建筑结构设计快速入门与提高(补充)
《建筑结构设计快速入门与提高》一书已由中国建筑工业出版社于 2013 年 1 月出版,
并被出版社从本月纵多出版书籍中挑选出在《建筑结构》2013 年第一期上进行宣传。本月
底或月初各大建筑书店可以购买,目前可在亚马逊网站订购:
http://www.amazon.cn/%E5%BB%BA%E7%AD%91%E7%BB%93%E6%9E%84%E8%AE%B
E%E8%AE%A1%E5%BF%AB%E9%80%9F%E5%85%A5%E9%97%A8%E4%B8%8E%E6%8
F%90%E9%AB%98-%E6%96%B0%E6%A6%82%E5%BF%B5%E5%BB%BA%E7%AD%91%
E7%BB%93%E6%9E%84%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E4%B8%9B%E4%B9%A6-%E5%B
A%84%E4%BC%9F/dp/B00B2J6VQA/ref=sr_1_2?ie=UTF8&qid=1358990366&sr=8-2
《建筑结构设计快速入门与提高》一书第二章从变形与变形协调的角度阐述结构设计的
本质、各种超筋原因、结构布置的方法、相关联的 8 个控制指标及控制大跨度的变形,书中
第三张章详细分析了各种超筋原因及解决办法、第四章、第五章详细分析了抗剪原理、梁破
坏形式、偏心受压、铰接固接及锚固理论、第六章第七章第八章详细分析了梁、板、柱、墙
及其坡屋面、挑板、雨篷、窗、女儿墙、小塔楼、梯梯、电梯设计时常遇问题、第九章、第
十章、第十一章分析了荷载的确定方法、地下室设计、各类基础设计时常遇问题、第十二章
分析了 SATWE 参数设置、8 个控制指标的判断、调整及相互之间的关联性、第十三章分析
了门式刚架轻型房屋钢结构设中钢梁、钢柱、坡度、荷载、柱间支撑、屋面支撑、檩条、拉
条、隅撑设计时常遇问题、第十四章分析了预应力梁设计时常遇问题,第十五章分了时程与
中震分析、结构设计中的“简化”计算、PKPM 建模及画施工图、建筑结构优化设计方法、
复杂高层与超高层建筑结构设计方法、第十六章是“建筑结构设计优化及实例”一书的读书
笔记,第十七章从理论和实践分析了某高层剪力墙布置思路。
本书解决的问题是让一个结构设计的入门者建立起基本的结构概念、学会基本的估算,
学会上机操作,并能进行简单的分析判断,掌握设计中的一些基本要求和问题,按照这几
个方面展开叙述。总的思路是把理论、
、软件应用和工程实践有机结合起来,指导初
学者尽快进入结构设计师的行列而不仅是一个学结构的学生或是没有概念的结构设计员,懂
怎么操作,更明白其中的道理和有关要求。
由于作者理论水平和实践
有限,书中难免存在不足甚至是谬误之处,恳请读者批
评指正。
2013-1-24
第一章:绪论
1.4 节:
风荷载作用时是从刚度和强度的角度进行控制,而地震力作用时,结构应具有较好的延
性去抗震,所以地震作用时要考虑位移比,风荷载作用下一般可不控制位移比。
注释:
风荷载作用时的效应计算一般是基于小震弹性分析方法,而对位移比的控制是要求在
地震作用时结构应具有较好的延性去抗震,是从中震、大震的角度考虑的,中震大震一般
比风荷载作用效应大很多,故风荷载作用下一般可不控制位移比。
1.8 节:
独立基础设计就是经验高度+经验宽度+小软件+大样(改大样),然后进行受弯计算,
剪切验算,再调整独立基础的宽度、高度。
注释:
独立基础的高度一般可由冲切控制,因为独立基础是双向受力,条形基础是单向受力,
所以由剪切控制。其它基础设计时高度一般可参考以下规律:双向受力时基础高度由冲切
控制,单向受力时基础高度由剪切控制。
1.8 节:
墙下条形基础不用设置地梁,因为上部结构的竖向力是以线荷载的形式向下传递。条基
翼缘的受弯、剪切计算类似于悬臂板。
注释:
一般多层砖混结构下的条形基础可不设地梁。高层剪力墙结构,若地质条件好,可以
考虑做剪力墙的带肋条形基础,在 JCCAD 中输入弹性地基梁进行计算。不开洞墙下基础梁
只需构造设置,如果是开洞墙下的基础梁,则情况较为复杂,地基反力的分布与洞口大小、
基础梁的刚度有关,不是一个恒定不变的关系。
有些高层剪力墙结构设计时,比如用平筏板基础,墙下可设暗梁,暗梁主要起拉结作
用,加强筏板的整体性,但是否设置同样应结合工程具体情况确定,如果设置,可按梁配筋
并画图,墙下暗梁也可利用或部分利用基础板钢筋。
1.8 节:
钢筋、混凝土的节省造成施工不方便,如果钢筋、混凝土的节省带来的经济效益不是很
明显,应首先满足方便施工。比如建筑中梁高限值为 750mm,现在梁高做到 550mm 已满足
要求,但剩下的200mm做过梁,过梁上放填充墙施工会不方便,可以直接把梁高做到750mm,
让梁底齐窗顶。
注释:
建筑中梁高限值为 750mm,结构中最大的允许梁高限值应为 750-50=700mm。一般当
设计梁高与结构允许梁高限值差值在 200mm 以内(包含 200mm)时,可直接按结构允许
梁高限值做,超过 200mm 时,可不按以上要求。
第二章:结构设计本质的另一种阐述
1.关于超筋:
注释:
除了《建筑结构设计快速入门与提高》一书中的 1.弯矩超(如梁的弯矩设计值大于梁的
极限承载弯矩);2.剪扭超;3.扭超 4.剪超;5.配筋超(梁端钢筋配筋率 2.5%);6.混凝
土受压区高度 不满足;7.在水平风荷载或地震作用时由扭转变形或竖向相对位移引起超筋
外还要补充以下内容:
当地震作用过大时,若墙过少,墙会破坏,于是墙会超筋,此时可适当加墙。当地震
作用过大时,比如七度区三类场地、8 度区,9 度区高层剪力墙结构,一般都会出现抗剪超
筋,抗剪公式如下图所示,抗弯刚度 31/12 .bh E ,可知出现抗剪超筋时,第一,减小墙长
(或剪力墙开洞),于是抗弯刚度减小,地震作用减小,剪力减小,墙肢剪力的减小幅度一
般大于抗剪承载能力降低的幅度;第二,增大墙厚,增大墙厚后地震作用的增加幅度一般会
小于抗剪承载能力的增大幅度(加墙长,抗剪能力一般不如加墙厚提高得多);第三:提高
混墙肢混混凝土强度等级;第四:改变结构布置,减小因扭转变形产生的剪力。
在实际工程中应具体问题具体分析,也应根据 SATWE 中的计算指标比如层间位移角、
轴压比等来判别和调整,当然减小墙厚也能减小地震作用;
当剪力墙的抗震等级为一级时,超筋信息里面可能还会有:水平施工缝验算不满足,
此时可以在 SATWE 特殊构件中的特殊墙里面加大墙的竖向配筋率。
2. 梁的布置应使力合理分配,把力比较均匀的分配到每根梁上,“强者多劳“,控制好变
形与变形协调;
注释:
此句话是说梁的布置在满足建筑的前提下应连续。不连续的地方一般都要加强,比如. 边
缘构件要加强,板边需要加强, 角柱需要加强,底柱和顶柱子需要加强,生活中也有传
力不连续的例子,如下图所示
什么是协调,中医里面治寒以热,治热以寒,治阳以阴,治阴以阳的基本原则就是协
调;结构设计的本质是变形协调,是在满足传力直接、传力途径短、连续、刚度均匀的前
提下出现了某些矛盾,于是改变结构布置,增加传力途径来协调一下结构变形。传力直接、
传力途径短、连续、刚度均匀也属于阴阳。
3. 在满足建筑的前提下,梁要沿着跨数多的方向单向布置而不是双向布置,双向布置只是
为了分流一部分力,在挠度不好控制时才考虑。单向布置传力途径短,比较经济,沿着跨数
多的方向单向布置,传力途径短且变形小。
注释:
在满足建筑的前提下的是指:一般填充墙下要布置梁。
第六章:水平构件设计
1.连续梁 h=L(1/12~1/20),一般可取 L/15。
注释:
连续梁包括连续主梁和连续次梁。
2. 梁端经济配筋率为 1.2%~1.6%,跨中经济配筋率为 0.6%~0.8%。在实际工程中,
梁端、梁底至少各 2 14。
注释:
有的单位规定:在实际工程中,规定梁端、梁底至少各 2 12。
3.“混规”9.2.13 :梁的腹板高度 hw不小于 450mm 时,在梁的两个侧面应沿高度配置
纵向构造钢筋。每侧纵向构造钢筋(不包括梁上、下部受力钢筋及架立钢筋)的间距不宜大于
200mm,截面面积不应小于腹板截面面积(bhw)的 0.1%,但当梁宽较大时可以适当放松。此
处,腹板高度 hw按本规范第 6.3.1 条的规定取用。
注释:
腹板高度 hw可以按如下计算:hw=梁高-板厚-梁保护层厚度-2/d,d 为钢筋直径,如果
梁布置两排钢筋,则应减去更多的高度;如果梁钢筋直径为 20mm,一类环境,当梁底布置
一排钢筋时,hw 梁高-板厚-梁保护层厚度-35,当梁底布置二排钢筋时,hw 梁高-板厚-
梁保护层厚度-60mm。 一般来说:梁高600mm 时,如不是计算要求,一般可不配置构
造腰筋,实际工程中应具体情况具体分析,也可适当配置。
4.高层剪力墙结构设计时,当墙荷载不大且跨度不大时,有时候不必逢墙设梁,可以如
下图中实例 A 所示:
5.强柱弱梁:
注释:
强柱弱梁是从承载力的角度考虑的,在进行强柱弱梁内力调整之前,SATWE 程序按梁
柱刚度对梁柱进行了内力分配。柱子比梁做的弱(刚度角度)从概念上讲是不好的,但不是
不可以做,第一要满足规范要求,第二要满足强柱弱梁(承载力)。
第八章:上部结构其它构件设计
1.挑板
补充:
一般阳台小于 1.5m 挑板,大于 1.5m 挑梁。一般按 1/10 估算。
注释:
增加封口梁,可以减小板厚(100mm),,将"悬挑"板变为接近于"简支"板,但边梁的增
加几乎不改变板的受力模式,悬挑板的属性没有改变。封口梁要想作为板的支座,板支承条
件的梁其高度应不小于 3 倍板厚。
若用悬挑板,
位可能会偷工减料,悬挑板根部厚度太大,与相邻房屋板协调性
能不好。悬挑板在施工过程中,由于施工原因,顶部受力钢筋会不同程度的被踩踏变形,导
致根部的计算高度 h0 削弱较多。
以上也可以从变形协调的角度考虑,当板挑出跨度比较大时,比如大于 1.5m,此时挑
板的厚度会增大很多,于是布置封口梁,悬挑板厚可以做 100mm(具体工程具体分析)。
封口梁是协调变形的关键和新增的传力途径,通过封口梁把一部分荷载传递到两边的悬挑
梁上去。当然也有个临界点。
2.女儿墙设计时要注意的一些问题
补充:
某 2900mm 高混凝土女儿墙设计(中华钢结构论坛某讨论帖,COLT 前辈回复)
女儿墙是悬臂板结构,压弯设计,与阳台等悬挑构件不同。简化为长细比(统一)200
为目标, 2H/i<200,得出 H/h<28.86。这个是混凝土结构初步估算,基本可以取到 h=H/25~
28,2900/25=116m,取 120mm。
水平力应该考虑: 根据当地的风荷载,和地震作用,和使用的水平推力计算配筋,适
当方法地震作用,地震作用,简化计算方法动力放大系数 5(幕墙结构),水平地震作用考
虑 amax,简化计算比较可靠。
注释:
结构设计均有方法可循,一般梁、板经验尺寸都是由跨高比估算,而承受压力为主的构
件截面尺寸一般可由长细比估算,
3.楼梯、电梯
补充 1:绘制楼梯施工图的主要步骤
(1)检查建筑提供的楼梯剖面有没有跟结构的梁位置及梁高一致;
(2)检查楼梯是否存在碰头的问题;
(3)根据楼梯剖面图使用小软件计算楼梯
(4)绘制楼梯结构平面图
(5)绘制楼梯结构剖面图
补充 2:板式楼梯设计时应注意的问题
(1)梯板厚一般取 L/30,且不小于 100mm;一般梯板的底筋、面筋不小于 10@200;
(2)当墙 200mm 厚时,梯柱截面可取 200*300mm,也有的设计院规定梯柱截面面积不
应小于 300*300mm。踏步宽数+1=踏步级数。
(3)画楼梯结构施工图时,不同的设计院有不同的画法,可以先从结构施工图或建筑施工
图中把楼梯部分拷贝出来,再进行局部修改、删除和添加。楼梯一般包含梯板、梯梁、梯柱、
平台板等构件,每个构件都包含:构件标示符、尺寸大小、标高、配筋、截面大小等,最
后再进行整体标注。
补充 3:电梯
电梯井筒一般有如下三种布置方法(图中从左至右),由于电梯的重要性很大,从概念上
一般按第一种方法布置,当电梯井筒位于结构中间位置且地震作用不是很大时,可按第二种
或第三种方法布置,但如果此时需要补充刚度,可按第一种方法布置。
在实际工程中,电梯井筒的布置应在以上三个图基础上修改,与周围的竖向构件用梁
拉结起来,尽管墙的形状可能有些怪异也浪费钢筋,但结构布置合理了才能考虑经济上的
问题,否则是因小失大。
摘自:周献祥老师的结构设计笔记:
PKPM 程序将某个剪力墙求的的内力按照剪力墙各墙肢刚度分配到各墙肢,然后根据
各墙肢的截面尺寸进行配筋计算,并将墙肢交汇处的暗柱配筋面积按一定的规则相叠加;但
对于两个以上的电梯井并列布置的箱体剪力墙构件,剪力墙的整体变形是弯曲变形为主,截
面应力边缘最大,中和轴处为 0,也就是电梯井交汇处(B 和 D)不必配太多的钢筋,但是
程序在按柱 B 和 D 处会配很多钢筋,造成浪费。
4. 当屋檐处有平屋板时,坡屋顶应该按一个
层建模,可以定义 2 根截面相同的梁,
软件自动合二为一组装时按最高点输,合并荷载进行计算。如果上层梁直接搭在墙上,可布
置 100x100mm 的水平虚梁。
注释:
一般用户应将屋面屋脊处最高的高度设为层高,坡屋面下的其它节点高一般为负值,不
宜将坡屋面较低处设为层高,因为层高过小将引起很多有关层性能的计算指标不正常。
第十章:地下室设计
补充 1:
带地下室的高层剪力墙结构,若地下室外墙荷载不大,可用承台之间拉梁承担地下室外
墙荷载;若地下室外墙荷载较大,地下室外墙下可设用弹性地基梁分析的条基,条基下补桩。
补充 2:(摘自:朱丙寅老师博客)
框架柱作为地下室外墙的扶壁柱,对扶壁柱的截面要求较高,一般情况下,当柱子的线
刚度不小于墙(柱子之间宽度)的线刚度的 5 倍时,可作为扶壁柱考虑。实际工程中,由于
楼层及基础底板的受压刚度 EA 远大于挡土墙及扶壁柱的 EI,一般可按上端简支下端固结的
板计算。柱子适当配筋,不会有问题。
第十一章:基础设计
补充 1:
广州老庄结构院对 基础选型和设计方法做了如下总结(本人有局部添加)
(1)工程设计中最常用的基础形式有独立基础、筏板基础以及桩基础三种,一般至少要留
10%的安全储备。
(2)地基的本质是土,基础的本质是与土紧密相连的混凝土构件。独立基础、筏板基础是
浅基础、桩基础是深基础。凡是设计跟土有关的均采用荷载标准值,凡是设计与基础构件
有关的均采用荷载基本组合;
(3)地面以下 5 米以内(无地下室)或底板板底土的地基承载力特征值(可考虑深度修正)
af 与结构总平均重度 0p np ( 0p 为楼层平均重度,n 为楼层数)之间关系对基础选型影
响很大,一般规律如下:
若 0.3 ap f ,则采用独立基础;
若0.3 0.5a af p f ,可采用条形基础;
若0.5 0.8a af p f ,可采用筏板基础;
若 0.8 ap f ,应采用桩基础或进行地基处理后采用筏板基础;
(4)独立基础平面形状应优先采用正方形,当采用矩形平面时,长宽比尽量控制在 1.5 以
内;
(5)独立基础有锥形基础和阶梯形基础两种。锥形基础不需要支撑,施工方便,但对混凝
土塌落度控制要求比较严格。独立基础最小配筋率不应小于 0.15%,独立基础不必计算裂缝。
独立基础的高度应确保冲切验算,且计算配筋不宜大于最小配筋率,分布筋大于 10@200
时可配 10@200 ;
(6)筏板基础分为平板式筏板和梁板式筏板,目前一线城市一般主要采用平板式筏板。平
板式筏板具有受力合理且施工方便快捷等明显有点,综合经济性明显优于梁板式筏板;
(7)筏板厚度与柱网间距、楼层数量关系最大。柱网越大、楼层越大,筏板厚度越大。工
程设计中可先按 50mm 每层估算一个筏板厚度,然后对筏板进行抗冲切验算,宜使得冲切
安全系数为 1.2~1.5 为宜,局部竖向构件处冲切不满足规范要求时可采用局部加厚筏板或设
置柱墩等措施处理,然后再采用 JCCAD 进行筏板有限元计算分析,计算时一般采用弹性地
基梁模型(且考虑上部结构刚度),基床系数可根据筏板下土按 JCCAD 说明书推荐的低值
采用,且应考虑上部结构刚度作用,同时筏板厚度应确保 80%筏板面积计算配筋为构造配
筋(0.15%的配筋率),仅局部需加钢筋,否则应加厚筏板厚度;
注释:
倒楼盖模型一般考虑局部弯曲,而弹性地基梁模型能考虑整体弯曲,与地基协同进工
作,但是忽略了上部结构的刚度,也是不准确的,所以应是:计算时一般采用弹性地基梁模
型(且考虑上部结构刚度),可以从以下施工过程中的受力情况分析可得:
第一阶段,是在施工至 H1=0.3~0.4L(H1 为自基底算起的高度;L 为楼长)时,这时上
部结构看作柔性,由整体弯曲所产生的拉应力均达到施工和正常使用过程中的最大值。第二
阶段是施工完毕,直至交付使用。这一阶段随着楼房荷载和刚度的增大,基础的弯曲和受力
向相反而有利的方向调整,由于地基的塑性变形,地基反力向反力较小的部位重分布。底板
的局部弯曲应力和剪应力达到最大值。
当然满足倒楼盖模型条件时可用倒楼盖模型,满足弹性地基梁模型条件时可用弹性地基
梁模型。
(8)筏板混凝土强度等级一般为 C30、C35 ,最大为 C40;
(9)筏板厚度一般较大,为了混凝土浇捣方便,筏板钢筋间距一般为 200~400mm,优先采
用 300mm,局部另加钢筋间距也为 300mm。当筏板下土承载力特征值大于 180KPa 时,筏
板可不必考虑混凝土结构设计规范计算裂缝,原因是筏板压在土中,土与筏板之间有相对
滑动趋势,土与筏板之间的摩擦力会平衡掉筏板中的一部分应力,但是 JCCAD 中没有考虑
这种摩擦力(补充)。
(10)框架-核心筒结构和筒中筒结构宜采用平板式筏形基础。计算时,砼弹性模量可以考
虑折减,系数为 0.85.钢筋会减少,应力均衡。板厚大于 2m时候可以不考虑设置网片。特
别厚的应考虑,如 4m、5m厚;如果水位比较高且变动不大。可以适当考虑水浮力,从而达
到减少地基反力,省桩基。特别是地下室比较深的情况。
(11)最常用的桩基础类型为预应力混凝土管桩、泥浆护壁灌注桩、人工挖孔灌注桩。
1.预应力混凝土管桩不宜用于有孤石或较多碎石土的土层,也不宜用于持力层岩面倾斜
或无强风化岩层的情况,一般主要用于层数不大于 30 层的建筑中,桩径一般为 300~600mm,
其中以直径 400、500mm 应用最多;
2. 泥浆护壁灌注桩江湖称为万能桩,施工方便,造价低,应用范围最广,但其施工现
场泥浆最大,外运渣土最大,对周围环境影响很大,因此,难以在大城市市区中心应用。桩
径一般为 600~1200mm,其中以直径 600~800mm 应用最多;
3.旋挖成孔灌注桩对环境影响较小,造价较高,主要用于对环境要求较高的区域,深度
不应超过 60m,且要求穿越的土层不能有淤泥等软土,桩径一般为 800~12000mm,最常用
的桩径一般为 800、1000mm;
4.人工挖空桩施工方便快捷,造价较低,人工挖孔桩易发生人身安全事故,不得用于有
淤泥、粉土、沙土的土层,否则很容易坍塌出安全问题。桩径一般为 1000~3000mm(广州
地区桩径不小于 1200mm)。
(12)桩径选择原则
1.对于摩擦为主的桩宜采用较小直径的桩,对于灌装桩不宜小于 600mm;
2.对于以端承为主的桩,当单桩承载力由地基强度控制时应优先考虑扩底灌注桩,当单
桩承载力由桩身强度控制时,应选用较大直径桩或提高桩身混凝土强度等级。
(13)桩承台设计原则
1.承台平面尺寸:先根据竖向构件承受的荷载以及单桩承载力特征值确定桩数,然后根
据规范对桩距的要求进行桩的布置,承台下桩布置尽量采用方形间距布置以使得承台平面为
矩形,方便承台设计和施工。
2.承台厚度应通过计算确定,承台厚度需满足抗冲切、抗剪切、抗弯等基本要求。当桩
数不多于两排时,一般情况下承台厚度由冲切和抗剪条件控制;当桩数为 3 排及其以上时,
很可能承台厚度由抗弯控制。
3.选择承台时应让各竖向构件的重心落在桩围内(补充)。
补充 2:其它
摘自:周献祥老师的结构设计笔记:
当地基持力层为承载力标准值 akf 250kpa 卵石层时,以上部结构的柱距为 6m*6m 为
例,有以下结论: 5 层以下的建筑以柱下单独基础最为经济;5~6 层的建筑以双向柱下条形
基础最为经济;7 层以上的建筑采用人工挖孔桩经济效益最好。 上述经济性比较未考虑由
于地基持力层土层分布不均匀所需的地基处理费用。实际工程中,当地基持力层分布不均匀
时,对于 5~6 层的建筑,人工挖孔桩的经济效益可能优于双向柱下条形基础。
第十四章:.预应力梁设计
补充:
预应力筋线型为抛物线时,比如 2( ) ( )y x a x b c ,M= ( )y x . pN ,对 M 求两次倒得
到 q,可以发现只要预应力筋的形状沿着 Y 方向竖直移动,则等效荷载的大小是不变的,但
同一抛物线型的预应力筋在不同位置时,反拱的效果不同,可以由结构力学中的图层法分析
可知。
预应力筋能减小构件的应力水平,本质在于预应力筋能平衡掉大部分外荷载作用下的应
力,
M
W
,
=
M
W
最终 外荷载 。
第十七章:某高层住宅剪力墙布置思路
补充:
当地震烈度不大,层数不高时,平面布置规则时,有些拐角处的翼缘在满足计算的前
提下可以去掉,如下图所示,由于真实的地震烈度不确定,从概念上拐角处应该布置翼缘,
以便与周围的梁有较好的拉结(较好拉结的前提是有合适的刚度和满足规范中对钢筋锚固长
度的要求)
其它:
1.关于少量框架柱的剪力墙结构(摘自朱丙寅老师博客):
设计步骤:
1、结构体系没有变化,仍是剪力墙结构;2、剪力墙的抗震等级按纯剪力墙结构确定;
框架柱的抗震等级可不低于剪力墙,或按框架-剪力墙结构确定(柱数量少,加强的量有限);
3、结构分析分两步(剪力墙及框架的抗震等级按上述 2 确定)。1)对框架柱按特殊构件处
理,不考虑框架柱的抗侧作用(EI 充小数或直接将框架柱两端点成铰接),框架柱只承担竖
向荷载(EA 取实际值);2)按框架-剪力墙结构计算;按上述两步计算的大值包络设计.
注意事项:
少量框架柱的剪力墙结构属于剪力墙结构,框架柱可以按框剪结构计算配筋,不可能形
成二道防线,但可以对框架柱按 0.2Q0 调整设计,属于包络设计。
注释:
结构设计时,要分清构件的主次和破坏过程,再包络设计,所谓的包络设计即偏保守设
计。
2.少量剪力墙的框架结构的设计原则(摘自朱丙寅老师博客、HiStruct博客)
1、设计计算原则
1)结构计算
(1)按框架-剪力墙结构计算;
(2)按纯框架结构(取消剪力墙)计算;
(3)按纯框架结构(取消剪力墙)验算框架结构在罕遇地震下的弹塑性位移并满足规
范的要求;
2)结构的位移及结构的规则性判断按上述计算(1)确定;
3)框架设计
(1)框架的抗震等级按纯框架结构确定;
(2)按上述(1)、(2)进行框架的包络设计;
4)剪力墙设计
(1)剪力墙的抗震等级可取四级;
(2)剪力墙可构造配筋;
(3)对剪力墙基础应按上述计算(1)、(2)进行包络设计。
2、原因分析
1、少量剪力墙的框架结构属于框架结构,设置少量剪力墙的根本目的在于满足规范对
框架结构的位移限值(1/550)要求;
2、只有在框架结构承载能力满足规范要求,而在多遇地震作用下结构的弹性层间位移
角不满足规范的要求(≤1/550)时,才需要设置少量剪力墙;
3、少量剪力墙的框架结构中,剪力墙只用来辅助框架结构,满足规范对框架结构在多
遇地震下结构的弹性层间位移角限值要求,换句话说,用的只是剪力墙的弹性刚度(即只与
EI 有关,而与结构开裂以后的弹塑性刚度没有关系,所以,可不关注剪力墙及连梁的超筋
问题),少量的剪力墙(由于墙的数量太少)并没有象框架-剪力墙结构中的剪力墙那样,
起到一道防线的作用,所以对少量剪力墙中的剪力墙设计应有别于框架-剪力墙结构中的剪
力墙;
4、考虑框架和剪力墙协同工作,使少量剪力墙的框架结构在多遇地震下结构的弹性层
间位移角满足规范的要求(≤1/550)。
3、其他问题
1)需要说明的是:对剪力墙的设计,只要不低于上述设计原则都是可行的。
2)对少量剪力墙的框架的设计时,应与施工图审查单位多沟通,以利于施工图的审查
和通过。
3)广东规范(DBJ/T 15-46-2005)中要求,在少量剪力墙的框架结构中,剪力墙按框
架-剪力墙结构中的剪力墙确定抗震等级,只能从其作为地方标准就是要提高此类结构中剪
力墙的抗震等级这方面去理解。
根据设计案例,为了满足结构设计的需要,需要在部分电梯和楼梯部位加少量的剪力墙,
主要是满足结构的动力特性,扭转和位移限值等要求。 事实上由于新抗震规范对于楼梯抗
震设计的要求,应将梯井做成筒以提高其安全性。
4. 与小短墙重合的那跨框架梁,有时候 pkpm 里怎么调都是超筋,可再按纯框架进
行计算,确认该跨梁不超筋后,对该跨梁按超筋连梁的强剪弱弯要求的设计。小短墙的那
跨的框架梁可以跟其他跨的梁的截面都一样。
注释:(判断方法)
注:上表摘自朱丙寅老师“对少量剪力墙框架结构的理解与设计建议 ——新《抗规》学习
体会之一”。
3.包络设计
注释:
当地下室土的约束不同和地下室嵌固端不确定时,可以包络设计(取大值,偏保守)。
在设计少量剪力墙的框架结构或少量框架的剪力墙结构时,都可以用包络设计的方法。
4. 力和刚度(极限思维法)
力一般向刚度大的构件传递,如下图所示
注释:
可以用极限思维思考以上问题:当 L1 刚度足够小(即足够软)时,便可以清楚的感受
到力主要向 Z1 附近传递(硬支座)。还有其它问题也可以用类似思维思考:层间剪力按照
个抗侧力构件的刚度分配、力矩分配法解无侧移刚架时,分配力矩的做法,也是按照杆端的
转动刚度的比例分配、单跨有集中荷载的简支梁的支反力(荷载离支座越近,力一般越大)。
4.裂缝
摘自 HiStruct 博客:
一般情况下,经过抗震设计的嵌固层以上的结构(7度以上),其框架梁多属于强度
控制,裂缝大都可以满足设计要求,因为地震作用比较大,地震组合需要的强度配筋已经比
正常使用状态下的配筋大了,当然地震产生的内力与竖向作用产生的内力之间的比例关系,
是决定因素。次梁,地下室等结构的梁构件,由于标准组合比非抗震设计组合的内力不会小
很多,因此一般对于非抗震设计的构件而言,正常使用状态的设计对梁的配筋起控制作用。
控制受拉钢筋在标准组合下的应力水平是控制裂缝宽度的关键因素,配筋率是决定钢
筋应力有效利用水平的关键因素,一般情况下小直径钢筋对于控制裂缝宽度有利,混凝土强
度等级,提高混凝土强度等级对于减小裂缝宽度的贡献很小。
板角斜向裂缝探讨(摘自中华钢结构论坛)
最近本人所设计的一工程板四角出现了 45度斜向裂缝,缝宽最大 0.6mm,长度大约 3m。
本工程为工业厂房,楼面设计活荷载为 7.5kN/m2,该裂缝出现在工程竣工验收后半年左右。
对于板角裂缝形成的常见原因进行如下简略分析:
(1)由于基础不均匀沉降引起。基础不均匀沉降将首先引起框架结构的变形,而框架结构
的柔性要比砖砌体大得多。因此,框架结构的变形将首先造成砌体结构的开裂,然后才是钢
筋混凝土结构的开裂。本工程砖墙未产生裂缝,而且本工程采用独立基础,持力层为中、微
风化岩石,基础不会产生不均匀沉降。
(2)由于板筋设置或位置不当引起。板跨度 3.3m,厚 120mm,采用双向双层配筋,楼层四
周的阳角部位还配置了 1.7m 的斜向放射筋,施工及监理单位保证是按图施工,另外现场裂
缝也有出现在尚未堆载的板角。因而可排除板配筋不足这一原因。
(3)由温度应力引起。这里主要指由钢筋混凝土板上下两个界面的温差引起。但这些楼面
板的上下界面几乎处于同一环境温度。即使有温差,其差值亦很小,不能构成混凝土开裂的
条件。而且混凝土板上下界面温差最大处是在屋面板,若是板的界面温差造成板角裂缝,那
么屋面板应是出现板角裂缝最多的部位。但实际上屋面板并未出现裂缝。
(4)由于混凝土收缩开裂引起。有人提出:在正常的湿度环境中,混凝土收缩所产生的裂
缝十分微小,而且这些裂缝随湿度变化处于产生、愈合的反复过程,因而裂缝不会进一步扩
展。但当混凝土所处环境的相对湿度低于 80%时,混凝土内部的自由水(非化学结合水)
蒸发加速,从而加剧混凝土的收缩。若这一过程持续时间过长,微裂缝就会进一步扩展,进
而形成通缝。但南方相对湿度较低很难长时间达到 80%,而未产生板角裂缝的工程比比皆
是。另外,其余板块包括伸缩缝处的板角(该处受到的约束应与建筑物四角的板类似)都未
出现裂缝。因而此因素也不是很有说服力。
(5)由于混凝土徐变引起。同收缩开裂一样不是很有说服力。 对于板角裂缝形成的真正原
因希望各位给出高见,以便在设计中加以防范。我打算以后的工程阳角部位斜向放射筋长度
由现在的 0.5L 改为 L。
伊新富
sjpsjp 对问题进行了详细的分析和判断,非常精彩。我想做些补充:
1、 该板块是否是完整的四方板呢?如果不是的话,就应该加小梁,使之成为矩形、四边
形等比较规则的形状。由于刀把形等复杂异形板块,其拐角处应力复杂,容易出现斜裂缝。
2、 对于标准矩形的板角斜裂缝,正如 sjpsjp所说的,一般出现在工程竣工验收后半年左
右。这些裂缝绝大多数为断裂状裂缝,即从板面及板底均可看到裂缝。从 sjpsjp描述及分
析来看,我个人还是觉得配筋因素以及混凝土收缩徐变裂缝和温度裂缝的可能性很大。
3、 先看混凝土收缩徐变裂缝和温度裂缝吧。这里的影响因素很多,并不仅仅是温度湿度
那么简单和直接。很可能是水泥质量的问题,因为水泥产地较杂、品牌较多,它们的性能差
别也许很大。另外,要控制混凝土的踏落度、水灰比,添加剂的含量以及如何使用关系很大,
砂子、石头、水的问题也说不定呀。还有混凝土的养护也很重要:提前拆模板,养护不周,
工人施工不合理,乱扔钢筋等等都可能会产生裂缝。
4、 现在来看看配筋问题。由于混凝土的不均匀干缩和外墙梁相对于楼板的膨胀变形,在
楼层的楼板角部中产生了正拉应力和剪应力,当二者的合力(即斜拉应力)超过了混凝土的抗
拉强度,就容易产生切角贯穿裂缝。配筋时要满足强度和正常使用要求,再加上考虑温度等
因素,我个人看法:除了配筋率不少于 0.20%~0.25%外,关键是控制钢筋间距在 150 左右,
才能起到控制裂缝的作用。板四角配置的斜向平行钢筋的间距应该是 100,直径可以只要 D8
或 D10 就够了,其范围为 L/4~L/3,上部钢筋放在负筋上面,下侧钢筋放在板下部钢筋下面,
要上下都配,以防止楼板四角出现 45度裂缝。
5、 其实现在施工单位减少板厚的做法很常见,据某省调查,有 60%的板厚不满足设计要
求。所以有时也可以看看板厚是否满足设计要求。
6、 除了局部的加强处理外,我想设计人员更应该重视整体结构的布置,施工人员要重视材
料和养护的观念,建成后还要使用人的正常使用和维护才能真正达到防止裂缝的目的。
HiStruct:
主要原因应该是混凝土温度收缩和结构受力的共同作用,正如前面所分析的那样,由于
此楼板的受力比较大,在可能产生受力裂缝的地方,应力经常比较大,可能导致板已经产生
了较多的微裂缝,而温度作用时,主拉应力处混凝土由于微裂缝的产生已经退出工作,仅
靠少量构造钢筋很容易产生很大的温度收缩应变,并且集中在微裂缝处开展,因此裂缝也
急剧变大。之所以屋面板没有出现裂缝,HiStruct认为就是因为结构受力没有车间那么大,
因此在温度作用时,没有提前产生大量微裂缝,可以依靠混凝土和构造钢筋一起抵抗温度产
生的收缩作用。
摘自:周献祥老师的结构设计笔记:
拆模就发现的裂缝,属于早期收缩裂缝,它与荷载作用没有关系或关系不大,其原因有
以下三个方面:
a:拆模后,裂缝呈板面宽、板底窄的规律。如果是荷载作用下受力裂缝,由于板在垂直于
板中面荷载作用下呈锅底状下垂,只要是贯通缝,裂缝一定是板面窄、板底宽的规律。因此,
这类裂缝是在板还没有产生竖向变形的情况下出现的,是在板底模板支撑拆除前就出现的。
其产生的原因是混凝土在凝结硬化过程中产生收缩变形,由于底部墙体或柱子以及模板的约
束作用,收缩变形受到限制而产生收缩拉应力,当混凝土收缩拉应力达到或超过该部位混凝
土的极限拉应力时,混凝土就开裂。 混凝土收缩拉应力平行于板的中面,属于弹性力学中
的平面应力问题,理论上,其应力沿板的厚度等值,裂缝贯通且上下宽度一致。但实际上,
由于板底模板的约束作用,板底裂缝宽度相对较窄,而板面没有约束,板开裂后裂缝自由扩
张,裂缝相对较宽。
b:裂缝出现的部位与荷载作用下薄板弯曲引起的裂缝分布规律不一致。
c:与混凝土浇筑季节、混凝土配合比和混凝土养护措施等有一定的对应关系、在一些高层
住宅建筑中,上下楼层板的跨度、板厚、混凝土等级和配筋等都是一样的,但却常出现底部
几层楼板开裂,而上部几层不裂或者裂缝要少得多。根据开工的季节不同,也有的工程底部
几层楼板不裂或裂缝要少得多,而上部几层开裂或裂缝较多。这也说明裂缝与荷载关系不大。
早期收缩裂缝的原因:
1.汞送流态混凝土(塌落度 120~200)的收缩变形值比流动性混凝土(塌落度 30~80mm)及
低流动性混凝土(塌落度 10~30mm)增大一倍以上,而相应减少混凝土收缩变形的各类措施
没跟上。
2.家用电器的增多,智能化、信息化使用功能的需要,局部楼板板块内埋机电暗管较过去成
倍增加而造成局部板厚被削弱较多而形成薄弱环节。
3.施工单位为了抢工期,在混凝土强度未达到 1.22 2N / mm 以前,就在强度不足的楼板
上踩踏放线或安装模板等,造成混凝土因早期抗压强度不足而在施工荷载的振动和挤压作用
下开裂。 早期收缩裂缝常常是贯通裂缝,将楼板分割成几块只有钢筋相连的小板块,改变
了板的传力途径,对板的承载力也产生了不利影响。但试验表明,梁板开裂后在正常使用荷
载作用下,裂缝不发展。挠度在规范允许范围内,只需对裂缝进行处理,不必进行强度加固。
砌体结构顶层横墙斜裂缝开裂机理分析及防治措施:
多层砖砌体结构住宅和办公楼顶层横墙常出现有规律的斜裂缝(八字形),这些建筑
的设计大部分都符合有关的设计规范,长度也未超出规范中伸缩缝长度,但顶层横墙开裂的
现象仍较普遍。但统计几栋建筑后,发现有以下规律:
1.屋顶保温性能越差,顶层横墙开裂的可能性越大。
2.女儿墙越高,顶层横墙开裂的可能性越大;女儿墙高度相同时,混凝土女儿墙比砖砌女
儿墙更易产生顶层横向开裂。
3.外纵墙与横墙交接处的构造柱越密,横墙间距越小,顶层横墙越易开裂。
4.屋顶为装配式预制空心板比现浇板屋盖更易产生顶层横墙开裂,尤其是部分现浇部分预
制屋盖,预制部分对应的顶层横墙开裂的可能性更大。
5.与结构封顶的季节有关,夏季和冬季结构封顶的结构顶层横墙易开裂。
在设计时,有的在屋盖上增设温度缝的做法,但削弱了屋盖的整体性,对抗震不利。
裂缝开展机理分析:
建筑结构由于自然环境条件变化所产生的温度荷载一般可分为以下几种类型:太阳辐
射、气温变化等引起的温度升高;强冷空气的侵袭等引起的降温;年温变化产生的年温荷载,
还有施工阶段混凝土水化热引起的温度荷载等人为造成的温度荷载等。 线膨胀系数:指
温度每变化 1℃材料长度变化的百分率。
防止横墙开裂的措施:
注释:
裂缝产生过程:荷载作用在结构或构件上产生裂缝,由设计院设计和施工单位施工,所
以出现了裂缝应该从以下几个关键词中找原因:“荷载或其它作用”、“设计过程”、“施
工过程”,并且出现裂缝时,应在过程中把以上原因串起来。
荷载或其它作用包括:施工时的使用荷载、不均匀沉降、温度荷载、收缩、徐变等;
设计过程:从抗的角度,钢筋的配置量是否足够?位置是否合适?从调的角度:如是板
的裂缝,则是否可以设置小梁把板块划分规则,减小应力集中?如果是地下室外墙裂缝,则
后浇带、添加剂等措施是否正确?如是是砖混结构,则构造柱、圈梁布置和砖墙中配筋是否
正确?
施工过程:是否如实按照设计要求去施工?是否和根据施工经验和设计方有过沟通?是
否偷工减料?
以下将简要分析温度应力作用:
在正常使用条件下, 混凝土裂缝主要是由混凝土自身收缩和环境温度变化引起的收
缩这两部分导致的 在超长混凝土结构设计时, 最有效的方法是通过在混凝土构件上施加预
应力来抵消这两部分的拉应力, 确保构件不出现有害的裂缝 因此, 需要通过对混凝土进
行自身收缩和温度应力的定量分析,具体计算方法可参考相关文献,求出温差后,即可用
MIDAS 或 PKPM 软件算出温度应力。
温度应力是由混凝土自身收缩、徐变和环境温度变化长期作用后产生的,混凝土自身
要收缩、徐变,支座要约束混凝土构件的变形,于是可以由此判断出构件应力的方向。