【土木吧原创】设计中的几件事（由网友评论引起的联想）

因为工作甚忙，时间仓促，加之对规范的敬畏，说话有所顾忌，《困惑》一文意思模糊，让人费解。因此想再次更加明确地说说自己对一些问题的看法，希望同行们批评指正，希望本文作为引玉之砖引起同行们的更多讨论。




1、《抗规》第6章内容编排有值得推敲之处




梁与墙平面外相交的情况，不仅可能存在于框剪结构中，也可能存在于剪力墙结构中，这是不言自明的。但《抗规》仅在6.5节（ 框架-抗震墙结构的基本抗震构造措施）对此作出规定(《抗规》6.5.3条：楼面梁与抗震墙平面外连接时，不宜支承在洞口连梁上；沿梁轴线方向宜设置与梁连接的抗震墙，梁的纵筋应锚固在墙内；也可在支承梁的位置设置扶壁柱或暗柱，并应按计算确定其截面尺寸和配筋。)，在6.4节（抗震墙结构的基本抗震构造措施）未提及此事。这显然是不严密的。如果将《抗规》6.5.3条移到6.4节，与6.5节的6.5.4条（框架-抗震墙结构的其他抗震构造措施，应符合本规范第6.3节、6.4节的有关要求。）相配合就比较严密了。




相比之下，《高砼规》类似内容编排的更合理。《高砼规》将相关规定放在第7章(剪力墙结构设计)，即7.1.6条。在第8章（框架-剪力墙结构设计）的开头（8.1.1条）就明确规定：“框架-剪力墙结构、板柱-剪力墙结构的结构布置、计算分析、截面设计及构造要求除应符合本章的规定外，尚应分别符合本规程第3、5、6和7章的有关规定。”因此，《高砼规》第7章第7.1.6条对于剪力墙与梁平面外相交的规定，同样适用于框架-剪力墙等结构，这样就没有不严密的毛病了。




2、对剪力墙端部承受集中荷载，未针对不同情况作出明确规定，存在安全隐患        




《抗规》表6.4.5-2注3和表6.4.5-3注1对作为剪力墙构造边缘构件和约束边缘构件的端柱承受集中荷载的情况作出构造规定。




《高砼规》7.2.16条仅对作为剪力墙构造边缘构件的端柱承受集中荷载的情况作出构造规定。




看了抗规6.4.5条对于剪力墙边缘构件的各项规定，人们不禁要问：为什么仅仅对端柱承受集中荷载作出规定？剪力墙端部为暗柱而又承受集中荷载时怎么办？






如果上述规范条文所述剪力墙端部承受集中荷载可以理解为楼面梁的支座反力，可以分为两种情况，其一是楼面梁与剪力墙在同一平面，二者中心线在同一直线上，这是工程中最常见的情况，此时大部分设计院在剪力墙端部仅设暗柱，不设端柱，但其受力状态远不如端柱，如果考虑剪力墙由于平面内弯矩作用引起暗柱受压，与楼面梁的支座反力共同作用，其平面外的稳定性和强度等问题应该引起注意。




比上述问题更加严重的是另外一种情况，即楼面梁在剪力墙端部与墙平面外相交，边缘构件不仅承受集中竖向力，而且要承受平面外方向的弯矩。




笔者在审图过程中，曾经遇到某工程有多跨连续梁（跨度5~7米）在剪力墙端部与墙平面外相交，梁的中间支座压在剪力墙端部的暗柱上。要求设计单位修改设计，但找不到很明确的依据，引起争议。




实际上这是一种非常危险的情况。笔者在《困惑》一文中已经说到：“

端柱、暗柱


承受集中荷载时不可避免的要产生弯矩（理想的轴心受压基本不存在）

”，这种弯矩当然不是指剪力墙平面内的弯矩而是与之相交的梁对墙产生的面外弯矩，其对墙的影响不可忽视，应特别加以注意。









3、“墙尽量不要设端柱“？






有网友对《困惑》一文评论说：”从整体上看，暗柱或者端柱都是实体墙的一部分罢了，如果设计端柱，目前程序柱刚度与墙刚度都是分别计算，刚度重复计算，经过一系列的内力分配和调整，造成不存在的内力分配到墙中（面外和面内）。这个时候再去分析怎么精确计算墙中柱的受力，已经没有意义了！？所以说设暗柱更能较好的符合基本受力条件，墙中尽量不要设端柱。关于这点可以参考“周献祥”的“结构设计笔记”。“




上述网友评论涉及到结构设计中最重要、最基本的问题-构造与计算哪个更重要？






显然，结构设计决不能仅仅依靠计算，目前砼结构的设计理论，只是大致成型的体系，仍未脱离半概率、半经验的模式。建立在基本理论、基本概念和大量经验、实验基础上的构造设计，是结构设计更重要的组成部分。尤其对于抗震结构，地震作用和抗力计算以外的抗震措施（包括抗震构造措施）更加重要，绝对不可忽视。抗震设防的基本目标是“小震不坏、中震可修、大震不倒”，规范规定的地震作用仅仅是小震作用，地震作用和抗力计算只能在一定程度上解决“小震不坏”的问题。




对于“中震可修”和“大震不倒”的问题则主要通过概念设计和构造措施来解决。诚然，目前有的软件对于有端柱的剪力墙，采用柱加墙的计算模型，其中柱采用杆单元，墙采用壳单元。由于二者是形态完全不同的单元，在变形协调的过程中存在问题，造成计算结果怪异（YJK软件在有关文献中说他们对此有所改进，见陈岱林、高航等著《结构软件技术条件及常见问题详解》）。但是能否因为目前软件存在的问题就说“设暗柱更能较好的符合基本受力条件，墙中尽量不要设端柱。”呢？这是本末倒置的说法。目前软件中难以正确模拟带端柱剪力墙的受力状态，不能说明这种结构不合理，更不能因此不设端柱。




从结构受力角度看，剪力墙端部设端柱好，还是不设端柱好？其结论应该是不言自明的。《抗规》对此作了十分正确的规定：“抗震墙的两端......宜设置端柱”（《抗规》6.1.9-1条）。但是此条文尚嫌不够严密具体，没有针对不同情况作出不同的规定。对于剪力墙端部承受较大压力和平面外弯矩的情况，似应明确规定应设端柱，即将《抗规》6.1.9-1条的“宜”改为“应”。




4、端柱是墙不是柱？




朱炳寅编著的《建筑抗震设计规范应用与分析》，在提到“端柱与抗震墙的计算模型问题”时说: “首选应该明确: 端柱是抗震墙的一部分，只不过形状像柱，但不是柱，是墙。”还说: “有端柱的抗震墙，其竖向荷载往往主要作用在端柱上。依据圣维南原理，在竖向荷载作用点以下足够远处......端柱与墙共同承担竖向荷载以及竖向荷载引起的弯矩，在这里墙体始终是承担竖向荷载的主体。”




这里对于墙及端柱的受力分析，似应是指剪力墙平面内的受力状态，如果不考虑剪力墙平面外的弯矩及稳定性，这样分析是没有问题的。《抗规》表6.4.5-2注3、表6.4.5-3注1及《高砼规》7.1.6条规定似均基于剪力墙的平面内受力。




但是，对于剪力墙端部的平面外稳定性，特别是与墙垂直相交的梁支座，压在剪力墙端部并可能产生较大的面外弯矩时，上述分析、规定是否适用？圣维南原理是否适用？这是非常重要的、应该认真探讨的问题。显然墙的面外刚度很差，在上述情况下在构造上应该是设墙端柱，墙对于端柱的平面外弯矩及稳定帮忙的程度非常有限，此时，端柱受力状态像框架柱，过分强调端柱是墙不是柱可能存在安全隐患。




应该特别注意的是，目前的软件在结构整体分析中，大概只是将剪力墙按竖向悬臂构件，进行平面内的受剪、偏压（拉）及平面外轴心受压验算(参见《高砼规》7.1.9条），而对于上述墙边缘处受平面外压弯的情况，需要由设计者补充计算。




5.关于剪力墙的厚度和平面外稳定




剪力墙是截面长度远大于厚度的片状结构，平面外刚度较小，其稳定问题比较突出。




《抗规》6.4.1条对剪力墙的厚度作构造上的规定，其中主要的决定参数是层高或无支长度，但剪力墙的厚度应满足稳定性要求，墙的稳定性不仅与层高或无支长度有关，还与其所受的荷载有关。




《高砼规》7.2.1条规定更具体、更合理，说明剪力墙的厚度首先应满足稳定性要求，而其稳定性与墙的平面形状、尺寸、层高及荷载等诸多因素相关。




但是，《高砼规》附录D中所述剪力墙所受荷载为均布荷载，而实际上剪力墙在竖向荷载和水平方向的风和地震作用下，往往在剪力墙平面内呈偏心受压状态，截面受力并不均匀，其边缘部位往往受较大压力，与《高砼规》附录D所述不太一致，且偏于不安全，加之剪力墙端部往往是楼面梁的支座，由于建筑专业要求不能设端柱，只能设暗柱。在此种情况下，剪力墙的稳定性应该如何计算？软件如何实现？这是应该认真探讨的问题。在工程设计中，应充分考虑上述不利因素。




6.砼梁端部可以由刚接改为铰接？




《全国民用建筑工程设计技术措施》（结构体系）第2.5.9-2条：“承受剪力墙平面外楼面主梁施加的竖向集中荷载的剪力墙和窗间墙，楼面主梁支座宜设计为铰接......”




《高砼规》7.1.6条的条文说明：“对截面较小的楼面梁，也可通过支座弯矩调幅或变截面梁实现梁端铰接或半刚接设计，以减小墙肢平面外弯矩。”






上述条文仅仅提出处理方案，没有说明铰接处理时应采取的必要的构造措施，有些设计者误以为与其它构件整体连接的梁端，可以随便改为简支端，笔者在审图工作中经常见到一些设计单位，将与墙或其它主梁整体连接的梁端部在电算中按简支输入，电算结果支座负弯矩钢筋面积为零，图纸中该支座处仅配2D12的钢筋，且按架立筋标注，这样做是很有问题的。




《砼规》9.2.6条规定：“当梁端按简支计算，但实际受到部分约束时，应在支座区上部设置纵向构造钢筋，其截面面积不应小于梁跨中下部纵向受力钢筋计算所需截面面积的1/4，且不应少于两根。”显然，此条所述“构造钢筋”，绝不是架立钢筋，应特别注意其伸入支座的长度应满足受拉钢筋的锚固要求。




实际上这是一个比较麻烦的问题，应该认真探讨。朱炳寅编著的《建筑抗震设计规范应用与分析》一书用较大篇幅对此进行了讨论，提出对梁与墙刚接节点进行铰接处理的两种方案（见该书331页图6.5.3-2）。







该书还对 《砼规》9.2.6条提出不同看法：“当梁跨度较大时，统一按梁跨中计算钢筋的1/4确定为铰接支座梁端构造负钢筋的做法也很值得商榷。编者认为，以控制不小于最小配筋率的配筋较为合理。实际工程中可结合支座对梁的实际约束情况，对梁及其支座构件进行包络设计（按梁端简支和梁端刚接分别计算）合理配筋，并采取措施确保梁端强剪弱弯及较好的转动能力。”




笔者认为，上述说法还需进一步斟酌。因为此处“强剪弱弯”和“较好的转动能力”难以同时满足。如该书图6.5.3-2（a）所示，将梁端截面减少近一半进行“铰接处理”，能保证“强剪”吗？况且该书图6.5.3-2所示的两种“铰接处理”方法，也不是完全的铰接，仍然能承受一定的弯矩，加之还有楼板的作用，仍然要向墙传递部分弯矩。当梁的跨度和截面高度较大，墙的线刚度较小时，这部分弯矩对墙的影响仍是不可忽视的。




与其他构件整体连接的刚接梁端与简支梁端的受力状态大不一样: 简支梁端的剪力很大，弯矩为零；刚接梁端的剪力、弯矩都很大。二者的主拉应力迹线、破坏形态均完全不同。如果如上述书中所说梁端构造负筋“以控制不小于最小配筋率”配筋，即是相当于此处梁端截面对于负弯矩的抵抗能力与素混凝土截面相接近(因为梁的最小配筋率就是以其抗弯能力不小于素混凝土截面梁的抗弯能力决定的)。但实际上当梁端受到较大的约束时，按最小配筋率配筋的梁端在负弯矩作用下可能类似于少筋梁而出现较大开裂，截面受到较大削弱，可能因抗剪能力不足而破坏，更达不到强剪弱弯的要求。




建议: 对于与其他构件整体连接的梁端，一律按刚接计算配筋，但可考虑稍大些的弯矩调幅系数，其值可根据该处裂缝宽度计算结果酌情处理。同时对与该梁端相连的其它构件（例如墙）应进行强度和稳定性验算。此部分计算可能不能包含在结构整体分析的电算中，应由设计者进行补充验算。这是不难做到的，可以手算，也可以建立简单的计算模型，用pk软件电算。例如可以仅考虑竖向荷载作用，假定墙、梁均作为杆单元，适当假定墙的有效宽度，将其模拟成柱，其计算长度仅考虑所在楼层上、下反弯点间的区段，与梁一起构成小框架，对其进行电算。计算结果墙的强度和稳定性可能都不成问题。为满足梁钢筋在墙内的锚固要求，可采用细而密的钢筋，亦可适当考虑相关楼板钢筋的作用。如果经计算发现墙的强度和稳定性难以满足规范要求，只能采取其他加强措施，例如设端柱或扶壁柱。




7. 抗震设计不是结构专业一家的事




前面所述梁与墙平面外相交的布置，给结构设计带来不小的麻烦，在建筑设计中应尽量避免，由此联想到房屋设计工作的一个常识，即建筑专业应与结构专业互相协调配合的问题。建筑专业在设计中应尽量给结构专业创造方便条件，结构专业应该主动与建筑专业沟通，参与建筑方案初步设计，而不是被动的服从于建筑专业。




建筑师应当具备一定的结构专业知识，应该具备建筑抗震的基本概念，《抗规》第3.4节关于建筑形体规则性的一系列规定，第7章关于砌体房屋的规定，第13章关于非结构构件的规定等等，都与建筑专业密切相关，都是建筑师应熟知的。


应该抵制追奇索怪的畸形审美观，力求简洁、规则、匀称，尽量避免里出外进、头重脚轻、上刚下柔等奇奇怪怪的建筑形体，尽量避免错层，注意楼梯间的布置符合抗规要求，尽量少做仅仅为了造型而不利于抗震的花哨装饰物，例如屋顶尖塔、装饰柱、较高的女儿墙等。




安全、适用、经济，在可能的情况下照顾美观，这样的设计原则不应当过时。