结构设计中一些优化做法(转载)

本文转载自茅洪斌老师的博客 该博客的大量的专业文章令人受益匪浅。有兴趣的朋友可以去看看。
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结构设计中一些优化做法
现在一些房地产商常常向我咨询一些设计中问题，其目的是要优化设计控制造价。众所周知，钢筋占建安总造价比例相当之高，有的甚至高达50%，而钢筋价格又如此之高，且在不断上涨，所以业主普遍有一种钢筋恐惧症和钢筋过敏性反应。如果仅按设计师的意图难免会造成不必要的浪费，但业主对结构理论、设计规范又不熟悉，所以即使由于设计不合理造成用钢量的居高不下也是无可奈何，只要设计师以结构安全为理由业主也就束手无策，听之任之。其实只要对结构理论融会贯通不死啃规范，那么有许多钢筋是可以节省的，同时对结构的受力和安全无任何影响，则何乐不为呢？结构设计师的职责就是以较少的材料去完成建筑物各种功能要求，如果将构件截面任意加大，钢筋用量任意增多，那么，这个工作建筑师也能做，甚至于钢筋翻样也能做。结构师与建筑师区别在于结构师能优化钢筋的配置，即使是在发达国家，节约材料也是工程师所追求的，这与结构的安全度并无矛盾和冲突，有些浪费的不合理的设计并一定安全。结构安全永远是第一位的，人的生命比建筑物更重要。所以我们提倡的节约是不浪费，使不合理变得合理，使合理的更优化。
以下举几个实例。有网友认为我总是在博客上写民主自由平等人权户口等过于遥远抽象问题不适合中国当前的语境，并且长期这样呐喊也太累，不如写些技术性文章对网友更有帮助。我觉得网友的建议也不无道理，恭敬不如从命。

高层建筑不一定设置箱形基础。随着建筑物高宽比的增加，抵抗纵向弯曲的整体刚度也随之加大，与多层建筑相比，在整体刚度中基础刚度所占的比例明显减少（即使设箱基也是如此）。上部结构不仅是一个荷载作用于基础，而且也分担箱基的内力。

基础厚板不一定要设置中面网片。从板的受力状况看，在板的中面配置钢筋，不如在板的顶、底面配置钢筋更有效。至于温度伸缩，基础板埋置土中，基本上不受外界气温变化的影响，所以也无需为此配筋，而且外界温度变化，首先影响构件表面，也无必要在板的中部配筋。在中间加一层粗钢筋网，对于防止收缩裂缝并无好处。基础底板的厚度，首先是由它的内力确定。一般情况下，板厚帖冲切承载力决定。冲切强度满足后，其它如弯矩等皆不成问题。而板的冲切力不仅与其荷载（与层数基本成正比）有关，同时与其跨度有关，也即与建筑物的柱网尺寸有关，当然也与土质和地基承载力有关。同样的建筑同样的结构在北京，基础底板厚度1米，在上海可能需要1.5米。所以，单以建筑物层数一个参数来估计，显然是不够的。按每层50㎜,那么30层建筑底板厚度至少需要1500㎜,但实际只有1.1米。在筏板基础的板厚设计中，以板所受内力为判断依据。

框筒结构角柱面积不必过大。不少框筒结构的设计，角柱面积很大，有的是L形角墙或角筒，这种做法，既浪费材料，对结构受力状况，也不一定有利。众所周知，框筒结构承受水平力时，各柱的受力分布，有滞后现象，当角柱与中柱等截面时，角柱受力较中柱大。如果角柱面积加大很多，虽然可加大框筒的整体刚度，但也有可能更增加滞后效应，不一定有好处。委内瑞拉首都加拉加期（强震区）建造一座37层钢框筒结构，实施方案是无角柱，建筑物每个角上的窗裙梁按铰接设计，以相互传递腹板框架与翼缘框架之间的剪力。由此可见，不设角柱都可以，为什么设了就必须很大？

筒中筒结构内筒尺寸不宜受限制。有一些资料上，要求内筒平面尺寸不宜小于结构总外包尺寸的1/3，或要求内筒的边长宜为总高度的1/8~1/10。筒中筒结构所受的侧力，由内筒与外筒共同承担，其分配比例，视内外筒之刚度比而不同。极而言之，如果没有内筒，则全部侧力皆由外人士筒承担，也是可行的。国外许多高层钢框筒结构和钢骨钢筋混凝土框筒结构，都不设内筒，而且内柱只考虑承受垂直荷载，不参与抵抗侧力。既然不设内筒都可以，为什么有了内筒倒要对其尺度有各种要求呢？，所以只要结构工程师与建筑师配合默契，因地制宜，可以突破一些条条框框的限制，灵活处理，不能死教条死啃规范。以框筒结构为例，如果布置了内筒，不影响建筑使用，又能节约造价，当然以设置内筒为宜，设置内筒可以降低外柱的剪压比，多一道抗震防线，但其尺度要按建筑物具体情况不必强求其平面尺寸应当如何。

扁梁宽度不必很宽。现在，由于建筑方面的要求，梁的高度常须做得较小，不少工程中出现了扁梁，其特点是梁宽比梁高大得多，如截面1000*600，此种截面，导致梁的自重很大，楼板的混凝土折合厚度增加，结构自重也明显增加，而且还会带来梁柱节点区的构造问题。实际上在大多数情况下，梁的宽度无需如此之大。有些设计担心梁设计减小后，刚度将不够，因而以加大宽度来弥补。实际上现浇T形梁的刚度，主要依靠翼缘、梁腹的宽度，梁宽对刚度影响不大。对于一般高层建筑，钢筋混凝土现浇T形梁的高度，如取跨度的1/15~1/18，刚度不致有问题。在荷载和跨度不太大的情况下，宽度取400~600已足够，一般不会超过柱截面宽度。梁的截面满足规范，则不必人为地将梁的宽度过分加大。

框剪结构中剪力墙数量并无最低要求。框架-剪力墙结构中，剪力墙数量并无最低要求。框剪结构中剪力墙达到一定数量后，其框架抗震等级可适当降低，如果没有足够的剪力墙，则不能降低。剪力墙的位置布置恰当，不要产生过大的偏心，墙的承载力应满足要求，位移不超过规范要求。国内外震害表明，框剪结构的抗震性能远远好于框架结构，其重要的一面是侧向位移较小。我国的框架结构填充墙，常用刚性砌体材料，对于侧向位移的承受力较差，即使遇到小震也常开裂。在框架结构中。少量布置一些抗震墙，既可减少柱子的内力，使其截面和用钢量减少，又可增加一道防线。剪力墙的布置可以在楼梯电梯间布置，也可在外墙布置。只要剪力墙与楼盖有较好的连接，其两端不一定与框架柱相连。对于高层建筑，应加强抗震墙与柱子之连接，且不应将全部抗震墙皆布置在外墙，中部也应布置。

剪力墙端部暗柱长度不必过大。剪力墙端部暗柱长度取1.5bw~2.0bw。bw为剪力墙厚度。如墙厚200㎜，暗柱长度300~400㎜。如果说墙厚很大，如400㎜，600㎜，那么暗柱的长度是否取1.5bw~2.0bw？显然是不合理的，造成无谓的浪费。1985年智利大地震时，发现300多栋钢筋混凝土剪力墙结构破坏较轻，但它们的混凝土边缘并无较好的约束。研究表明，由于这些房屋的结构体系刚度较大，使其受到侧力时变形较小，因而破坏较轻。边缘构件的设置范围及构造要求取决于轴力大小、剪跨比及剪草除根应力大小，同时也取决于地震作用下的位移及端部的压应变。如果剪力的总截面面积与楼层面积之比值较大时，墙端部的约束构件（即暗柱）可能只需在底部几层设置。T形截面墙，在翼缘中配置过多钢筋，对抗震能力反而有害，对于软件计算结果翼缘配筋过多，应调整。

抗震结构中某些构件，可以不按抗震构件要求考虑。钢筋翻样也要根据实际情况分别计算抗震构件与非抗震构件的锚固和搭接长度。在抗震设计中，往往设计设计多道抗震防线，而有些构件是不参与抗震的，如次梁、板构件可按非抗震的要求，次梁箍筋不需要按抗震要求加密，次梁下部纵筋伸入支座长度无需LAE，而仅需12D。再如筏板基础中的基础梁。这种基础梁因荷载较大，所以截面通常很大，它的刚度远比承托的柱子大，基础梁是柱的支座，因此在强震时，塑性铰可能产生在柱根部而不会发生在梁内。所以，这种基础梁无需按延性要求进行构造配筋，也即可按非抗震设计，梁端部无需加密，满足强度即可，梁的纵筋的锚固和搭接都可按非抗震设计。由于基础梁的配筋多，所以放宽要求能节约很多钢筋。

后浇带不能代替伸缩缝。为了减少温度变化对结构的影响，我们要求超长建筑物布置伸缩缝，但这常与建筑的立面处理、防水等发生矛盾，因此不设或少设伸缩缝，有时用后浇带代替伸缩缝，这种做法是不妥的。后浇带的作用是减少混凝土的干缩裂缝和不均匀沉降，后浇带混凝土凝固完成后，后浇带失去其全部功能应视为不复存在了，对温度变化的影响，后浇带不再起任何作用了。如果由于特殊情况和特殊原因，伸缩缝间距过长，可加强屋面保温隔热措施，适当布置温度筋或在混凝土板内设置预应力筋，对防止温度收缩裂缝是有效的。

必须更好地运用概念设计，因为实际工程千变万化，不是几本规范或公式所能囊括的，必须由设计人因地制宜，寻求较优的解决方案。如何运用理论力学、材料力学和结构力学等基本概念去思考问题，不能拘泥于人为设置的条条框架框。