混凝土结构设计中的常见问题及解决方法

2014-08-27王文东

中国科技纵横 2014年13期

关键词：框支楼板剪力

王文东

(广州珠江外资建筑设计院有限公司,广东广州 510000)

混凝土结构设计中的常见问题及解决方法

王文东

(广州珠江外资建筑设计院有限公司,广东广州 510000)

本文总结了混凝土结构设计中的一些工程经验，就结构布置、结构计算的一些问题进行了分析。本文以位于广东省的工程设计经验为主。

混凝土结构设计

在工程实践中，大部分民用建筑设计采用的都是比较常规的混凝土结构。多层房屋一般采用框架结构或带少量剪力墙的框架结构；高层住宅采用剪力墙结构或框支剪力墙结构；A级高度的办公楼采用框架剪力墙结构或框筒结构。本文主要总结个人在工程实践中对这类常规结构设计中遇到的一些问题及解决方法。对于许多大跨度公共建筑，如剧院、体育场馆、交通枢纽等，主要结构特征不在混凝土结构上，一般以大跨度的钢结构为主要特征，楼层概念也往往不明显，不在本文的讨论范围。

1 结构布置中的常见问题

框架结构布置灵活，在中小学、商业裙楼、住宅公建配套等多层结构大量采用。抗震设计不宜采用单跨框架结构，如遇到局部的大开间如风雨操场等需要布置单跨框架时，应在两侧布置剪力墙或多垮框架，以避免单跨框架的抗侧刚度超过总抗侧刚度的50%[1]，同时应避免一端全为单跨框架的情况。出于建筑功能的要求，往往楼板大开洞，必要时应考虑楼板断裂后分成多个单体来复核抗震承载力。楼梯布置应避免偏置，但工程实践中很难避免；另外楼梯对结构的影响也并没有很合理的设计方法，工程中罕见采用滑动支座来降低楼梯对主结构的影响。在多层住宅中，为了不露柱需要，工程上较多的采用异形柱，从施工质量来看，个人建议尽可能少用异形柱，异型柱较多时在楼梯间电梯间等可能的位置增加剪力墙。

高层住宅基本上采用剪力墙结构或框支剪力墙结构。剪力墙刚度大，从体系上来说，没有梁结构都是成立的，边框梁目的是保证楼板的平面内抗弯能力。住宅设计时，内部梁的布置应优先满足建筑要求，然而工程上常见剪力墙面外单挑悬臂梁来支承大跨梁，这不合理，宜做一块大的异型板，至少板底筋贯通。两墙之间的连梁在风载作用控制，往往为设计所忽略，连梁在抗风设计时，折减系数不应当取0.6，应按折减系数1.0来补充计算复核连梁，尤其是联肢墙。住宅设计经常出现中部电梯间位置楼板不满足5m的要求，优先采用把电梯间、楼梯间的剪力墙合理布置，形成结构的核心筒。水平力已经直接传递给核心筒，从体型上就不是规范所指的十字型，同时核心筒内壁的楼板也不存在不连续的问题。

框支剪力墙结构由于底部大空间，能为业主提供更好的活动场地而在住宅中应用的越来越多，由原来主要用在商住项目到现在普遍采用二层转换以腾出首层高间给住户活动。局部的车道转换，控制剪力墙转换面积不超过10%，可以认为是局部转换，不属于框支剪力墙结构。10%的剪力墙面积应当是分方向统计，可以扣除与柱重叠的面积。对于框支剪力墙结构的住宅，基本上布置合理可以做到仅2.5项超限（广东省标准）：竖向构件不连续、凹凸不规则，扭转I类不规则，无需进行超限审查。凹进位置的布置拉梁，应视为凹凸不规则而不是楼板不连续，中部楼梯及电梯间布置成为较完整的核心筒以使结构避免中部的楼板不连续。

电梯及楼梯间是否形成核心筒，规范并没有给出明确的定义及指标，如承受总抗倾覆弯矩或剪力的比值，概念上剪力墙+强连梁形成筒体基本上就是一个核心筒，但往往受建筑布置的影响，往往导致某一边断开不能形成完整的筒体。通过加强局部楼板，让中部的强抗侧力构件能协同工作，应当也能看成是核心筒。

广东省标准《高层建筑混凝土结构设计规程》DBJ 15-92-2013（以下简称《广东省高规》）取消了周期比限制，这是建立在有效控制扭转位移比的前提下的。研究表明扭转位移比更能反映结构的扭转效应[2]。这在框筒结构体现的更为明显，当外框架刚度不是特别强时，双向对称的结构很容易出现周期比不满足高规的要求甚至第一周期是扭转周期，但是规定水平力作用下的位移比非常小。如果核心筒稍微偏置，扭转周期含一定的平动分量，周期比反而能满足规范要求，这是相当荒谬的。

2 结构计算的一些经验

超限高层需要进行时程分析，天然波的选择相当令人困扰。从概念上，天然波应当选择同样频谱特征的地震波，根据规范要求应满足对应主要振型的周期点上相差不超过20%（满足这要求，底部剪力也基本满足规范要求）。然而通过谱分析计算就会发现，普通的天然波频谱在高周期分量都远小于规范反应谱，要满足规范，需要到地震局购买吻合结构周期与场地的天然波。普通天然波的频谱在长周期的分量下降的比规范反应谱快，计算得出的内力也一般比反应谱法计算的小。如果特别挑选高周期存在较大值的天然波，则计算结果在某些楼层会比规范反应谱法计算的要大。在广东省的实际工程中，往往是采用2条PKPM（或EBABS、MIDAS等程序）自带的天然波和一条人工波来进行计算，天然波采用放大系数以满足规范要求，应当是地震的不确定性太大，就没有象某些省份那样强制要求去地震局购买与结构周期吻合的天然波。时程分析通常用于分析结果的危险破坏位置，设计上还是应当以反应谱法的计算结果为依据。相应的动力弹塑性（EPDA）的分析结果也不如弹塑性静力分析（PUSHOVER）的结果可信。

柱的抗剪能力一般情况下取决于纵筋，应当校核PKPM连层柱的计算长度系数。只要一边有梁（剪力墙）的情况下，面外就算无支承，程序都会按楼层有支承而取默认的计算长度。连层柱由于刚度小，剪力小，如果按照计算结果配筋，会导致在大震时别的框架出现铰时不能有效抵抗侧向力，宜补充框架梁按非连层柱计算剪力，然后按柱的实际跨度来计算柱端弯矩，当然这比较偏于安全考虑，实际上剪力弯矩可以略小一些。某些工程框支柱为三层的连层柱，由于外围有框架梁，程序柱的计算跨度有误，导致配筋结果不能满足JGJ 3-2010（以下简称《高规》）中第10.2.17条要求。

PKPM在计算框架梁及框支梁剪力时，按《高规》6.2.5计算时，梁的计算跨度是有问题的，是按梁段的两节点来取的，而不是按柱节点间距取。

进行超限结构计算时，应当选择合适的性能目标。一般结构按常规设计，规范认为是能满足C级性能目标的，不需要特别验算。对于复杂高层及复杂结构，就应当按选定的性能目标进行计算复核。如一般情况A级高度的框支剪力墙结构性能目标是等级C，但是其中冗余度小的悬臂转换构件应当采用等级B的性能目标。