结构设计中常见几个问题的探讨

结构设计中常见几个问题的探讨
摘要：本文主要就建筑结构设计中比较常见而新手们有比较难以把握的问题（如超长不设缝结构、框架剪力墙结构、高层建筑嵌固端的设计）做一些探讨：
关键词：高层建筑；超长；不设缝；框剪结构；嵌固端
中图分类号：tu318 文献标识号：a 文章编号：2306-1499（2013）03-（页码）-页数
建筑结构设计是一项严谨而科学的工作，需要结构设计人员在满足国家规范的前提下，设计出既能满足业主和建筑功能要求、又尽可能地做到经济合理的建筑；本人在设计院从事建筑结构设计多年，碰到了一些形形色色的问题，同时也见到了其他一些结构设计同仁在设计成长过程中的一些经历，现就结构设计中一些新手比较难以定义的问题做一些探讨，并提出自己的一些初浅建议和看法。

1.关于结构超长又不设缝的问题
《混凝土结构设计规范》gb 50010—2010第8.1条对钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距做出了相关规定（以常见的现浇式框架结构为例，室内或土中55m），实际工程设计中经常碰到一些建筑功能上要求不设缝的情况，规范在8.1.2条和8.1.3条也允许在条件满足的情况下有所突破，但具体能突破到什么程度，要采取什么样的措施呢？规范在这上面没有明确，比较模糊，所以各个设计人员自己把握的尺度不一样，图纸审查人员也是审查意见也不尽一致，出现有的设计600多米也不设缝，采用多道后浇带或膨胀带来解决；
1.1关于后浇带能不能取代伸缩缝
笔者认为，不能完全取代；这一点在规范条文说明中也已经明确“应该注意的是：设置后浇带可适当增大伸缩缝间距，但不能代替伸缩缝。

”为什么呢？因为，实际上后浇带是避免施工期收缩裂缝的，对于减少施工期间早期混凝土硬化收缩产生的裂缝是很有效的，甚至可以等效伸缩缝；但间隔期及具体做法不确定性很大，难以统一规定时间；而且，后浇带浇筑后，对于后期混凝土徐变以及正常使用期间的比如气温变化引起的温度应力裂缝基本上就就没
有作用了；另外，由于施工人员的素质参差不齐，在实际工程中，笔者甚至见到过有些工程由于后浇带混凝土与主体混凝土衔接不
紧密，反而在后浇带位置出现通缝的想象；所以，设计人员一定要清楚这个概念，有后浇带可以适当放宽设缝间距，但不能完全代替伸缩缝；
1.2采取相关措施后设缝间距能突破到什么程度呢？
由于现在建筑工程有大型化、复杂化的趋势，所以规范也没有给予确定的说法，且相对老规范，甚至有所放松；在实际设计过程中，笔者与有关专家也进行过探讨，基本上大家认为，能够按规范设缝的尽量按规范来，如果要有所突破的话，在采取必要的措施的情况下，建议不要超过20%，超过太多的，往往图纸审查的时候就会有阻碍，而且，实际工程中也会容易出现裂缝的可能；特殊的超长结构如果一定要突破的很多，建议作多方面研究，并征求相关各方面专家意见，并一定要采取适当的措施；比如，本人见过300多米的
纯地下室工程，不设缝的，采取了一些措施也没有出现问题的；1.3超长结构设计应该采取什么样的措施来减少裂缝呢？
笔者认为，实际设计工程中宜根据实际情况综合采取以下措施：1）采取跳仓浇筑、后浇带、控制缝等施工方法减少施工期间早期裂缝；这种裂缝是主要的裂缝，影响较大，是必须避免的；2）建议进行结构温度应力计算，这个现在的程序也能够实现，计算下来，一般情况下配筋都会有所加强；实际上是靠加强钢筋来抵抗裂缝；3）构件的配筋率适当加大，比如楼板配筋加大配筋率宜不小于0.35%；增大的钢筋是为了抵抗温度应力，减少裂缝；4）采用合适的建筑材料，如采用水化热小，收缩小的混凝土；细骨料砂宜采用中砂，而不是细砂；钢筋宜采用细而密的而不是采用粗而疏的布置方式；5）在保证混凝土强度的前提下，适当的掺入外加剂，以减少裂缝；外加剂参量必须合适，且要选取合适的品种，如以前工程中人们喜欢用uea的外加剂，实际上这种外加剂只有在水养护下才能起膨胀反应，所以有些情况是不太适应的；6）对外围护结构采取适当的保温隔热措施，减少温度应力变化，减少裂缝；7）设计文件中对施工工艺提出要求，特别是养护等，如地下室结构超长时宜在养护结束后尽快回填覆土，使结构及早进入正常使用之恒温状态；笔者见过，超长结构采用全水养护的，效果不错；所以，施工质量和工艺对裂缝的影响也是相当大的，设计人员必须对施工提出要求；
总之对超长结构特别是恒温情况下的超长地下室结构，如果从材
料、设计构造、计算、施工及养护等方面综合采取措施，是可以考虑适当放宽伸缩缝间距甚至不设缝的；
2.关于关于框剪结构设计的一些问题
现在常见的30层以下的办公楼等公共建筑经常会用到框剪结构，这种结构克服了纯框架结构抗侧刚度小的缺点，又可使建筑平面灵活布置，具有较好的适用性；那么结构设计中剪力墙布置多少合适呢？
框架-剪力墙结构中，剪力墙作为主要抗侧力构件，具有较大的刚度，承担了建筑受到的大部分水平剪力；而框架柱与剪力墙相比，抗侧刚度较小，承受的水平剪力也很小，所以，应该对框架-剪力墙结构中的剪力墙数量进行优化，确定较为合理的剪力墙数量；如果剪力墙布置得太少，则结构可能会由于抗侧刚度不足而导致侧移过大，甚至出现一些构件承载力的不足和破坏，影响结构安全；如果剪力墙过多，会使结构刚度过大，从而加大了地震效应，甚至出现构件越来越大，但一直计算不满足的情况，因为地震力是根据刚度分配的，局部剪力墙刚度约大，刚度越不均匀，剪力墙吸收的地震力越多，则需要越大的构件来承受，所以陷入一直加大构件一直不满足的怪圈；而且太多的墙体也会使建筑自重加大，施工工程量相应增加，也是不经济的；
通常的框剪结构设计中，剪力墙数量的控制一般通过计算机软件进行计算，根据结果计算调整，满足以下条件的剪力墙相对较好：（1）结构在水平荷载下的侧移限制和舒适度必须满足规范要求，
这就确定了剪力墙的最小数量；
（2）结构在基本振型地震作用下，剪力墙所承担的地震倾覆力矩占整个结构的总地震倾覆力矩的比例宜控制在50%～80%较好；3.高层建筑底层嵌固端的处理
3.1高层底部嵌固端的一般要求
1）嵌固端楼板平面不宜开大洞；2）作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖或相关范围现浇梁板结构应采用梁板结构。

裙房与主楼相连的相关范围，一般可从主楼周边外延3跨且不小于20m，相关范围以外可做无梁板或蜂窝板什么的，但实际工程中比较少用到这种做法；3）嵌固层楼板楼板厚度不宜小于180mm；混凝土强度等级不宜小于c30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%；4）嵌固层结构上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围下一层侧向刚度的0.5倍；地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙；5）地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点除应满足抗震计算要求外，还应满足《建筑抗震设计规范》gb 50011-2010第6.1.14条要求；6）控制嵌固层楼板平面高差大小，高差不宜大于0.8～1.0m，一般不宜大于0.8m；并且高差处加梁板腋，以传递水平作用力：
3.2嵌固端常见高差大于0.8米的处理方法
实际工程中，主楼往往与周边的大底盘地下室（如纯地下室汽车库）相连，由于车库顶景观绿化及管道排放等要求，上面一般有较厚的覆土，而主楼的地下室顶层高度往往由于防水的需要比室外车
库顶的覆土面还要高300～450左右，因而地下室顶板与主楼楼板高差较大，通常都超过了1米。

对于这种情况，工程设计中已经有了一些常规的解决方案，主要有如下方式：
a.降低塔楼室内楼板结构标高，楼板，然后塔楼室内回填土或采用其他轻质材料如泡沫混凝土回填到正常标高；这种方式较为简单好用，但回填材料特别是回填土增加了主楼嵌固层楼面的荷载，引起构件加大、配筋增加，造成一定的浪费；并且需要处理好楼梯踏步与室内楼板的标高关系；
b.在室外（车库顶景观绿化范围）台阶式分级降低高差；如近主楼部分覆盖较薄的土，种草皮等根系浅的植物或设置道路等，离主楼较远处覆土加厚，种植适宜的高大树木景观；台阶式分级高差不宜大于0.8米，并且每级宜有至少两跨以上，有条件的话最好满足外延3跨且不小于20m的相关范围要求；
c.用斜坡过度；这个实际上市台阶式的变式；是用斜坡代替台阶式分级的一种方式，该方式放坡不宜太陡；放坡范围宜参照台阶式要求执行；
d.条件许可的情况下，减少嵌固层主楼和裙房的高差，减少至
0.8m以内；同时设置集中深管沟；这种方法仅适于管沟引起的楼面高差，适用性不是太大；
综上，结构设计中会碰到形形色色的问题；结构设计人员要做出优秀的作品，一定要有清楚的概念，知道何处需要加强、何处容易出问题，该采取什么样的加强措施；多学习、多实践，是不难设计
出合理又经济的好作品的；
参考资料
1.《建筑抗震设计规范》gb 50011-2010；
2.《全国民用建筑工程设计技术措施（结构），中国计划出版社，2003。