与建筑专业相关的几个结构设计问题

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与建筑专业相关的几个结构设计问题

建筑设计中，出于美观的要求在建筑物的外侧经常会采用一些装饰性的处理方案。有些方案对结构设计没有多少影响，这里没有必要讨论。有些方案从表面上看来好象不难处理，但仔细思考下去，还是有问题，需要认真推敲。本文讨论的是结构专业的问题，但有些内容实际上与建筑专业的方案相关。期望这里的讨论对建筑专业在确定相关方案时能有一些参考作用。

1. 凸出于建筑外墙的装饰墙设计问题

建筑专业设计中有时要求在垂直于外墙的方向设一个凸出于外墙的装饰墙。这种装饰墙凸出外墙的尺寸可达3 ~ 4 m，有不少结构设计人员将这一问题看得比较简单，认为只要程序计算能够通过就行了。他们喜欢采用砌体墙的方案，在每一层设悬挑梁支承砌体墙，墙的端部设构造柱。采用程序计算合格后就绘图。其实，这是认识上的一个误区。这种凸出于外墙的装饰墙，对于侧向的水平荷载(例如，风荷载)比较敏感。但大部分多、高层计算程序，并没有计算梁在水平方向受弯时的配筋，因此也不可能提供这类悬臂梁在侧向受弯时是否满足规范要求的信息。需要注意的是，在装饰墙外端设钢筋混凝土柱基本上不可行。因为一般情况下此处装饰墙的高度很高，从地面向上的上端自由柱很难满足稳定性要求，而且端柱宽度大于装饰墙厚时会破坏立面效果，建筑专业难于接受。

结构设计的一种处理办法：可以对悬臂梁按风荷载作侧向配筋的手工计算，当不能满足设计要求时，建议增加墙厚或减少装饰墙从外墙向外的凸出尺寸。在平法绘图中，不能直接表达该处的侧向配筋，可借用抗扭钢筋来表示。

建筑方案设计的建议：这种凸出于建筑外墙的装饰墙，类似于在建筑物的侧边立了一个硕大的广告牌，在风荷载作用下这种“广告牌”的受力状态是个薄弱环节。从结构观点来说，装饰墙的凸出尺寸宜小不宜大。如效果上容许，可在墙上开一些有规律的能透风的洞，以减小风荷载。特别是需要延伸到屋面上相当高度的装饰墙，结构的抗风处理更为困难，在出屋面的装饰墙上开大一些的洞以减小风荷载很有必要。

2. 高女儿墙的设计问题

由于种种原因，有时需要在屋面上设置较高的女儿墙。从大的方面来说，可分为钢筋混凝土女儿墙与钢结构女儿墙两类。

钢筋混凝土女儿墙：
不算太高的女儿墙，一般可采用悬臂板式的女儿墙；
4m左右高的女儿墙，宜于将楼层的钢筋混凝土柱伸出屋面，作为抗风柱，最终承担全部悬臂女儿墙上的风荷载，柱顶设侧向刚度较大的抗风梁，将女儿墙板上的风荷载通过该梁传至柱顶。此时，女儿墙板的受力特征已不是悬臂受力，结构处理比较容易。此时，如果建筑立面允许，在女儿墙板上开一些类似窗户的大洞，可以减小风荷载，对结构是有利的。

钢结构女儿墙(含屋顶的广告牌)：
较高的钢结构女儿墙在风荷载作用下，受力是很不利的。东南沿海地区，刮台风时，将屋顶广告牌刮坏是常有的事。因此，应该慎重考虑较高钢结构女儿墙及屋顶广告牌的结构设计问题。
一般而言，从结构的观点来看，加斜撑是受力比较合理的方式。对于钢筋混凝土结构屋顶上的广告牌，这是常用的处理方法。
对于轻钢结构的屋面，也可采用斜撑，但其主要缺点是，斜撑根部的构造有些困难，容易漏雨。高度不高且风荷载不大时，可以将钢柱延伸到屋面上以承受女儿墙的风荷载。但需注意几个问题：一是，当延伸的钢柱贴在下面钢柱的外侧时，要考虑是否会对建筑外立面有影响；二是，当延伸的钢柱从下面钢柱直接向上延伸时，要注意在节点构造中屋架或屋面梁是否允许钢柱向上延伸，并应考虑是否会影响内排水天沟的设计。
对于这些构造的是否可行问题，结构与建筑专业宜于在施工图设计的早期进行磋商，避免后期的大返工。
屋顶广告牌宜于做成能透风的形式，这样可以减小风荷载，避免结构构架过于笨重。如不能做成能透风的形式，也可要求广告牌不要做成蒙钢板的形式而采用蒙布的形式，使得遇到强风时，蒙布被撕坏后能保住构架的安全。如按此思路设计，在施工图中应有明确的说明。以免在使用期间被改换做法后，仍要设计部门承担责任。

3. 雨蓬设计中与主体结构相关的问题

外围护墙采用轻质材料后，雨蓬与主体结构的关系处理起来要麻烦一些。较大的钢筋混凝土雨蓬，设计人比较重视，且应针对具体问题专门讨论，这里不做深入探讨。本文只是侧重讨论可能疏忽大意的一些“小”问题。

较小的钢筋混凝土雨蓬：
在用粘土砖做围护墙时期，过去一般可以用墙的重量来平衡雨蓬的扭矩。或者当墙上部顶在钢筋混凝土梁上时(内嵌墙)，可以用梁对墙的压力来平衡雨蓬的扭矩。
当采用轻质砌体做围护墙时，有时墙的重量平衡不了雨蓬的扭矩。如果采用内嵌墙，可以在门的两侧设构造柱，用上部梁对构造柱在墙内侧的压力及下部构造柱在墙外侧的反力来平衡雨蓬的扭矩。如果是外包墙，则构造柱一般不能起到平衡雨蓬扭矩的作用，当上部墙的重量平衡不了雨蓬的扭矩时就需要另找出路。例如，在构造柱的上部设法与主体结构连接，使主体结构能通过构造柱产生墙内侧的压力来平衡雨蓬的扭矩，为此应在图纸中绘出专门的连接构造图，并应注意上部结构如何承担构造柱向上的推力。也可在雨蓬处设置与主体结构整体连接的雨蓬梁，用雨蓬梁来承担雨蓬的扭矩。此时，从构造上来看，需注意两个方面：一是，雨蓬梁的宽度宜取宽一些，以保证雨蓬梁特别是其支座处的抗扭能力，且应绘出专门的连接构造图；二是，要注意与主体结构柱相连的雨蓬梁是否会影响雨蓬旁边的建筑处理，例如延伸到柱上的雨蓬梁是否会与窗冲突，这种带有方案性的问题应在早期与建筑专业讨论，以免后期处理时的被动。讨论时应该注意，采用外包墙时简单地用构造柱承担雨蓬梁的扭矩，一般并不可行。

钢雨蓬
钢雨蓬多数有斜拉杆，无论主体结构是钢筋混凝土结构还是钢结构，都有一个侧向受力的问题。当斜拉杆的上端处在楼层附近时，上端的侧向拉力可由楼层刚性平面来平衡，问题比较简单。当斜拉杆的上端离楼层较远时，一般需在该标高处设梁以承担侧向拉力。当该梁跨度较大，钢雨蓬的侧向拉力较大时，梁的设计应多加注意。钢筋混凝土梁应有足够的宽度以保证满足侧向受力的强度与变形要求，钢梁也应有较大的侧向刚度，设计人有时因没有深入思考而造成疏忽，需引起注意。同样，在雨蓬平面内一般也应有承受侧向压力的梁，也有与上述梁类似的受力特征，设计时需加以注意。

4. 墙面上外伸悬挑装饰问题

建筑专业的方案设计中有时在外墙面会悬挑出一些厚重的装饰线条。如果是在轻型骨架上外包饰面材料，结构专业比较容易处理。如果要求在框架结构上采用钢筋混凝土悬挑方式，悬挑尺寸也不小，例如1m多一些，结构的处理难度就比较大。难处理的理由：一是，构造柱的抗弯能力较差，不好用构造柱作为悬挑构件的固定端；二是，有些悬挑部分无法利用柱上的悬挑梁端作为支承点，因为建筑立面处理的需求，在某些柱范围内不允许有悬挑构件；三是，采用柱间的横梁支承悬挑构件时，如果悬挑装饰的侧边有外门，很可能该门要与横梁冲突。
建议1，结构专业负责人宜早期注意这类问题，从方案上把握好对建筑专业可能带来的影响。
建议2，当结构专业发现较难处理时，宜与建筑专业尽早协调。需注意，前面提到的横梁与门的冲突问题，另外，横梁宽度由于抗扭的要求一般会大于外墙的厚度，建筑专业是否可以接受。在难于协调时，可能需要将构造柱扩展成结构柱，除去需要改变计算简图外，也还要得到建筑专业的认可。
建议3，建筑专业在外伸悬挑装饰处不宜再加重荷载，例如，金鱼池、种花、种草等。建筑专业的荷载愈重，结构构件会相应增大，可能会事与愿违。

5. 悬挑梁支承在单侧砼梁上时的扭矩配筋问题

在一些建筑设计中，采用越层大空间或错层设计时，会在中间楼层的周边设有悬挑式走廊，这些悬挑梁一般支承在框架梁上。对该框架梁来说，值得注意的是抗扭问题。当框架梁是砼楼盖的一部分且梁周边的砼板没有开洞时，楼板可以约束梁的扭转，框架梁实际的扭矩比计算值小。在SATWE程序中采用“梁扭矩折减系数”的办法来解决此矛盾，隐含的折减系数为0.4 。
注：SATWE程序中对梁、柱采用了空间杆系的计算单元，在整体的计算模型中没有考虑楼板对梁的扭转约束。这使许多经过大量实践考验的常见建筑中一些梁的抗扭配筋出奇地偏大。编程人员为解决此问题，只是直接减少梁的扭矩以降低抗扭配筋。需要注意，采用“梁扭矩折减系数”是一个变通的办法。因为，简单地减少梁的扭矩，实际上破坏了节点的力矩平衡条件，梁扭矩的减少意味着梁扭角的减小，将导致与该梁相交的另一个方向梁上的弯矩变化，程序中没有考虑这种变化。
当悬挑式走廊的另一侧与砼楼盖不相连时，悬挑走廊的楼板起不到约束框架梁扭转的作用，梁的抗扭钢筋必须加强。此时，如仍按隐含的参数计算，将是不安全的。因为，程序会自动将求得的扭矩乘以0.4 ，显然是个错误。为了纠正这种错误，可以只针对相关的梁再算一次，将“梁扭矩折减系数”改为1.0 。
注意，所有与上述受力条件类似的悬挑构件支承梁，都有一个扭矩不应该打折的问题，都应该再算一次。
特别提醒：SATWE程序与悬挑板相关的前处理输入中，有一个误区。悬挑板上的竖向荷载可以正确的传到支承悬挑板的梁上，但悬挑板对支承梁产生的扭矩荷载并没有传过去，程序自动认为其扭矩荷载为0 。这对于未与楼层梁板相连的独立梁来说，是个危险因素，此时，即使将“梁扭矩折减系数”改为1.0再算一次也不安全。只能人工补充计算扭矩，再设法算出抗扭配筋。