民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計思路及注意事項研究

單洪翥，馬金曄

（1.山東省建筑設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250000；2.山東建勘集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

通過整理現(xiàn)階段有關(guān)民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計思路相關(guān)的文獻可以發(fā)現(xiàn)研究這個領(lǐng)域的文獻較少，劉靜（2018）分析了民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計，提出在設(shè)計建筑空間布局設(shè)計的時候要注意空間結(jié)構(gòu)的均衡性、規(guī)則性以及整體性[1]。邵長軍（2019）則分析了工業(yè)與民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的辦法研究，分析了結(jié)構(gòu)要求、平面要求以及豎向布置[2]。此外，學者還分析了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、受力問題以及嵌固端的問題。但是從總體分析，民用建筑設(shè)計思路和民用建筑設(shè)計中關(guān)于注意事項的文獻較少。基于此，論文將著重分析民用建筑設(shè)計思路和民用建筑設(shè)計中的注意事項。

1 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

1.1 合理選擇計算模型

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個數(shù)值可借助計算模型求得，針對不同類型的建筑所需要選用的計算模型也不同，具體需要選擇的計算模型需要依據(jù)實際情況來選定。例如，若民用建筑的地理位置處于多地震地帶，如四川地區(qū)，那么最好選擇正型分解的計算模型來對民用建筑的樓板進行數(shù)值計算，如圖1 所示。運用計算構(gòu)造方法，將構(gòu)造節(jié)點連接起來，讓節(jié)點之間保持在水平狀態(tài)之下，相互制約和約束，這樣也可以讓彼此的連接更加真實可靠。

圖1 常見民用建筑構(gòu)造

1.2 整體運算

以民用建筑中常見的錯層結(jié)構(gòu)為例來分析，在錯層結(jié)構(gòu)中，抗震設(shè)計時建議不要簡單將錯開的樓層單獨歸為一個樓板，要在進行實地考察并對實際情況進行詳細的分析之后，將分析模型對所處反應(yīng)錯層對樓面的影響考慮進去再進行設(shè)計。其中，在進行錯層分析影響計算的過程中，也要嚴格按照《高層房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)章程》中有關(guān)錯層結(jié)構(gòu)相關(guān)的規(guī)定來進行分析。在實際考察過程中，還應(yīng)當將樓板剛度的消減問題考慮進去，樓板剛度對整個平面樓板所造成的影響應(yīng)當在對結(jié)構(gòu)進行整體計算的過程中，依據(jù)實際的情況來得出，通過運用合理的計算推論來建立計算模型，再將樓板的類型情況考慮其中，運用“膜”和“彈性板”的制定來設(shè)計模型的假設(shè)，通過分析樓層構(gòu)造中空間狀態(tài)的情況來進行模擬，進而確定定位，進而避免后期實際施工過程中可能會出現(xiàn)的意外情況，并準確找到結(jié)構(gòu)應(yīng)力薄弱的地方，以此來改變其后期可能出現(xiàn)突變的位置[3]。

1.3 手工校正

在進行民用建筑樓層結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要用到許多數(shù)據(jù)。首先，在四川地區(qū)需要考慮到雙向地震的作用，在后期增加正形豎直時應(yīng)當將其考慮進去得出計算結(jié)果。其次，在增加正形豎直的過程中，要結(jié)合實際的情況，保障錯層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量系數(shù)不能小于0.9。最后，還需要結(jié)合當下的實際情況來選擇合適的選曲強和高度，比如所選擇的曾經(jīng)的剛度應(yīng)當比以前的位移所承受的剪力可以避免計算帶來的失誤。因此，在使用這些數(shù)值進行計算的過程中不能只是機械地使用數(shù)據(jù)，還應(yīng)當依據(jù)實際情況來進行分析。將計算出來的數(shù)據(jù)進行人為的校正，避免所選用計算方法帶來的系統(tǒng)上的計算失誤[4]。需要注意的是在隨著時代的發(fā)展，很多人會選用人工智能軟件來進行測量計算，可是實際上，使用人工智能測算也是會出現(xiàn)問題的，所以在計算之后需要進行檢查和手工的校正。

1.4 結(jié)構(gòu)計算軟件的運用

在民用建筑當中，結(jié)構(gòu)計算屬于一項復(fù)雜的工作。在進行民用建筑中最為常見的錯層結(jié)構(gòu)計算的過程中，設(shè)計師一般會使用各類的軟件來進行計算。例如，運用SATWE 軟件來計算地震下的彈性系數(shù)問題，具體針對不同類型的民用建筑結(jié)構(gòu)，也需要采取不同的程序軟件來進行計算，比如很多建筑師會使用EPDA 程序來進行結(jié)構(gòu)數(shù)值的計算[5]。通過這些方法不僅可以有效節(jié)省能力成本，還可以提高正確率，并且通過對比不同程序下所計算出來的結(jié)果，也可以幫助更好找到不同算法彼此之間的關(guān)系。進一步了解民用建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)之后也可以幫助設(shè)計者對結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)以及所需要的參數(shù)有更深刻的認識和了解。

1.5 及時規(guī)避數(shù)值異常情況

通過對比分析，如果發(fā)現(xiàn)不符合實際的情況，則錯層之中的無樓板的豎向構(gòu)件要通過計算剛度和樓板的豎向構(gòu)件來解決和處理。如果通過對比計算出來的結(jié)果不一致，即實際計算出來的結(jié)果很有可能會與實際情況不符[6]。面對這種情況，需要后期人為的校正操作和處理，如果后期手動校正之后，結(jié)果依舊不符合的話，那么需要對計算和測量的過程進行再三的確認和調(diào)整。一直調(diào)整和確認到出現(xiàn)準確的貼近實際的數(shù)值之后才可以通過。對于數(shù)值異常的情況要及時處理，直到解決數(shù)值異常的情況或者舍棄計算結(jié)果，不可以粗略跳過，會對后續(xù)一系列步驟產(chǎn)生惡劣影響。

1.6 構(gòu)建判斷

用民用建筑設(shè)計中最常見的錯層結(jié)構(gòu)為例來進行說明。在錯層結(jié)構(gòu)中，矮墻和短柱非常常見，但在實際計算這些數(shù)值的過程中，這些構(gòu)造的識別難度很大，除此之外，因為這些構(gòu)造遇到地震時是建筑中最容易受損的部分，整體的抗震能力較差，這也對設(shè)計者在設(shè)計矮墻和短柱時提出了更高的要求，要求設(shè)計者在設(shè)計之前需要進行實地勘察，對矮墻和短柱進行科學且合理的判斷之后再進行設(shè)計。而對于民用建筑的具體構(gòu)建問題的話，則需要進行嚴格的構(gòu)建，并且在構(gòu)建之后加強措施，以此來保障其整體的安全和穩(wěn)定性。

2 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

2.1 截面尺寸的選擇

在設(shè)計民用建筑結(jié)構(gòu)的過程中，梁和柱的界面的尺寸選擇和設(shè)計是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提所在。對于框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)當要滿足相關(guān)規(guī)范的取值要求，還需要注意對于柱的線剛度和梁的線剛度兩者選取的比值應(yīng)當要大于1，這樣所選擇出來的截面尺寸不僅符合要求，還可以更好避免地震給其所帶來的影響。針對界面尺寸的設(shè)計，需要謹記規(guī)范的要求“強柱弱梁強節(jié)點”的要求。所設(shè)計出來的截面尺寸應(yīng)當符合這個要求。

2.2 框架計算簡圖不合理

在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，基礎(chǔ)埋線比較淺的時候會容易出現(xiàn)現(xiàn)澆的框架梁柱，而針對這個問題則可以通過設(shè)計簡圖的方式來確定其底層柱的長度。在無地下室的混鋼筋泥土的多層框架之中，針對獨立基礎(chǔ)埋線比較深的地方，建議最好是在0.05m 左右的地方設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，并且按照層的方式來進行輸入。以學校的宿舍樓為例來進行講解，宿舍樓暫定為需要修建三層的鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)框架，暫定為丙類的建筑，建筑的場地劃分成為Ⅱ類，且樓層的高度暫定為3.3m，而基礎(chǔ)埋深則為4.0m，基礎(chǔ)高度則為0.8m，室內(nèi)外的高度差定為0.45m。但是依據(jù)《抗震規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)范，在八度地震區(qū)域內(nèi)，該工程的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)當定義為二級。所以設(shè)計者在設(shè)計的過程中，依據(jù)三層的框架來設(shè)計結(jié)構(gòu)的話，那么首層結(jié)構(gòu)的高度則應(yīng)該選為3.35m，也就是假定框架房屋鑲嵌在0.05 米處的基礎(chǔ)拉梁的頂面斷面以及配筋按構(gòu)造來進行設(shè)計[7]。

基礎(chǔ)則按照中心受壓來進行計算。但是，這樣的計算簡圖的方式并不是很妥當。原因有如下幾點：首先，如果依據(jù)構(gòu)造來進行設(shè)計，那么拉梁無法解決柱腳彎矩平衡的問題；其次，依據(jù)《混泥土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求的相關(guān)規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)底柱的高度應(yīng)當選取基礎(chǔ)頂面乃至首層樓蓋頂面的高度。而且依據(jù)工程設(shè)計的經(jīng)驗也可以知道，此類的框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)當直接依據(jù)四成的高度來進行整體的分析和設(shè)計工作。即計算首層層高剪力的時候結(jié)果則為H1-4-0.8-0.05=3.15m。兩層的高度為3.35m，而三層和四層的高度則為3.3m[8]?？偟膩碚f，因為受到各類因素的影響，在實際框架計算的過程會出現(xiàn)簡圖不合理情況，而針對此類現(xiàn)象需要將環(huán)境因素考慮進去。在設(shè)計拉梁層的時候，還需要比較底層柱的界面控制問題，并將地基的約束作用考慮進去，然后再計算簡圖，并且將電算程序的相關(guān)信息都輸入其中，將地下室層填寫為1，并在后期進行復(fù)算，然后按照兩計算的結(jié)構(gòu)將框架結(jié)構(gòu)都包含在內(nèi)。

2.3 框架柱配筋的調(diào)整

一般來說，民用建筑結(jié)構(gòu)框架柱的配筋率都偏低，導(dǎo)致絕大多數(shù)點算出來的結(jié)構(gòu)都適應(yīng)于常見配筋，即使是按柱的構(gòu)造配筋率也以0.8%居多，但是這也只相當于定額指標的三分之一到三分之二。對于有經(jīng)驗的設(shè)計者而言，使用這種方法的不多。并且，設(shè)計民用建筑時大多要將地震因素考慮進去，尤其是對于大開間和角柱以及大進深的邊柱類的民用建筑，這類建筑屬于雙向偏心的平面框架，因為受到雙向偏心壓力的影響，電算程序會對其平面框架的配筋帶來影響，也就會讓原本的配筋率出現(xiàn)不足。而針對框架柱配筋調(diào)整的問題則可以從如下幾點入手：

首先，選擇最不利方向的框架來進行計算，也可以選擇兩個方向都進行計算之后對比各柱的配筋，并選擇其中比較大的值和采用對稱的配筋。

其次，則是要調(diào)整柱單邊的鋼筋的最小根數(shù)，比如對于柱寬小于等于450mm 的則為三根，而對于柱寬在450mm 和750mm 之間的則為4 根，在750mm 和900mm 之間的則為5 根。

然后，井框架柱的配筋系數(shù)方法1.2 到1.6 倍左右，并且腳柱則放大不小于1.4 倍，邊柱則次之，中柱放大小倍數(shù)為1.2倍。

再者，考慮到多層結(jié)構(gòu)在進行電算操作的過程中，沒有考慮到溫度應(yīng)力以及基礎(chǔ)不均勻沉降的問題，所以多層框架水平尺寸以及垂直尺寸會偏大，而為了解決這個問題，則可以適當放大框架柱的配筋，但具體要放大多少就需要依據(jù)實際的情況來判斷。

最后，則是框架柱箍筋形式的選取，最好是選擇井字形或者是菱形，這樣可以更好增強箍筋對混凝土所造成的約束力量。而對于柱箍筋的直徑則建議增加2mm。

2.4 框架梁、柱截面尺寸的調(diào)整以及斜截面配筋調(diào)整問題

框架梁、柱截面尺寸的調(diào)整要求具體為如下：

2.4.1 梁、柱截面尺寸的調(diào)整

設(shè)計人員應(yīng)當依據(jù)相關(guān)書籍和規(guī)范的要求來選擇梁和柱截面尺寸范圍的選值，并結(jié)合自身的經(jīng)驗來確定相應(yīng)構(gòu)件的大小，如圖2 所示。在確定構(gòu)件大小的過程中需要盡可能將線剛度和梁線剛度的值考慮進去，考慮到了地震作用所帶來的影響，這兩者的數(shù)值要大于1。

圖2 梁、柱截面尺寸的調(diào)整

2.4.2 梁端斜截面的配筋調(diào)整

在民用建筑的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力設(shè)計應(yīng)當考慮地震對框架架梁所帶來的影響。一般情況下，為了保障民用建筑結(jié)構(gòu)的安全性，民用建筑結(jié)構(gòu)所設(shè)計框架的梁端的斜截面所能承受的承載力應(yīng)當要高于其正截面所能承受的承載力，這也是人們俗語里經(jīng)常提到的“強剪弱彎”[8]。在實際設(shè)計和調(diào)整梁端斜截面配筋的過程中，可以嘗試通過如下四個途徑來入手：（1）適當縮小梁端的負彎矩鋼筋；（2）將梁跨中手拉鋼筋系數(shù)適當放大，放大系數(shù)比建議在1.1 到1.3；（3）增加梁端箍筋的直徑，增加長度大約在2mm 左右；（4）針對跨度大于6m 的民用建筑的結(jié)構(gòu)建議設(shè)置鋼筋。

2.4.3 在電算中準確且合理運用彎矩的調(diào)幅

在相關(guān)規(guī)范的要求之內(nèi)，只有豎向力作用之下的梁端的彎矩是可以調(diào)整的，而水平力作用之下的梁端彎矩則是不允許直接調(diào)幅的。所以在計算的過程中，需要先將豎向荷載作用下的梁端的彎矩進行調(diào)幅，然后再將水平方向的荷載所產(chǎn)生的梁端彎矩進行疊加操作處理。并且在這種情況下，可以采取的方法為調(diào)解梁端固定的彎矩之后再進行力矩的分配；還有一種方法是將有力矩分配法所計算得到的梁端的負彎矩直接乘以調(diào)幅的系數(shù)來進行計算[9]。

2.5 其他注意事項

考慮到實際建筑的需要，結(jié)構(gòu)框架需要進行梁外挑的設(shè)計，而且梁下還需要設(shè)置鋼筋混凝土柱。針對柱的內(nèi)力以及配筋的計算，設(shè)計人員需要綜合考慮各類因素的影響，而對于受力的概念混淆，導(dǎo)致后續(xù)配筋的計算不到位，進而可能會導(dǎo)致水平荷載作用下承載力的不足，從而對民用建筑帶來安全隱患。所以在實際結(jié)構(gòu)整體計算過程中，設(shè)計人員的選擇也是很重要的因素之一[10]。

3 結(jié)論

隨著我國建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，鋼筋混凝土的使用變得越來越普遍，而且由這類材料所建筑的民用建筑結(jié)構(gòu)整體的傳力明確、整體性強、結(jié)構(gòu)靈活且抗震能力強，在民用建筑結(jié)構(gòu)中非常常見，被廣泛應(yīng)用。這類的建筑結(jié)構(gòu)在形式上看上去比較簡單，實際上，如果在設(shè)計的過程中考慮不周，會對建筑工程的建設(shè)造成不良影響。在進行民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要注意截面尺寸的選擇、框架計算簡圖不合理、框架柱配筋的調(diào)整和框架梁、柱截面尺寸的調(diào)整以及斜截面配筋調(diào)整問題。