土木工程专业毕业设计常见问题解析——以高层框架结构设计为例

王莺歌，周亚帝

(1. 嘉应学院土木工程学院，广东 梅州 514015;2. 中交四航局第一工程有限公司，广州 510310)

毕业设计是土木工程专业教学中的一个重要环节，也是核心实践单元，根据文献［1］ 的建议，安排在第8 学期，历时14 个教学周。设计的选题以工程设计型和施工设计型两大类为主，［2］而前者的选用又尤为广泛，设计对象的结构类型包括多、高层框架结构，剪力墙结构等。工程设计类的题目一般要求学生在满足建筑功能的条件下，根据给定的地质条件、抗震要求、以及风环境等工程设计资料，结合现行结构设计规范，［3－5］完成结构选型与布置、荷载计算、水平侧移验算、内力计算与组合、截面配筋、基础设计等内容。为了让学生能够更好地掌握结构计算的全过程，联系工程实践，目前各院校大都使用手算和电算相结合的方式。图1给出了框架结构设计流程。

图1 框架结构设计流程图

考虑到教学的重点，并且为了能够更多的涉及到各规范中的内容，论文以高层框架的结构为例，讨论设计中常见的问题，并给出正确的做法。

1 结构布置中的常见问题

结构布置是设计中的第一步，也是检验学生概念设计能力的重要环节。由于在前期的学习中，接触到的多为单个构件计算或结构单项设计，如何把握较复杂的结构体系，怎么根据建筑施工图确定结构布置方案，对学生来讲是有一定难度的。这就要求教师一方面需要针对结构布置常见问题进行讲解，另一方面对学生的结构方案严格审查，避免后续可能带来的计算问题。在结构布置中的问题集中表现在变形缝设置、柱网及梁板结构布置等方面。［6］

1.1 变形缝设置

结构布置的基本原则是规则、均匀、对称，但实际设计中，学生往往忽视这些原则，在建筑设计中选用平面不规则形体，却没有采取相应的措施，既没有对应力变形集中部位和扭转易损部位进行加强，也没有设置相应的变形缝，或者虽然设置了，却存在很多问题，比如:建筑长度超限，但没有设置伸缩缝;伸缩缝的缝宽没有按照抗震缝宽取;错误地采用了相邻构件的轴线距离作为变形缝的宽度;没有按照计算书中的设防烈度计算缝宽等等。

1.2 柱网布置

柱网的布置一般要求是尽量均匀、传力要明确、符合建筑模数、同时照顾到梁的跨度。学生的设计往往反映出:没有建筑模数的概念，整个平面图中几乎没有符合模数的开间、进深;针对不同大小的房间直接使用柱间距控制，而不是设立次梁，布置隔墙;使用过大的跨度，给后续计算留下隐患。

1.3 梁板布置

由于梁板截面尺寸的估算取决于其跨度的大小，在进行梁板布置时次梁的选择非常重要。学生在设计中一般都能够把握“墙下有梁”的原则，避免板上作用集中荷载，但是对于柱距相对过大时，经常会忽略次梁的重要性。

图2 (a)为某学生设计中梁板结构的一部分，两个方向主梁跨度分别为9m 和7.2m，无次梁，板厚达150mm，整个开间内梁板混凝土用量9.72m3。图2 (b)为改进后的方案，布置两根次梁，板厚可降至80mm，混凝土用量6.48m3，仅一个开间内就减少将近33%的材料用量。这表明在平时的教学中，除了要强度结构的安全性和适用性，也应该加强学生对经济性的认识。

图2 梁板结构布置方案对比

2 结构电算的主要控制指标

结构电算是用来校核手算结果的，也是生必须掌握的方法。电算结果除了满足截面不超筋，挠度、裂缝不超限等要求，还需要检查以下参数:

(1)层刚度比。规范要求楼层侧向刚度不小于相邻上层的70%，且不小于相邻上三楼层均值的80%。由于底层计算长度相对较大，刚度偏小，手算没有考虑地梁层，更易出问题。如不满足则需要增大底层柱刚度。

(2)水平最大位移、层间最大位移，一般能够满足要求。如不满足则考虑利用增大柱截面，缩小间距等提高整体抗侧刚度的方法来解决。

(3)振型参与质量。计算要求累加振型参与质量大于90%，对于以平动为主的结构，扭转项可放松。在不满足此项要求时，计算地震力偏小，可通过增加计算阵型数来提高。

(4)扭转的最大周期和平动最大周期比。对高层建筑，不宜超过90%，如不达标，则需要削弱结构内部刚度，增加四周刚度，可以通过增大边角柱截面尺寸，合理布置剪力墙等方法处理。

(5)剪重比:剪重比是衡量结构刚度的一个重要指标，计算值偏小说明结构偏柔，可通过加大竖向构件尺寸来调整，反之则表示过于浪费。

3 计算简图的易错点

3.1 梁柱线刚度

梁的计算跨度，许多学生直接取建筑图轴线的距离。实际上建筑图轴线多定义在墙轴线，柱子与墙多有偏心对齐。在取梁的计算跨度时要取柱子形心间的距离，当柱有变截面时应取最小的截面形心距离作为梁计算跨度，如图3 所示。普通层柱以层高作为计算高度，但对于底层柱为上层楼面到基础顶面的距离，如图4 所示。

图3 计算轴线的选取

图4 底层柱和风荷载起算位置

在计算梁的线刚度的时候，对于现浇的梁板结构，要考虑板的作用，所以对于中间框架应首先按矩形截面计算，再乘以放大系数2，对于边框架乘以1.5，另外对于有楼板开洞等情况应按照一边有板乘以1.5，两边都无板则不放大来处理。

3.2 荷载计算

荷载是计算简图的一个重要部分，其中竖向荷载可以根据:板传给次梁(主梁)，次梁传给主梁，主梁传给柱的方式依次传递，对于双向板，以三角形分布向短边传递，梯形分布向长边传递。需要注意的是不要漏算了纵向框架传来的竖向力及其因为偏心带来的弯矩。

在计算风荷载时需要得到风压高度系数，这里需要注意风压高度的起算点，设计中经常有学生直接使用计算简图中底层柱底为起算点，正确的做法是从室外地坪开始计算，如图4 所示。

4 内力计算与内力组合的误区

4.1 活荷载不利位置布置

在进行活荷载内力计算时，应考虑最不利位置布置，但由于计算量过大，往往在手工计算时采用满布荷载，这就造成跨中弯矩偏小的问题，所以需要放大，一般通过乘以1.1 到1.2 的系数来解决。

4.2 承载力内力组合

根据高层建筑结构规范，在组合中有地震作用时使用式(1)，反之用式(2)。在设计中常见两种错误:一是直接使用地震荷载组合结果而没有进行抗震调整;另一种则是不管组合中是否存在地震作用都使用式(1)。

式中Sd为作用组合的效应设计值，Rd为构件承载力，γRE为构件承载力抗震的调整系数，γ0为结构重要性系数。

5 截面设计的检查表

截面设计包括了正截面抗弯设计、斜截面抗剪设计等内容。这部分设计除了要满足计算要求，还要符合构造要求，尤其是考虑到抗震等问题，需要注意的细节比较多，也是学生毕业设计中非常容易出错的部分。可以把需要注意的部分以表格的形式给出，要求学生在设计的过程中对照自查，见表1。

表1 截面设计自查表

6 结束语

土木工程专业的毕业设计涉及到多门专业课内容，设计中要求学生对现行的结构规范有很好的把握，具有很强的综合性，包含的知识点极多，也造成了设计中容易出现问题。文中将一些出现频率比较高的错误点总结出来，给出正确做法，并以自查表的形式给出，为毕业设计教学提供帮助。

［1］高等学校土木工程学科专业指导委员会. 高等学校土木工程本科指导行专业规范［M］. 北京:中国建筑工业出版社，2011

［2］杨志文. 谈土木工程本科毕业选题［J］. 宜春学院学报，2008，30(6):178－185

［3］中国建筑科学研究院.GB50009－2012 建筑结构荷载规范［S］. 北京:中国建筑工业出版社，2012

［4］中国建筑科学研究院.GB50010－2010 混凝土结构设计规范［S］. 北京:中国建筑工业出版社，2010

［5］中国建筑科学研究院.GB50007－2011 建筑地基基础设计规范［S］. 北京:中国建筑工业出版社，2011

［6］罗臻，葛新广. 土木工程专业毕业设计中结构问题探讨［J］. 高等建筑教育，2013，22(1):122－125