结构设计细节问题探究

黎家灿

摘 要：建筑类型的复杂和房屋的使用功能使得建筑结构设计变得复杂，设计师在设计过程中往往总会难免出现一些遗漏和错误， 从房屋结构设计中容易被忽视的细节问题探究，提出了解决这些问题的建议。结构工程师应在房屋设计中不断务实理论知识，以达到优化设计、发挥创新精神，满足房屋安全的要求下达到经济的合理性。

关键词：地基与基础设计；屋面次要构件的分析

结构设计中相当部分构件的设置，规范仅给出了最低限值或建议取值，实际设计过程中各人的理解不同可能对整个设计带来相当大的区别。还有部分是属于概念设计的范畴，尤其值得我们一起探讨。

1. 地基与基础设计

地基与基础设计一直是结构工程師比较重视的方面，不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行，同时，也是因为地基基础也是整个工程造价的决定性因素，因此，在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。

在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂，因此，作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确，所以，在进行地基基础设计时，一定要对地方规范进行深入地学习，以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。

2 关于超长结构：

混凝土结构设计规范第8.1.1条中规定钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距为55m，而8.1.3条则规定当采取后浇带分段施工，专门的预加应力措施或采取能减小混凝土温度变化或收缩的措施且有充分依据的，伸缩缝间距可适当增大。这两条使我们在实际设计过程中较难把握。工程实例中超过55m 就设置伸缩缝，这显然是很难保证的，但采取后浇带分段施工后究竟应控制房屋长度多少而不至于产生裂缝等不良现象呢？笔者认为这取决于各地区的温差及混凝土不同的收缩应力。按照广东地区的经验，单层房屋超过55m在70m以内时，采取设置施工后浇带及相应的构造加强措施后，不设置伸缩缝是可行的，这在笔者长期的工程实践中证明是切实可行的，多个工程均未产生严重的裂缝。但在结构设计中必须对梁柱配筋进行概念上的调整。首先是长向板钢筋应双层设置，并适当加强中部区域的梁板配筋，中部区域作为一个中点必然受较大应力，而两侧梁柱，特别是边跨的柱配筋必须加强以抵抗温度应力带来的推力，而超长结构在角部容易产生的扭转效应也需我们在设计中对角部结构进行加强。当框架结构超过70m时，必须采取特殊的措施才能不设置伸缩缝，譬如说采用预加应力，掺入抗裂外加剂等等，而且作为超过70m 的结构，必须对温度及收缩裂缝采取定量的分析，并相应施加预应力，这在许多工程实例中应用的效果也是众目共睹的。

3 关于板面设置温度应力筋：

《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第9.1.8条规定在温度收缩应力较大的现浇板区域内，钢筋间距不宜大于200mm，并应在板的末配筋表面布置温度收缩钢筋，板表面沿纵横两个方向的配筋率均不宜小于0.1%。对于这一条设计人员的理解又会产生出入。什么区域属于温度收缩应力较大的区域？笔者认为对于规则较短的建筑物我们可以在各楼面边跨及屋面层设置相应的温度应力钢筋，而对于超长结构，则建议在超长结构的长向均应设置双层钢筋。其余部位则可因人而异，功能重要的区域设置，有条件的建设可设置，而不必过于强调。

4 关于梁筏基础板筋位置：

弹性梁筏基础，由于底板受向上的反向力，设计人员会要求筏板面筋能置于地梁主筋以下，而地梁配筋有时较多甚至配置双排筋，再加上梁箍筋的影响，导致施工中板筋的弯折相当困难，遇到人防工程则更难施工。笔者认为从受力传递过程来说，板筋设置必须准确，但考虑施工困难及相应板保护层的损失，建议可以作适当放松，我院地下工程说明中规定底板面筋应有一半钢筋经斜折后放置在支承基础梁主筋下面，伸入梁内不小于15d，这是合理的。

5关于屋面构件细节设计：

现实工程中我们对于屋面构件多数是按规范构造处理，一般毋须另行加强或者计算。笔者认为许多设计师在设计过程中往往也会不加思考即按构造作出处理，从而导致屋面次要构件偏于不安全状态下存在，有时还可能出屋面构件破坏。下面我们以一实例计算来分析。

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1） 荷载计算：

q1=0.2*4.0*25+1.5*4.0=26kN/m；q2=0.12*4*25+1.5*4=18kN/m；

P1（含抹灰的重量） =0.15*20*（1.64-0.06-0.2）*4=16.56kN

Q1=0.5*4=2kN/m；Q2=0.5*0.59=0.3kN/m；P2=0.3*0.3*（1.7-0.55）*25=2.59kN；P3=0.55*0.2*4*25=11kN

2） 柱上、下最大弯矩或轴力设计值为：

3）配筋计算：

构件的计算长度Lox=1700mm Loy= 1700mm 柱截面尺寸均为300mm*300mm

按对称配筋计算，即As'=As 混凝土的强度等级：C25，轴心抗压强度设计值fc=11.9N/mm2

钢筋抗拉强度设计值fy=300N/mm2，抗压强度设计值fy=300N/mm2，弹性模量Es =200000N/mm，相对界限受压区高度 ，纵筋的混凝土保护层厚度c=30mm 全部纵筋的最小配筋率为0.6%

轴心受压构件验算：

a、柱上截面验算：

轴心受压构件验算：轴压比UC=N/（fc*A）=65780/11.9/90000=0.06

纵向钢筋最小配筋面积：

全部纵向钢筋的最小截面面积As，min=90000*0.6%=540mm2，一侧纵向钢筋的最小截面面积As1，min=90000*0.2%=180mm2

纵向钢筋的截面面积As'按下式求得：

N≤0.9*φ*（fc*A+fy'*As'）（混凝土规范式7.3.1）；As'=[N/（0.9*φ）-fc*A]/（fy'-fc）=[65780/（0.9*1）-11.9*90000]/（300-11.9） =-3464mm2< 540mm2；取As'=As，min

在My作用下正截面偏心受压承载力计算：初始偏心距ei：

附加偏心距ea=Max{20，h/30}=Max{20，10}=20mm；轴向压力对截面重心的偏心距：eo=M/N=30360000/65780=462mm；初始偏心距ei=eo+ea=462+20=482mm

偏心距增大系数η：

ζ1=0.5*fc*A/N=8.14>1.0，取ζ1=1.0

ζ2=1.15-*Lo/h=1.15-0.01*1700/300=1.09>1.0，取ζ2=1.0

η=1+（Lo/h）2 *ζ1*ζ2/（1400ei/ho）=1+（1700/300）2 *1*1/（1400*482/260）=1.01

轴向压力作用点至纵向受拉钢筋的合力点的距离：

e=η*ei+h/2-a=1.01*482+300/2-40=598mm

混凝土受压区高度x由下列公式求得：

N≤α1*fc*b*x+fy'*As'-σs*As（混凝土规范式7.3.4-1）

当采用对称配筋时，可令fy'*As'=σs*As，代入上式可得：x=N/（α1*fc*b）=65780/（1*11.9*300）=18mm≤ζb*ho=143mm， 属于大偏心受压构件

当x<2a'时，受拉区纵筋面积As可按混凝土规范公式7.2.5求得：N*es'≤fy*As*（ho-as'）

es'=η*ei-h/2+as'=1.01*482-300/2+40=378mm

Asy=N*es'/fy/（ho-as'）=65780*378/300/（260-40）=376mm2

a、柱下截面验算：

轴压比Uc=N/（fc*A）=102650/（11.9*90000）=0.1

纵向钢筋最小截面面积：全部纵向钢筋的最小截面面积As，min=A*ρmin=90000*0.60%=540mm2 一侧纵向钢筋的最小截面面积As1，min=A*0.20%=90000*0.20%=180mm2

全部纵向钢筋的截面面積As'按下式求得：N≤0.9*φ*（fc*A+fy'*As'）（混凝土规范式7.3.1）

As'=[N/（0.9*φ）-fc*A]/（fy'-fc）=[102650/（0.9*1）-11.9*90000]/（300-11.9）=-3322mm≤As，min=540mm2，取As'=As，min

在My作用下正截面偏心受压承载力计算：

初始偏心距ei：附加偏心距ea=Max{20，h/30}=Max{20，10}=20mm；轴向压力对截面重心的偏心距：eo=M/N=42910000/102650=418mm；初始偏心距ei=eo+ea=418+20=438mm；偏心距增大系数η：

ζ1=0.5*fc*A/N=0.5*11.9*90000/102650=5.22>1.0，取ζ1=1.0

ζ2=1.15-0.01*Lo/h=1.15-0.01*1700/300=1.09>1.0，取ζ2=1.0

η=1+（Lo/h）2*ζ1*ζ2/（1400*ei/ho）=1+（1700/300）2*1*1/（1400*438/260）=1.01

轴向压力作用点至纵向受拉钢筋的合力点的距离：

e=η*ei+h/2-a=1.01*438+300/2-40=554mm

混凝土受压区高度x由下列公式求得：N≤α1*fc*b*x+fy'*As'-σs*As（混凝土规范式7.3.4-1）

当采用对称配筋时，可令fy'*As'=σs*As，代入上式可得：

x=N/（α1*fc*b）=102650/（1*11.9*300）=29mm≤ζb*ho=143mm属于大偏心受压构件

当x<2a'时，受拉区纵筋面积As可按混凝土规范公式7.2.5求得：

N*es'≤fy*As*（ho-as'）；es'=η*ei-h/2+as'=1.01*438-300/2+40=334mm

Asy=N*es'/fy/（ho-as'）=102650*334/300/（260-40）=519mm2

综合以上可知柱配筋Asy=509mm2配筋相差仅2.0%〈5%可满足安全。

结语

以上几点是设计中经常遇到或忽略的设计要点。在今后的设计过程中，应以力学理论和规范为依据，不断提高业务素质和技术水平，重视设计过程中存在的细节问题，特别是容易被忽略的非主结构构件，不断积累设计经验，优化设计，发挥主动性创新精神，培养竞争意识，才能适应技术进步和变化，使我们的设计更经济合理。要做到使我们设计的房屋成为施工方便、同行夸赞、业主满意的安全结构，我们任重而道远！