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

1、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

2、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”

3、 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

4、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

5、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0.25m0.70m时，动力系数在1.001.30 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

6、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

7、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6mx 6m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(2mx 2m)6m(6m x 6m)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

8、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

9、载的 0.8倍计算。n n11 i iJ_L J L口 1. B. -I” 上 4” ”1I k I liI I I |1I I I H卄一一一一一卄=III I IIIII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

10、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

11、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

12、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

13、“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W 0.15，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

14、相对应的调整系数 均取1.0,即SW R/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 .0SKW RK。(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 R/丫 re; 按中震不屈服要求进行结构的抗弯控制， 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1.0S 1.52）,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 35倍时，此时包括地

15、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 4.510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

16、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

17、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e0.1W/A； (2)其他基础(

18、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 1 5%； ( 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

19、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

20、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