对一些结构设计和构造的不同看法

【摘要】对一些结构设计中经常碰到的问题和构造措施提出不同的看法。
　　【关键词】基础底板；基础梁；地下室外墙；室外地面活荷载；框架梁；框架柱；楼板预留洞；分隔墙
　　
　　在结构设计实践中，经常碰到一些设计问题的处理在现行规范和标准中找不到明确的依据或规定。设计者参考的通用标准图集为设计提供了方便，但它们是依据规范、标准、编制单位和编制人的经验编制而成的，有不少结合了编者的个人经验。因此，一些结构构造在不同的规范、标准和图集中做法也不尽相同。针对上述情况，笔者对以下几个问题进行了浅显的分析，提出一些个人看法，供同行参考和讨论。
　　1 基础底板和基础梁
　　1.1 《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）第8.4.9条规定：“当筏板的厚度大于2000mm时，宜在板厚中间部位设置直径不小于12mm、间距不大于300mm的双向钢筋网。”笔者认为，此条规定是针对以前筏板较厚时混凝土的分层浇注，为了避免在混凝土硬化的过程中出现层面收缩裂缝。而现在随着施工工艺的发展，全国很多地方厚板的混凝土施工已经采用了新方法：分层、放坡、连续浇注、一次到顶，有效地控制混凝土的水化热和收缩裂缝，因此厚板中部已没有设置钢筋网片的必要性，这样既节省了钢筋又加快了施工进度。
　　1.2 一般基础梁的截面都设计得较大，其刚度远远大于其上部所支撑的框架柱，因此在地震时，塑性铰往往都发生在框架柱根部，基础梁不会产生铰。所以，基础梁的配筋构造按照非抗震的做法就可以了。例如：梁端箍筋间距不必加密，只需满足强度要求；箍筋的弯钩做成900就可以了，而不必做成1350；梁的纵筋搭接及锚固长度，都可以按照非抗震的要求取值。
　　1.3 《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）第10.2.16条规定：“当梁的腹板高度hw≧450mm时，在梁的两个侧面应沿高度配置纵向构造钢筋，每侧纵向构造钢筋的截面面积不应小于腹板截面面积bhw的0.1%。”笔者认为，此规定对于截面面积很大的基础梁来说是值得商榷的。通常由于基础梁截面较大，按照规范计算所需纵向构造钢筋面积也较大，如梁的两侧配置大直径钢筋对于减少收缩效果较差。而且地基梁一般埋在土壤内部，受外界温度变化的影响很小。因此，地基梁两侧纵向构造钢筋的直径可取12~16mm，间距可取200~300左右，并沿梁腹板高度范围内均匀布置。
　　2 地下室外墙
　　2.1 地下室外墙，如高层主楼、多层裙房或纯地下车库，在土和水侧压力的作用下既要计算弯曲承载力也应验算墙体裂缝宽度，一般这些外墙配筋都是由裂缝验算控制的。目前在实际工程设计中，裂缝宽度验算都是按弯曲构件考虑的，设计者往往采用一些小软件或工具箱计算。由于没有考虑到墙体存在轴力对裂缝宽度的有利作用，因此为了控制裂缝的宽度而需要增加不少钢筋。高层主楼或多层裙房底层框架柱轴力传至地下室时，由于框架柱与外墙结合在一起，底层柱的轴力沿墙扩散且数值较大，完全有可能不需要为了控制裂缝而增加配筋。为了使地下室外墙受力更符合实际且节省钢筋，裂缝宽度验算应该按偏心受压构件考虑进行局部补充计算。
　　2.2 笔者在设计高层框架-剪力墙结构时，常常碰到下部几层尤其是地下室层，柱墙混凝土强度等级往往要用到C40~C50，而基础底板和地下室外墙出于对裂缝的控制混凝土强度等级一般只采用C35或C30。如果与外墙结合在一起的框架柱仍采用高标号的混凝土，则地下室外墙与框架柱的交接处的构造处理会给施工带来很大困难，且容易形成隐患。由于框架柱在地下室已与外墙形成T形柱，柱轴力沿墙扩散，柱的轴压比往往很小，远小于规范要求的限值。所以笔者在设计与外墙相结合的框架柱时，两者混凝土强度等级取为相同，如C35或C30。
　　2.3 地下室外墙一般都按防水设计考虑，设计者对外墙外侧钢筋的混凝土保护层厚度的取值依据有些无所适从。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）表3.4.1和表9.2.1，二a、二b类钢筋的混凝土保护层最小厚度为20~25；而根据《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）第4.1.7-3条规定，钢筋保护层厚度应根据结构的耐久性和工程环境选用，迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm；又根据《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）表4.11.5，外墙外侧直接防水钢筋保护层厚度为40mm，设防水层时钢筋保护层厚度为30mm。不同规范给出的外墙外侧钢筋的保护层厚度不一样，让设计者产生了疑问。笔者认为，对于一般的民用建筑工程（结构及构件有疲劳问题或混凝土环境类别为三、四、五类时除外），建议按混凝土结构设计规范执行，不用考虑地下工程防水技术规范；如果地下室有人防要求，则执行人防设计规范。此外，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第9.2.4条规定，当梁、柱中纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度大于40mm时，应对保护层采取有效的防裂构造措施。从该规定可以看出，采取防裂构造措施的要求仅是针对梁和柱，对地下室外墙和基础底板则无此要求。防裂构造措施一般采取在保护层中设置Φ4@150的双层钢筋网片，但工程界对此持保留意见，原因是对保护层中钢筋网片自身锈蚀的担心，当钢筋网片锈蚀时，不仅起不到对混凝土保护层的保护作用，反而会加速混凝土保护层的剥落从而影响主体结构的安全。因此，工程设计中除基础底面外，应尽量避免混凝土保护层的厚度超过40mm。
　　3 室外地面活荷载取值
　　3.1 一些设计者在计算地下室外墙时，一般民用建筑的室外地面活荷载往往取为20kN/m2，想必是他们依据《建筑结构荷载规范》（2006年版）（GB50009-2001）表4.1.1第8项第（2）条。其实这是一种误解，当消防车停在建筑物外时，与建筑物必须有一定的距离，否则救火云梯无法上升至建筑物上部。另外，一辆消防车占地面积至少为100 m2，荷载折合下来，按5kN/m2是能够满足安全的。
　　3.2 在设计上有覆土的地下室顶板时，通常要考虑其上部行驶消防车的情况。而由于《建筑结构荷载规范》（2006年版）（GB50009-2001）表4.1.1中第8项的消防车荷载，是指消防车直接行驶于楼板上，按其轮压折合成等效均布荷载的取值。因此不应直接采用35kN/m2或20kN/m2，而应该将消防车轮压按照覆土厚度扩散后折合成等效均布荷载。
　　4 框架梁、柱
　　4.1 《混凝土结构设计规范》（GB50010 -2002）第10.2.13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（箍筋、吊筋）承担，附加横向钢筋宜采用箍筋（箍筋布置见混凝土规范原图10.2.13）。笔者认为，此规定有些主观，与实际受力情况不符。在现浇混凝土结构中，次梁与主梁现浇在一起，次梁传给主梁的集中力从其交接面就开始扩散开，不存在从次梁底部开始扩散。而且由于次梁与主梁现浇在一起，主梁梁身内部根本就不存在所谓的次梁底部。另外按此规定理解，当主、次梁等高时次梁梁底与主梁梁底在一个平面上，主梁恐怕早就被次梁冲切破坏了。因此，笔者认为，主、次梁搁置处，次梁传给主梁的集中力由交接面就开始扩散开，其受力更符合斜截面抗剪特性，即只要主梁斜截面抗剪满足要求，则主梁受力就没有问题。另据笔者了解，国外的一些规范也没有此项规定，即主、次梁搁置处不存在所谓的附加箍筋和吊筋。
　　4.2 一些设计者在对框架梁进行配筋时，往往在模型计算结果的基础上还进行一些放大，尤其是有些结构已经是按抗震等级为一级或二级设计，笔者认为不妥。一般配筋按照计算结果配置就可以了，实际上考虑到楼板T形翼缘和框架柱宽度对框架梁的有利影响，实际配筋应该比计算值更小。因此，笔者认为只需根据计算结果配筋即可，当然某些需要加强配筋的部位另当别论。
　　4.3 一些设计者在进行结构设计时，往往将框架柱截面设计得过于小，虽然从计算结果看各个指标都能满足要求，更让建筑设计师和业主满意。但如果从“强柱弱梁”的角度来看，就显得有些不合理。如有些建筑柱距8m、层高4.5m，框架柱截面为500x500，而四周框架梁高都做到650甚至700，梁的线刚度大于柱的线刚度好几倍。再加上梁柱节点处梁端配筋往往较大，造成柱的实际承载能力远小于梁，从而变成了“强梁弱柱”，与抗震目标背道而驰，这一点在现有的震害中已有不少此类情况发生。因此，笔者认为框架柱截面设计在兼顾建筑使用和各个计算指标的同时，要考虑到避免“强梁弱柱”的出现。如框架柱截面由500x500增大至600x600，对建筑使用空间影响很小，而柱的线刚度却比原来增大了约一倍。
　　5 楼板
　　5.1 《2003全国民用建筑工程设计技术措施—结构》第5.3.18-2条现浇楼板开洞的构造要求规定，当预留孔洞直径D或宽度b大于300mm，但小于1000mm，且孔洞周边无集中荷载时，应在孔洞边每侧配置附加钢筋，其每侧钢筋面积应不小于孔洞宽度内被切断的受力钢筋总面积的一半。笔者认为，此规定有些主观，与实际受力情况不符。通常楼板都有足够的刚度，当某跨板局部开洞以后，楼板的受力则由非开洞区域的板底钢筋和板面支座钢筋共同承担，只有将该跨板内非开洞区域的楼板钢筋都加强，这样才更安全、可靠。这一点我们从楼梯设计中可以看出，楼梯一般都是按两对边自由、两对边简支（或弹性支座）计算，配筋是整体考虑而不是只在自由边加强配筋。
　　5.2 《2003全国民用建筑工程设计技术措施—结构》第5.3.18-3条现浇楼板开洞的构造要求规定，当预留孔洞直径D或宽度b大于1000mm时，应在孔洞边加设边梁。这一条对有些建筑执行起来过于严格，笔者曾经设计过一些混凝土结构的工业厂房和医院，这类建筑通常各层楼面都有很多的预留孔洞，不少单边或两边洞边尺寸都大于1000mm，如按此规定则洞边四周都设有梁，这样对于设计和施工来说都很烦杂，而且不经济。一般这类建筑楼板板厚及配筋都已加强，应允许孔洞的某一单边或对边为自由边，洞边被削弱的部分由该跨板非开洞区域楼板钢筋共同承担。
　　5.3 在设计一些公建类建筑，如办公楼、医院时，通常建筑楼板上布置有大量的分隔墙，这些分隔墙很杂乱而且大多不固定。有不少设计者在施工图中要求在分隔墙下加设附加钢筋，笔者认为这样可行性不大，而且也是没有必要的。因为在模型计算时这类分隔墙已按《建筑结构荷载规范》（2006年板）（GB50009-2001）表4.1.1注5执行，即按楼面等效均布荷载处理。此外，建筑在后期使用时有不少分隔墙会变动位置，在施工时钢筋放样也可能存在偏差，附加钢筋不一定刚好放置于分隔墙下。