在当前竞争日益激烈的建筑设计市场中, 结构优化设计成为大势所趋。因此如何在符合规范要求、保证建筑产品品质的前提下, 从“可行的”设计中选出“最优的”设计将是结构设计的重要工作。方案阶段, 通过概念设计, 将建筑物的复杂程度、不规则程度等均控制在合理范围内;初步设计阶段, 通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础形式等内容的多方案技术经济性比较, 选出最优方案;施工图阶段通过精确输入及计算, 给出最优计算结果。而在整个设计过程中, “细节”设计更不容忽视。文中总结了以往的设计经验, 依据相关规范条文, 结合工程实例, 给出结构设计的一些细节做法, 供设计人员参考。

《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1] (简称抗规) 第5.1.1条第3款规定:质量刚度分布明显不对称的结构, 应计入双向水平地震作用下的扭转影响;《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3—2010) ^[2] (简称高规) 第4.3.2条第2款规定:质量刚度分布明显不对称的结构, 应计入双向水平地震作用下的扭转影响;其他情况, 应计算单向水平地震作用下的扭转影响。如何定义质量刚度分布明显不对称, 规范没有明确的定量要求。“质量与刚度分布明显不对称”主要看结构刚度和质量的分布情况以及结构扭转效应的大小, 总体上是一种直观判断, 不同设计者的认识有一些差异是正常的, 但不应产生质的差别。一般而言, 可根据楼层最大位移与平均位移之比值判断, 若该值超过扭转位移比的下限1.2, 则可认为扭转明显, 需考虑双向地震作用。

偶然偏心的规定主要是考虑地震动力反应过程中可能由于地面扭转运动、结构实际的刚度和质量分布相对于计算假定值的偏差, 以及在弹塑性反应过程中各抗侧力结构刚度退化程度不同等原因引起的扭转反应增大。高规第3.4.5条规定:在考虑偶然偏心地震的作用下要满足位移比限制;高规第4.3.3条规定:计算单向地震作用时考虑偶然偏心。这两条说明高层无论计算位移比还是配筋都要计入偶然偏心。但对于多层结构设计主要参照抗规要求, 而抗规第3.4.3条中的表3.4.3-1注明了位移比算法是在规定水平力作用的情况下。虽然正文没有明确要考虑偏心, 但在条文说明中明确要考虑, 因此对于多层建筑计算位移比也要考虑偶然偏心。

周期折减系数不仅对于结构整体配筋影响大, 对位移角影响也很大。研究表明, 有时含填充墙的框架刚度可达纯框架的10倍^[3]。绝大部分情况下, 增大结构刚度将增大结构承受的地震作用。不考虑填充墙对刚度的增大作用, 将致使结构承受的地震作用偏小, 从而降低了结构的抗震安全性^[4]。因此, 进行结构设计时, 应对未考虑填充墙刚度的结构动力计算的周期加以折减, 从而增大结构刚度, 适当增加地震作用, 保证抗震安全。关于周期折减系数的具体取值, 抗规上没有相关条文, 但在高规第4.3.17条对周期折减系数作出了规定。需要强调的是高规里的周期折减是有前提条件的, 即非承重墙是砌体, 相应条文说明里也有详细解释。现在的综合体商业裙房建筑多为框架结构, 在结构内部局部基本上采用轻质混凝土砌块或者轻质隔墙, 而大部分是开敞式布置, 外部基本上是玻璃幕墙, 因此可以采用比规范更灵活的折减系数, 不必拘泥于0.7的上限^[5,6,7]。

《建筑设计防火规范》 (GB 50016—2014) ^[8] (简称防火规范) 第7.1.8条第4款规定:消防车道靠建筑外墙一侧的边缘距离建筑外墙不宜小于5 m, 见图1。当±0.00楼板考虑消防车荷载时, 除了按照《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[9]的规定进行折减外, 不能简单地将首层建筑物外轮廓线以外的位置满布消防车荷载, 应该按照防火规范第7.1.8条第4款执行。其他部位如消防车道、消防扑救场地、回车道等部位要考虑消防车荷载的作用。

当屋面需要放置冷却塔等大型不可拆解设备时, 由于场地及吊装设备的限制, 不能将设备一步安放到位, 此时需要结合场地情况, 在屋顶楼板相应位置设计设备“通道”, 以便设备可以在屋顶进行调整就位。“通道”是连接设备临时放置地点和最终安置地点的通道, 荷载按实际需要考虑, 并在图纸上明确标明位置。这既可以明确安装路径, 避免安全隐患, 也可以避免荷载满布带来的浪费。

《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[10] (简称混规) 第9.2.13条规定:梁的腹板高度h_w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 (bh_w) 的0.1%, 但当梁宽较大时可以适当放松。此处, 腹板高度h_w按混规第6.3.1条的规定取用;其中h₀为截面的有效高度;h_w为截面的腹板高度 (矩形截面, 取有效高度;T形截面, 取有效高度减去翼缘高度;I形截面, 取腹板净高) 。h₀的示意详见混规第6.2.2条第3-3款, 即梁的有效高度h₀=h (梁高) -a (详见混规第6.2.17条) 。所以当计算h_w的时候要注意考虑保护层的厚度, 比如梁高为550mm的T形截面梁, 板厚为100mm时, 按混规要求就无需设置侧面构造钢筋。

混规第9.2.11条规定:位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载, 应全部由附加横向钢筋承担, 附加横向钢筋宜采用箍筋。设计中经常出现不分具体情况, 只要有梁搭接, 即“每侧设置3道箍筋, 箍筋直径同主梁”, 这种做法欠妥。设置附加横向钢筋的目的是将集中荷载传递到梁的受压区, 如果梁顶部设置柱子或搭搁预制钢筋混凝土梁、檩条及钢梁时, 这些构件已经直接落在梁的受压区, 因此没有必要再设置附加横向钢筋^[11]。附加箍筋可遵循以下2个原则:1) 对于被搭接梁的附加箍筋应该通过计算确定, 不能笼统地在搭接处两侧各附加3道箍筋, 造成不必要的浪费, 附加箍筋能承受的集中荷载见文献[12]第223页。2) 次梁截面面积已经小于主梁截面面积的一半, 且所传荷载位于主梁上部, 即传给搭接梁的荷载已经在梁的受压区, 可以不设置附近箍筋。优化实例见图2。

在框架-核心筒的结构体系中经常出现次梁和剪力墙垂直搭接 (图3) ;当两端采用刚接, 应用SATWE软件计算时会发现梁端的负弯矩偏大, 计算结果超筋, 加大梁截面后效果也不好。实际上, 剪力墙在平面外的刚度并不大。造成这个结果的原因是SATWE的计算假定与实际构件的实际受力状态不完全契合。程序放大了剪力墙对梁的嵌固作用, 造成梁端弯矩偏大。比如某综合体中的塔楼, 其标准层局部次梁布置如图3所示, 其中L1及L2的截面为200×600, 端部刚接时, 搭接处配筋计算值为5 900mm², 严重超筋。设计采用局部加大截面的方法, 勉强能排布钢筋。建议采用以下2种解决方法:1) 梁的锚固条件不变, 即为刚接, 但是梁端进行调幅, 将梁端负弯矩调整20%左右到跨中, 实际配筋会合理一些, 详见高规第5.2.3条;2) 直接将次梁的刚接改为铰接, 参见北京市建筑设计研究院《建筑结构专业结构措施》 (2006年版) 第5.4.4条。图示布置刚接时梁端部配筋5 900mm², 跨中配筋800mm²;改为铰接后跨中配筋为1 800mm², 梁通长截面为200×600, 取消端部600×600的截面。刚接与铰接对比, 钢筋量变化不大, 但降低了混凝土用量。

抗规第6.5.1条第2款规定:框架-抗震墙结构有端柱时, 墙体在楼盖处宜设置暗梁, 暗梁的截面高度不宜小于墙厚和400mm的较大值;抗规第6.6.4条第1款对板柱-抗震墙结构中暗梁设置进行了规定;高规第8.2.2条第3款规定:与剪力墙重合的框架梁可保留, 亦可做成宽度与墙厚相同的暗梁, 暗梁截面高度可取墙厚的2倍或与该框架梁截面等高, 暗梁的配筋可按构造配置, 且应符合一般框架梁相应抗震等级的最小配筋要求。通过以上分析可以得出以下结论:1) 暗梁仅局限于框剪结构的相关规范中;2) 暗梁的截面尺寸为墙厚的2倍和400mm的较大值;3) 暗梁的配筋可按构造配置, 但应满足相应抗震等级框架梁的最小配筋率要求。实际工程设计中, 各单位在设计时剪力墙暗梁设置情况各不相同, 造成一定程度的浪费, 必须按照规范的要求进行暗梁设置。其实对于地下室, 楼板与挡土墙交接处可以不设置暗梁;框筒结构的核心筒在楼层也可不设置暗梁。某综合体项目地下室长285m, 宽185m。塔楼1为公寓, 地上23层, 核心筒平面尺寸为12.6m×9.6m;塔楼2为5A级写字楼, 地上35层, 核心筒平面尺寸为18m×18m;塔楼3为五星级酒店, 地上21层, 核心筒平面尺寸为21.6m×10.8m。该项目采用连通地下室, 地下室为2层。施工图中在地下室外墙与楼板交接处及各层核心筒外圈楼层处暗梁布置见表1, 从表中可以看出, 暗梁用料相当可观。

在同等钢筋面积下尽量选择小直径钢筋, 比如3根18与2根22总面积相差3mm², 但是对于HRB400级钢筋, C30混凝土, 按照混规第8.3.1条计算18的锚固长度为634mm, 22的锚固长度为775mm, 锚固长度约增加22.2%。

混规第5.4.1条规定:混凝土连续梁和连续单向板, 可采用塑性内力重分布方法进行分析;混规第5.6.1条规定:对不承受多次重复荷载作用的混凝土结构, 当有足够的塑性变形能力时, 可采用塑性极限理论的分析方法进行结构的承载力计算, 同时应满足正常使用的要求;混规第5.6.3条规定:承受均布荷载的周边支承的双向矩形板, 可采用塑性铰线法或条带法等塑性极限分析方法进行承载能力极限状态的分析与设计。根据工程经验, 按照塑性理论计算的楼板无任何安全问题, 但配筋量比弹性理论可节省20%~30%^[12]。取某综合体中商业MALL中4.2m×4.2m板块进行计算, 材料为C30混凝土和HRB400级钢筋, 塑性算法中塑性系数β=1.4, 板厚度120mm, 恒荷载取2.5k N/m², 活荷载取3.5k N/m²。计算结果见图4, 支座配筋降低20%。

高规第3.4.6条及第3.4.7条对楼板的布置做出了相关规定, 其条文说明也做了详细的解释。美国波特兰水泥协会PCA出版的关于应用ACI 318规范的手册^[13], 解释横隔板的定义和功能如下:在建筑工程中, 横隔板属于结构构件, 如楼板或屋顶板, 它起着下列部分或全部功能:1) 提供建筑物某些构件的支点, 如墙、隔断与幕墙, 并抵抗水平力, 但不属于竖向抗震体系的一部分;2) 传递横向力至竖向抗震体系;3) 将不同的抗震体系中的各组成部分连成一体, 并提供适当的强度、刚度, 以使整个建筑能整体变形与转动。新西兰规范ZS 3101—2006也有类似的表述。工程师应该正确理解规范, 不能简单地认为只要是电梯间楼梯间开洞, 就认定为楼板削弱, 就需要加强, 抗规统一培训教材^[14]第19页也有类似表述。比如某酒店平面布置图 (图5) , 设计中将LB1加厚到130mm, 并进行双层双向配筋是没有必要的。首先, 楼板布置并没有形成规范所说的削弱;其次, 结构平面布局并不是规范所列举的不利平面布置;第三, 并不影响水平地震力传给竖向构件。筒体内楼板LB2可以适当加强, 以便增加筒体整体性。

抗规第6.1.14条规定:地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时, 其楼板厚度不宜小于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%。混规第9.1.8条规定:在温度、收缩应力较大的现浇板区域, 应在板的表面双向配置防裂构造钢筋;配筋率均不宜小于0.10%, 间距不宜大于200mm。防裂构造钢筋可利用原有钢筋贯通布置, 也可另行设置钢筋并与原有钢筋按受拉钢筋的要求搭接或在周边构件中锚固。设计中经常见到直接将支座负筋全部拉通, 此做法是不合适的, 建议做法如下:当地下室顶板作为嵌固层时, 板厚宜取180mm, 此时支座配筋应该先布置通长钢筋 (1) , 满足抗规要求, 支座钢筋不够, 在局部附加钢筋 (2) ;如果是屋面板, 应该是120mm厚度, 可以将钢筋 (1) 设置为6@200, 满足混规的要求, 然后支座附加受力钢筋;如果支座负筋计算面积的50%能满足楼板最小配筋率的要求, 可以将支座钢筋的50%拉通, 以满足温度应力的要求。 (1) 号、 (2) 号钢筋示意见图6。

高规第3.4.8条规定, 楼板开大洞削弱后, 宜采取下列措施:1) 加厚洞口附近楼板, 提高楼板配筋率, 采用双层双向配筋;2) 洞口边缘设置边梁、暗梁;3) 在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。但是多大洞口算大洞没有规定, 设计中通常做法是当预留孔洞直径D或宽度B (B为矩形孔洞垂直于板短跨方向的孔洞宽度) 不大于300mm时, 可不设置附加钢筋, 将受力钢筋绕过孔洞边不要切断;当预留洞孔直径D或者宽度B大于300mm, 但小于1 000mm, 且孔洞周边无集中荷载时, 应在孔洞边每侧配置附加钢筋, 且每侧钢筋面积应不小于孔洞宽度内被截断的受力钢筋总面积的一半;当预留洞孔直径D或者宽度B大于300mm, 或虽小于1 000mm, 但孔洞周边有集中荷载, 或洞孔直径D或者宽度B大于1 000mm, 应在孔洞边加设边梁。设边梁的目的是将局部削弱的楼板进行适当加强, 但不能简单地理解为只要开洞就加梁, 需考虑洞口周边荷载分布情况及荷载大小。实际工程中小于1 000mm的板洞基本上都是设备管井, 洞口边基本上都是轻质隔墙, 其荷载属于均布线性荷载, 可简单的折算成板的均布荷载进行设计, 去掉洞口封边梁, 见图7。此时应注意慎用虚梁, 虚梁会导致传力路径的改变。

《全国民用建筑工程设计技术措施/结构/地基与基础》 (2009版) ^[15]第5.8.11条规定:1) 计算地下室外墙的土压力时, 当地下室施工采用大开挖方式、无护坡桩或连续墙支护时, 地下室外墙承受的土压力宜取静止土压力, 静止土压力系数K₀, 对一般固结土可取1-sin (为土的有效内摩擦角) , 一般情况取0.5。2) 当地下室施工采用护坡桩或连续墙支护时, 地下室外墙的土压力计算中, 可以考虑基坑支护与地下室外墙的共同作用, 可按静止土压力乘以折减系数0.66近似计算 (0.5×0.66=0.33) 。

《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[16] (简称桩基规范) 第3.3.3条规定:基桩的布置应符合下列条件, 即基桩的最小中心距应符合表3.3.3的规定, 当施工中采取减小挤土效应的可靠措施时, 可根据当地经验适当减小。当采用泥浆护壁法钻 (挖) 孔灌注桩时, 桩的中心距应该是3.0d (d为圆桩设计直径) 。图8及图9为桩基布置对比。优化布置后钢筋及混凝土用量均降低, 总用量约降低27%。

桩基规范第4.2.1条规定桩基承台的构造, 除应满足抗冲切、抗剪切、抗弯承载力和上部结构要求外, 尚应符合下列要求:柱下独立桩基承台的最小宽度不应小于500mm, 边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或边长, 且桩的外边缘至承台边缘的距离不应小于150mm。对于墙下条形承台梁, 桩的外边缘至承台梁边缘的距离不应小于75mm, 承台的最小厚度不应小于300mm。图10为3桩承台平面布置图, 边桩中心至承台边缘的距离布置优化。优化布置后钢筋及混凝土用量均降低, 总用量节省约为14%。

承台配筋图的绘制, 经常见到图11 (a) 做法, 建议按图11 (b) 进行绘制。

图11中配筋说明如下:1) (1) 号钢筋为承台受力钢筋, 不应该全部上弯, 作为承台的侧面构造钢筋, 其钢筋构造可以参考16G101-3^[17]第94页;若考虑承台开裂时, 可将 (1) 号受力钢筋的1/2或者1/3上弯作为承台的侧面钢筋;当承台的 (1) 号受力钢筋直径较大, 没有必要将其上弯作为承台的侧面构造钢筋, 可以设置侧面构造钢筋为12@200即优化后的图示 (2) 钢筋与底部 (1) 号受力钢筋进行搭接。2) (3) 号钢筋为筏板或者防水板底部受力钢筋, 当承台体积较大, 大于2倍筏板钢筋的锚固长度时, 可以将钢筋断开, 每端满足锚固长度即可。3) (4) 钢筋为柱子的插筋, 当承台厚度较厚, 远大于柱子受力钢筋的锚固长度时, 可以不必将全部钢筋伸入承台底部, 与钢筋网片拉结。《全国民用建筑工程设计技术措施/结构/地基与基础》 (2009版) ^[15]第5.8.12条, 竖向构件纵筋在基础中的锚固长度中“有抗震设防要求时, 若建筑物无地下室或只有1层地下室, 则柱纵筋、剪力墙竖向钢筋锚入基础的长度应按抗震锚固长度l_{a E};若建筑物地下室层数≥2, 则柱纵筋、剪力墙竖向钢筋锚入基础的长度按非抗震要求l_a, 也乘以修正系数0.8”。《建筑地基基础规范》 (GB50007—2011) ^[18]第8.2.3规定了柱子插筋在基础中的做法, 即角筋深入底部, 其他钢筋满足锚固长度。

外墙外侧配筋的通长做法是先配通长钢筋, 再配附加钢筋;筏板支座钢筋同样是先配通长钢筋, 再配附加钢筋;当墙体外侧钢筋与底板底侧钢筋 (图12中的 (1) 号和 (2) 号钢筋) 间距一致, 面积接近时可以将两者合并为1根钢筋, 以便节省锚固长度。

高规第6.4.2条注3中表明规范规定的轴压比数值适用于剪跨比大于2的柱;剪跨比不大于2但不小于1.5的柱, 其轴压比限值应比表中数值减小0.05;剪跨比小于1.5的柱, 其轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施;抗规第6.3.6条注2中也有相同的表述。酒店等高层建筑中经常设置设备夹层, 如果设备夹层采用混凝土结构, 经常会出现规范中的短柱甚至超短柱的情况, 见图13, 建议采取以下做法:将设备夹层及其上一层合并为一层, 设备夹层底板采用混凝土结构, 设备层顶板可以作为轻钢结构或者预留条件做预制盖板。此种方式均需满足高规第3.5.2条及第3.5.3条关于层间刚度比及层间受剪承载力要求。当以上方法不适合时, 再进行层高或者构件尺寸的调整。

在结构设计过程中, 要充分理解规范条文的含义, 在重视整体概念设计的同时, 也要注意结构设计的细节, 并及时总结经验, 争取“最优化”设计。同时必须指出, 由于各地审图机构对规范理解的不一致, 难免出现偏差, 期望各位同仁指正。