载相同时，效应不同，等效均布活荷载的数值也不同；荷载相同时，计算部位不同，等效均布活荷载的数值也不同。

因此在对等效均布活荷载取值时应把握住等效的基本原则，弄清实际荷载的效应情况，找出其中最不利的效应数值，将其与在等效均布活荷载（满布）作用下，简支情况时构件相应的效应数值相等，即可求出等效均布活荷载。

同时应当了解的是，等效均布活荷载本身是对实际荷载作用的一种简化和近似。

因此在实际工程中对等效均布活荷载进行所谓精确计算，从工程设计角度看既无意义也无必要，只要概念清晰，计算数值上允许有一定误差，能满足工程精

度即可

其次会议上还讲解了汽车荷载的取值问题。

汽车轮压具有荷载数值大、作用位置不确定及一般作用时间较短的特点。

通常情况下，采用汽车等效均布活荷载进行简化计算。

该数值与板跨有直接关系，在相同等级的汽车轮压作用下，板的跨度越小，则等效均布活荷载越大。

汽车荷载的动力系数与楼面覆土厚度等因素有关。

板顶覆土或面层对汽车动力荷载起缓冲和扩散作用，板顶覆土或面层太薄（<0.25m）时，一般可不考虑其有利影响，而当板顶覆土厚度较大（》0.70m）时，可取动力系数为1.0。

覆土厚度在0.25m〜0.70m时，动力系数在1.00〜1.30之间取值。

汽车的动力系数只用于楼板和梁。

对梁板整体结构，汽车轮压荷载在地下结构顶板及顶板梁内都有分布和传递，结构设计时可将轮压荷载按：

楼板-次梁-主梁的路径传递，以简化设计过程。

同时楼板传递给相应支承构件的荷载应按《荷载规范》第5.1.2条的要求进行相应的折减。

《荷载规范》表5.1.1给出的车辆荷载已考虑了动力系数，可直接采用。

因结构面板的覆土及面层对汽车轮压具有扩散作用，当达到足够的覆土厚度时汽车轮压荷载可近似按均布荷载考虑。

足够的覆土数值应根据工程经验确定当无可靠设计经验时，可按后轮轴压的扩散面积不小于按荷载比例划分的汽车投影面积确定相应的覆土厚度hmin。

汽车荷载取值一个常见的认识误区就是容易认为汽车荷载与汽车吨位成正比。

实际上该值的计算取用与汽车总重、车轮着地面积、车辆轴距、轮距、外形尺寸以及车辆的合理间距等有关。

例如30t的汽车跟50t的汽车等效均布活荷载其实相差不大。

单向板、双向板在消防车荷载作用下，不同板跨以及不同覆土厚度时的等效均布活荷载的简化计算，《荷载规范》已给出相关的数值，可供查阅取用。

矩形双向板可分别按短边边长和长边边长确定相应的数值并取其平均值作为矩形双向板的等效均布活荷载值。

同时会议对规范中对于单向板及双向板等效均布活荷载取值的合理性进行了探讨。

会议认为，因为等效原则以及等效计算的合理性问题导致规范取值出现了有悖于结构设计基本原理的不合理取值，并提出了以下简化计算建议：

（1）为避免矛盾，依据2001版《荷载规范》的规定，板跨不小于2m的单向板的等效均布活荷载取35kN/m2，板跨不小于6mx6m的双向板的等效均布活荷载取20kN/m2。

（2）板跨相同的单向板和双向板取用相同的等效均布活荷载数值，板跨在2m（2mx2m）〜6m（6mx6m）之间的等效均布活荷载按线性关系确定。

（3）同时对考虑板顶覆土厚度及板跨影响的等效均布活荷载数值进行修正。

另外，应注意结构布置对梁（尤其是主梁）荷载折减系数的影响，机械套用规范的规定将出现计算不合理的情况。

消防车荷载作用下，关于主、次梁等效均布活荷载的取值给出如下建议：

（1）主、次梁的等效均布活荷载，应根据梁的从属面积确定（用于梁等效均布活荷载计算时，正方形楼板的面积可取2倍梁的受荷面积，计算楼板的等效均布活荷载）；

（2）采用主梁+大板结构布置时，沿柱网布置的主梁，其等效均布活荷载可按《荷载规范》的规定取值；（3）采用主、次梁+楼板的结构布置时，沿柱网布置的主梁，可按柱网跨度确定楼板的等效均布活荷载，主梁的等效均布活荷载按楼板等效均布活荷载的0.8倍计算。

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主梁+十字梁布置主梁+大板布置

三、抗震设计及结构分析

3.1抗震概念设计

抗震设计应重概念轻精度，弄懂了地震破坏的作用机理及抗震设计要点并有针对性地进行抗震设计及采取相关措施，才能有效地防止地震带来的危害。

选择合适的结构体系，并尽量做到结构均匀对称，进行准确的结构分析计算，正确处理好软弱层和薄弱层，是进行抗震设计的关键。

在实际工程中，结构形状的不规则（例如容易竖向不规则的底框结构）及刚度突变（例如下部无填充墙的底商结构）是导致结构容易出现抗震问题的两个重要原因。

但总结起来影响建筑结构抗震设计的因素有很多，主要有：

地震的不确定性、计算假定及计算方法问题、计算参数的选取问题以及计算配筋与实配的失衡问题。

为实现抗震“三水准”的设防目标，采取“两阶段”的设计步骤。

第一阶段,要求建筑结构具有相当的变形能力，不发生不可修复的脆性破坏，用结构延性设计来解决。

也就是在多遇地震作用下，通过对结构（弹性）的承载力及变形验算，隐含着对设防烈度地震作用下结构（弹塑性）的变形验算，保证“小震

不坏”、“中震可修”。

第二阶段，要求结构具有足够的变形能力，其弹塑性变形不超过规定的弹塑性变形限值。

就是通过对罕遇地震作用下结构薄弱部位的弹塑性变形验算，并采取相应的构造措施，保证大震不倒。

对于实际工程中设计使用年限非50年的情况，实际工程中可在《抗震规范》规定的地震作用基础上乘以适当的比例系数。

3.2性能设计

针对工程的需要和可能，建筑的抗震性能设计，可以对整个结构，也可以对某些部位或关键构件。

它寻求的是结构或构件在承载力及变形能力的合理平衡点。

当承载能力提高幅度较大时，可适当降低延性要求；当承载能力水平提高较小时，可相应提高结构或构件的延性。

在建筑性能目标中分了4类目标。

且比较可以看出“三水准设防”目标与“性能设计”的设防目标是相似的。

对各项性能目标，结构的楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，一般应使楼板在地震中基本处于弹性状态，否则，应采取适当的加强措施。

为避免发生脆性破坏，设计中应控制混凝土结构构件的受剪截面面积，满足规范对剪压比的限值要求。

性能目标中的抗震构造“基本要求”相当于混凝土结构中四级抗震等级的构造要求，低、中、高和特种延性要求，大致相当于混凝土结构中三、二、一和特一级抗震等级的构造要求。

考虑地震作用的不确定性，对工程设计中的延性要求宜适当提高。

实际上，我们结构设计中的许多工作其实就是抗震性能设计的具体内容，例如：

“三水准”设防目标就是一种性能目标；对起疏散作用的楼梯，提出采取加强措施，使之成为“抗震安全岛”的要求，确保大震下能具有安全避难和逃生通道的具体目标和性能要求；对特别不规则、复杂建筑结构，根据具体情况对抗侧力结构的水平构件和竖向构件提出相应的性能目标要求，提高结构或关键部位结构的抗震安全性，对水平转换构件，为确保大震下自身及相关构件的安全提出大震下的性能目标等。

建筑抗震性能指标一般应根据建筑物的重要性、房屋高度、结构体系、不规则程度等灵活把握及确定。

抗震性能设计中，一般情况下抗剪要求不应低于抗弯要求。

常见做法有：

（1）抗剪方面：

大震剪应力控制，剪压比W0.15，确保大震下剪力墙不失

效；按中震弹性要求进行抗侧力结构的抗剪控制，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0,即SWR/yre；按中震不屈服要求进行抗侧力结构的抗剪控制，拉力及效应均采用标准值，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0SKWRK。

（2）抗弯方面：

按大震不屈服要求进行结构的抗弯设计，抗力及效应均采

用标准值，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0SKW氐。

按中震弹性要求进行抗侧力结构的抗弯控制，与抗震等级相对应的调整系数均取1.0,即S

（3）其他：

如剪力调整应根据不同结构体系确定相应目标;根据抗震性能目标适当提高结构的抗震等级;设置型钢、芯柱等提高延性的抗震构造措施。

3.3抗震设防分类

首先对一些基本概念搞清楚。

例如“一个区段”应该是指具有同一建筑功能的相关范围，考察的是人员的聚集程度，与建筑功能分区及不同区段出口有关，而与结构是否分缝无直接的关系。

再就是抗震设防标准中地震作用和抗震措施等级的合理确定。

在较大的建筑中，若不同区段的重要性及使用功能有显著不同，应区别对待，但应注意位于下部的区段，其抗震设防级别不应低于上部区段，即不应头重脚轻。

实际工程中应特别注意对局部乙类建筑的把握，区分全楼乙类建筑和局部乙类建筑（如裙房乙类主楼丙类等），在确定结构的抗震性能目标、抗震等级及抗震措施时，对局部乙类建筑应结合其他情况综合考虑。

3.4本地区设防烈度和抗震设防标准

对于某一特定的工程，本地区设防烈度是基本固定不变的，一般是不可调整的（特殊情况经审批可提高或降低）;而抗震设防的标准是可调整的，这种调整需考虑建筑物的抗震设防分类（见《抗震规范》第3.1.1条）及场地类别（见《抗震规范》第3.3.3条）等情况。

对钢筋混凝土结构房屋，《抗震规范》采用本地区设防烈度为基本出发点，用抗震等级作为主要设计手段（但也有少量规定仍与“烈度”有关，且未明确这些规定中的烈度的具体含义），根据建筑物设防类别及场地类别等情况确定抗震措施和抗震设防措施。

对砌体结构房屋，受材料性能和抗震性能的影响，抗震设计的主要内容是抗震措施和抗震构造措施。

由于没有采用抗震等级的概念，因而规范其他条款中的烈度均指按《抗震规范》第3.1.1条和第3.3.3条调整以后的烈度。

3.5楼层位移比和扭（转）平（动）周期楼层位移比关注的是结构实际存在的扭转量值，考察的是楼层结构的整体扭

转效应，因此应按刚性楼板假定计算。

对刚性楼板假定不完全适用的结构，可采用弹性楼板的假定对结构进行补充分析，以限制结构的局部位移。

扭转平动周期比关注的是结构的抗扭能力。

扭转周期过大，说明该结构的抗扭能力弱。

这类结构一旦遭受意外的扭转作用，将会导致较大的扭转破坏，结构

设计中应尽量避免

对扭转不规则程度，可根据结构的弹性层间位移角9E及扭转位移比值卩进行分类。

当弹性水平位移数值较小时，可适当放宽对楼层位移比的限制。

值得注意的是，楼层的层间位移角9E受楼层扭转位移比卩影响很大，当9E数值不满足规范要求时，不一定说明结构的侧向刚度过小，此时应查验楼层位移比卩的计算结果。

当卩数值较大时，应优先调整主要抗侧力结构的布置，减小结构的扭转效应，同时也可明显地减小楼层的层间位移角9E。

3.6关于楼梯对结构设计计算的影响问题对抗震建筑中的楼梯设计应把握以下两点：

一方面，楼梯结构对主体结构的抗震能力影响很大，楼梯的梯跑作为传递水平地震作用的重要构件，往往对主体结构的墙和柱产生重大的影响，使结构柱变成短柱或者错层柱；另一方面，楼梯的梯跑与普通楼梯一样传递水平地震作用，因此，需对梯板予以适当的加强，一般情况下，应在梯跑顶面配置跨中通长钢筋，其配筋率不宜小于0.1%。

楼梯对主体结构的影响主要集中在砌体结构、框架结构和装配式结构中。

在设防烈度地震及罕遇地震作用下，结构进入弹塑性状态，填充墙、砌体承重墙开裂严重，刚度急剧降低，楼梯刚度在主体结构刚度中的比值逐步加大，楼梯对主体结构的影响也随之加大。

现浇梯板起局部刚性楼板的作用，传递水平地震剪力，导致梯板拉裂，框架柱形成短柱及错层柱而破坏。

因此，应根据主体结构与楼梯的侧向刚度大小，采取相应的设计措施：

1）对框架结构中起疏散作用的楼梯，应优先考虑在楼梯间周围设置剪力墙；

2）当楼梯间周边无法设置剪力墙时，应根据不同情况采取楼梯休息平台与主体结构的隔离措施，否则应采取必要的计算措施及加强措施。

常见隔离措施有：

（1）考虑在楼梯间周边设置落地框架柱；

（2）将楼梯休息平台与主体结构脱开或采取梯段下端滑动措施；

（3）宜在梯板周边设置暗梁，提高楼梯抵抗水平地震作用的能力；

（4）宜在休息平台与上层结构之间设置钢筋混凝土构造柱，改善楼梯结构的抗震性能；

（5）当无法采取隔离措施时，在结构计算中应考虑楼梯对主体结构的影响及主体结构对楼梯的影响，并宜进行包络设计；

3）加强楼梯底部等受力集中部位的抗震措施；

4）当无地下室，楼梯在底层直接支承在孤独楼梯梁上时，常在梯板边缘的孤独梁截面处发生破坏，因此应避免采用此做法。

必须采用时，应适当加大楼梯梁的平面外配筋并加密箍筋；

5）设置楼梯形成的框架短柱，柱箍筋除应满足计算要求外，宜按抗震等级提高一级配置；

6）梯柱应按框架柱要求设计。

应确保梯柱截面面积不小于300mmx300mm,最小边长不应小于200mm,并相应增加另一方向的梯柱截面长度；

7）与框架柱、梯柱相连的楼梯平台梁应满足《抗震规范》对框架梁的构造要求（抗震等级可取四级）。

3.7地震力计算方法

1）底部剪力法：

根据地震反应谱,以工程结构的第一周期和等效单质点的

重力荷载代表值求得结构的底部总剪力,然后以一定的法则将底部总剪力在结构高度方向进行分配,确定各质点的地震作用。

因为对高阵型的影响考虑不足,导致V。

偏大，通常情况下会对顶部突出屋面的部分的地震作用效应乘以增大系数3

2）阵型分解反应谱法：

该方法具有普遍适用性,可以求出多自由度体系的地震反应，但对长周期、不规则结构的适用性差。

3）时程分析法：

当阵型分解反应谱法不满足应用条件时，常采用此法。

适

用于小样本的补充计算。

用该法选波应遵循“靠谱”原则，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于阵型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计

算所得的结构底部剪力的平均值不应小于阵型分解反应谱法计算结果的80%。

一

般小震下选取不少于5条天然波，2条人工波；大震下选取不少于2条天然波和1条人工波。

3.8结构抗震验算

1）偶然偏心：

偶然偏心主要用于结构的扭转不规则判别计算及结构和构件的内力计算。

对不规则及多层结构都应考虑偶然偏心。

偶然偏心大小的取值，除采用该方向最大尺寸的5%外（一般取4%〜6%）,也可考虑具体的平面形状和抗侧力构件的布置调整。

实际工程中，当长矩形平面长向计算的偶然偏心数值较大且明显不合理时，也可通过双向地震作用计算比较确定，即调整偶然偏心的数值，使考虑偶然偏心影响的结构扭转位移比数值与考虑双向地震作用的计算结果相近，并将对应的偶然偏心数值确定为该工程长向最后的偶然偏心值。

同时应该注意的是，偶然偏心是一种近似计算，属于估算的范畴。

结构计算中，还是应从结构平面布置入手，尽量减少采用长宽比较大的长矩形平面，多采用圆形及正多边形平面，并采取措施加大结构的扭转刚度，以减小偶然偏心的扭转影响。

2）双向地震：

质量和刚度明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响。

双向地震作用多用于结构及构件的内力计算。

对结构进行规则性判别时，一般情况下，无需采用双向地震的计算结果。

目前进行的双向地震作用计算，只是在单向地震作用（两个方向分别计算）基础上的简单组合，不是真正意义上按两个方向地震同时作用的计算。

一般情况下，双向地震和构件的双向偏心受压计算不同时考虑。

对于大跨度、长悬臂结构还应当考虑三向地震作用。

3）结构剪重比：

当结构的剪重比不满足《抗震规范》表5.2.5的要求时，减

小周期折减系数及加大地震力调整系数均可达到提高地震剪力的目的，尤其宜采用后者，以明确结构概念。

若需要调整的楼层超过楼层总数的1/3或者增大系数大于1.3时，则应对建筑布置和结构体系进行调整。

4）倾覆力矩比：

判别结构体系有“三大三小”重要计算指标。

“三大”是指框架和剪力墙的倾覆力矩比、框架和剪力墙的剪力分摊比以及墙肢拉应力比；“三小”是指周期比、扭转位移比以及层刚度比。

倾覆力矩比作为一个重要的比值，原则上取用底层数据，对复杂结构及超限建筑工程可取用底部加强部位的数据。

规范对倾覆力矩比的划分原则，是建立在《抗震规范》对结构底层框架和剪力墙倾覆力矩的简化计算的基础之上的，也即是结合抗震经验确定的指标。

因此实际工程中应以“规范算法”为主，必要时可采用“轴力算法”进行补充及比较计算。

3.9上部结构嵌固部位的确定嵌固部位在地下室顶面是最经济合理的选择，因此一般工程都应该选择地下室顶面作为嵌固部位。

嵌固部位越降低，总加强范围越大，因而结构的费用越高。

嵌固部位的判别：

1）有地下室时，当地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的1.5〜2倍（即K-i/Ki>1.5〜2）,且地下室外围填土对地下室结构的约束刚度可达到结构自身刚度的3〜5倍时，此时包括地下室结构自身

及回填土影响的地下室总侧向刚度为上部结构的4.5〜10倍，此时地下室顶板可看作是上部结构的嵌固部位。

2）无地下室时，可根据“地下室柱的实际受弯承载力不应小于相应地上柱的1.1倍”以及《抗震规范》第6.1.14条规定：

“地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地下一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍”来判别。

地下室顶板不能作为上部结构的嵌固部位时，嵌固部位应下移至具备嵌固必要条件（该楼层的整体性强、楼层无大洞口、楼层的侧向刚度与地上一层的楼层侧向刚度比不小于2.0）的楼层。

同时应考虑地下室实际存在的嵌固作用，对地下室顶板仍宜按嵌固部位楼层要求设计，其楼板厚度不宜小于160mm。

四、场地、地基基础

相对于建筑物而言，场地是一个较为宏观的范围，它反映的是特定区域内岩石对基岩地震波的滤波和放大作用，是研究场地地面运动的依据，也是研究建筑物抗震设计的基础。

4.1不同场地条件下对建筑物的影响问题不同场地条件下对建筑物的影响不同。

当结构设计中遇到山坡、山顶建筑时，应特别注意不利地形对抗震设计的影响，必要时按《抗震设计》第4.1.8条规定对水平地震影响系数进行相应的放大，以确保结构抗震安全。

对地震区的坡地建筑，当不能避免在坡地上建造高层建筑时，应采取措施，形成局部平地，防止坡地建筑形成大的扭转。

局部平地应采用永久性挡土墙及其他护坡措施。

当无法营造局部平地环境时，应采取切实有效的结构措施，如适当增加剪力墙以提高结构自身的扭转能力，并减少结构的扭转位移量值等。

4.2关于基础底面零应力区问题基底的零应力区控制问题其本质是结构的整体稳定问题，应根据不同建筑结构（高层建筑、多层建筑），不同基础形式（箱式和筏基等整体式基础、单独基础或联合基础）和不同效应（荷载效应、地震作用效应）区别对待。

无地震作用组合时，

（1）对整体式基础（如箱式、筏基等），《高规》第12.1.7条及《地基规范》第8.4.2条均明确规定了在作用的准永久组合下的荷载偏心距e应满足e<0.1W/A；

（2）其他基础（单独基础或联合基础），《地基规范》对基础底面的零应力区没有限制。

但应注意，当基础底面产生零应力区后，基础底面边缘的最大压力应按《地基规范》式5.2.2-4计算；（3）当主楼和裙房采用不同基础形式、或基础的刚度明显不同时，对低压缩性地基或端承桩基础，裙房与主楼的零应力区可分别控制。

有地震作用组合时，

（1）对高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；

（2）对高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础地面面积的15%；（3）当高层建筑采用非整体式基础时，可根据结构的高宽比确定基础底面零应力区的限制要求；（4）对多层建筑，一般情况下可限制基底零应力区面积不超过30%，确有依据且经验算结构的稳定能满足规范要求时，可放宽至不超过50%。

4.3关于地基液化的处理问题

地基液化一般发生在饱和的砂土或者粉土中，当地基中有较大的压力差如基础边角时更易产生。

一般这个过程需要几天的时间。

因此《抗震规范》4.4.4条规定，处于液化土中的桩基承台周围，宜用密实干土填筑夯实，若用砂土或者粉土则应使土层的标准贯入锤击数不小于《抗震规范》第4.3.4条规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。

4.4地基处理-CFG桩

地基处理的根本目的就是提高地基的承载力并减小地基的沉降量。

CFG桩复

合地基是一种地基处理方法，具有承载力提高幅度大，地基变形小等特点,并具

有较大的适用范围。

就基础形式而言，既可适用于条形基础、独立基础，也可适用于箱型基础、筏型基础；就地基土性质而言，适用于处理黏土、粉土、砂土和正常固结的素填土等地基，对淤泥质土应通过现场试验确定其适用性；就地基承载力而言，CFG桩不仅适用于处理承载力较低的土，也适用于承载力较高但变形不满足要求的地基。

CFG桩的施工工艺决定了其具有较强的置换作用，在其他参数相同时，桩越长，桩的荷载分担比（CFG桩承担的荷载与复合地基总荷载的比值）越高。

五、其它

同时与会期间，结合自身实际工程设计中遇到的问题向专家进行了请教。

如

（1）泵房上部框架柱是否需要在抗震墙内设置暗柱至筏板基础？

实际上框架柱下部钢筋只需满足锚固长度