浅谈建筑结构设计中的常见问题及对策

　　摘要：本文分析了建筑结构设计中常见的问题，同时对这些问题的原因和改正措施提出了自己的看法。
　　关键词：建筑结构；改正措施；地基基础
　　
　　1地基基础设计中常见的问题
　　1.1高层建筑基础有效埋置深度不足
　　有些工程主楼为高层，裙房为多层，其间用沉降缝断开，使主楼地下室在沉降缝一侧无可靠的侧限。高层规范规定、基础有效埋深应从具有可靠侧限的地面算起，而在工程设计中，设计人员往往容易忽略“可靠的侧限”这一重要因素。
　　如某高层建筑，主楼高度约160m，采用桩基，下部设二层地下室，基底深12m。裙楼下部设一层地下室，基底深5m,主楼与裙楼间用沉降缝分开,虽然从室外地面算起的主楼基础埋深能满足要求，但从裙房地下室底板算起的主楼基础有效埋深则是远远不足的。
　　1.2桩基选型不合理或对桩基施工的可行性、成桩质量的可靠性及桩基施工对周围环境的影响等方面考虑不够充分
　　某小学教学搂为3～4层框架结构，柱间距5.0m×6.0～8.0m，设计采用φ1000大直径钻孔灌注桩，有效桩长约40m，显然是杀鸡甩牛刀，不符舍经济合理的设计原则。
　　又如某高层建筑设计采用大直径钻孔灌注桩，桩尖需穿越6～8m的卵石层进入中风化岩1倍桩径。按照现有的施工条件，桩尖穿越较厚的卵石层十分困难，成孔质量也较难保证，根据附近相似地质条件的工程经验，以卵石层为持力层（无软弱下卧层），并在桩端进入卵石层一定深度后进行桩底注浆，同样能达到提高单桩承载力、减小桩基沉降的目的。
　　1.3单桩承载力取值出现偏差或缺乏计算依据
　　（1）因成桩工艺不同，地基土对不同桩型的支承能力是不同的，即按规范经验公式计算单桩竖向承载力时，对于不同的桩型，各土层的极限侧阻力和极限端阻力是不同的。有的工程地质勘察报告仅提供了计算打入式预制桩的单桩承载力设计参数，而设计采用钻孔灌注桩，并直接引用地质报告中的设计参数，使计算的单桩承载力出现偏差。
　　（2）某些工程场地原为河道或地势较低，上部土层为松散的新近填土，桩基设计时直接按经验公式计算单桩承载力或直接采用试桩提供的承载力数值，没有考虑上部未固结（或欠固结）土层在固结沉降过程中可能引起的桩侧负摩阻力的影响。
　　（3）验算桩身承载力时，没有考虑施工工艺系数ψc。或桩身压曲的影响；对抗拔桩，仅计算桩身承载力，没有进行桩身抗裂验算。
　　（4）有地下室时，在按静载试验确定单桩承载力时，没有扣除地下室深度范围内的桩侧摩阻力,由于基坑开挖后暴露时间不宜过长，试桩一般都在基坑开挖前进行，基坑开挖后，地下室深度范围内的桩侧摩阻力己不再存在。
　　（5）桩端以下存在软弱下卧层时，常忽略软弱下卧层承载力和桩基沉降验算；也有的工程桩端以下硬持力层的厚度过薄,小于《建筑桩基技术规范(JGJ94-94)规定的不宜小于4d（d为桩径）的要求,且持力层以下存在很厚的软弱下卧层,而在单桩承载力取值时又没有充分考虑这一因素，使房屋的安全和使用存在隐患。
　　1.4桩间距过小
　　桩间距过小，不满足规范对桩的最小中心距的规定。特别是试桩、锚桩之间的间距，往往被设计人员忽视，直接影响试桩结果的正确性。
　　1.5桩身钢筋笼长度不足
　　对挤土灌注桩，桩身钢筋笼长度没有穿越软弱土层的层底深度，不满足桩基规范（(JGJ94-94)第4.1.1.2条“对于沉管灌注桩，配筋长度不应小于软弱土层层底深度”的规定，这也是工程设计中常见的问题。
　　1.6承重砖基础采用多孔砖砌筑
　　根据多孔砖墙体结构构造，地面以下或室内防潮层以下的基础不得采用多孔砖砌筑。
　　2钢筋混凝土结构体系选型、布置及构造方面存在的常见问题
　　2.1房屋高度、高宽比超过现行规范、规程的限值
　　现行的规范、规程给出了房屋的最大适用高度和高宽比限值。审查中发现某些高层建筑房屋高度超过最大适用高度或高宽比超出规定限值，个别高层建筑房屋高度和高宽比均超出规定限值，且既无可靠的设计依据。在抗震设防区也没有采取有效的抗震加强措施，给结构抗震带来一定的隐患。根据建设部第59号令，对于房屋高度、高宽比和体型复杂程度超过现行规范、规程的高层建筑，应按超限高层建筑进行设计，并按有关规定进行抗震设计专项审查。
　　另外还有一点常被设计人员所忽视的是，房屋适用高度除与结构体系类型及抗震设防烈度有关外，尚与场地类别和结构是否规则等因素有关，当位于Ⅳ类场地或结构平面与竖向布置不规则时，其最大适用高度应适当降低（一般降低20%）。如某高层建筑32层，高115.8m，部分框支剪力墙结构(底部2层为框支)，6度设防，Ⅳ类场地，根据规范其适用高度为120m，但由于建于Ⅳ类场地，其最大适用高度应适当降低(若按降低20%考虑，应为96m)，故该高层建筑需按超限高层建筑考虑。
　　2.2结构布置不合理，体型不规则
　　结构的合理布置（使结构尽可能“规则”)，是抗震概念设计中的十分重要的环节，这里的“规则”包含了对建筑的平立面外形尺寸，抗侧力构件布置、质量分布，直至承载力分布等诸多因素的综合要求。由于引起结构不规则的因素太多，特别是对于复杂的建筑体型，很难一一用若干简化的定量指标来划分不规则程度并规定限制范围。
　　由于缺乏规范依据及相应的设计规定，加之对结构抗震概念设计缺乏应有的了解，有些设计人员往往对结构规则性难以把握，有时甚至听从业主和建筑师的要求，在实际工程中出现了不少规则性很差、对结构抗震十分不利的高层建筑。这里仅举几个例子：
　　（1）平面凹凸不规则。这是最常见的一种情况。
　　（2）平面扭转不规则问题。如框架-剪力墙结构中，纵横剪力墙布置过分集中或仅布置在房屋的一端，使结构刚度中心严重偏离质量中心。有时甚至是结构整体计算的第一振型为扭转振型。
　　（3）高位转换问题。如某高层建筑采用框支抗震墙结构，高度约160m，Ⅳ类场地，6度设防，不仅房屋高度大大超过其最大适用高度，且在第6～7层处设置了厚板转换层，框支层数达到6层。框支抗震墙属抗震不利的结构体系，新修编的抗震规范，对此类结构的抗震措施仅限于框支层不超过两层。
　　（4）楼层错层问题。高层建筑中带有较大范围的错层，使楼层的楼板不连续，对结构抗震十分不利。
　　（5）高层建筑带有明显薄弱层，又没有采取有效的抗震加强措施。
　　（6）高层建筑结构中，同时采用两种以上的复杂结构。诸如带转换层结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构等，均属于复杂结构形式，根据抗震对高层建筑规则性的要求，高层结构不宜同时采用两种以上的复杂结构。
　　（7）同一结构单元中采用两种不同的结构体系。如某多层框架结构，电梯井及两端山墙部位局部采用砖墙承重。
　　（8）高层建筑楼板（特别是首层和转换层楼板）开洞过多过大，有的楼板开洞率甚至超过了30%。
　　在工程设计中应尽量避免采用不规则的结构，不应采用严重不规则的结构。在设计不规则结构时，应采用符合结构实际受力状态的力学模型进行计算分析，并采取有效的抗震加强措施。新修编的建筑抗震设计规范，参考了美国UBC和欧洲规范8的做法，对规则与不规则作了一些定量的划分，并规定了相应的设计计算要求。如将楼层最大弹性水平位移与该楼层两端弹性水平位移平均值的比值大于1.2时定义为平面扭转不规则结构，并规定上述比值不宜大于1.5；对超过梁高的错层，规定应按楼板开洞对待，错层面积较大时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型；对竖向不规则结构，规定薄弱地震剪力及某些水平转换构件的地震内力应乘以不同的增大系数，等等。
　　2.3板-柱结构设计中存在的问题
　　板-柱结构的节点连接非常薄弱，不利于抗震，1988年的墨西哥地震充分说明了这一点。过去由于抗震规范和高规均没有对板-柱结构作出相应的设计规定，使设计人员在板-柱结构的设计中带有一定的随意性和盲目性。
　　2.4异形柱结构设计中存在的问题
　　近年来，在我省的住宅建设中，特别是高层或小高层住宅，有些采用了异形柱结构。由于缺少相应的设计依据和规定，目前在异形柱结构设计中存在的问题很多，也比较突出，主要表现在异形柱结构房屋的高度超高、体型不规则、结构布置不合理、抗震构造措施不当等方面。
　　应当说，目前国内对异形柱的受剪承载力、节点承载力和结构延性等方面的试验研究还不多，对异形柱结构抗震性能的认识还不够充分。在这种情况下，设计异形柱结构时，对房屋高度、结构规则性及抗震措施等方面宜从严掌握。
　　2.5结构缝设置不合理，缝宽度不足
　　对于超长建筑物，为减少温度变化对结构的不利影响，合理地设置伸缩缝是必要的。有些设计人员提出用后浇带代替伸缩缝，笔者认为此种做法并不一定妥当。因为后浇带仅能减少混凝土材料干缩的影响，不能解决温度变化的影响。后浇带处的混凝土封闭后，若结构再受温度变化的影响，后浇带就不能再起任何作用了。对于不能或不便设置温度伸缩缝的超长结构，除留设施工后浇带外，还应采取其它构造加强措施，如加强顶层屋面的保温隔热措施，对受温度变化影响较大的部位适当配置直径较小、间距较密的温度筋，或采用预应力混凝土结构等。
　　地下室结构宜尽量不设缝。有些设计人员常在高层建筑地下室与裙房地下室之间设置沉降缝，这虽可解决两者间的差异沉降问题，但地下室设缝会带来一系列的同题，如地下室底板和外墙在沉降缝处的节点处理非常复杂，施工困难，易出现渗漏水等质量问题，另外还常会导致高层部分的基础有效埋深不足。因此，笔者认为对地下室结构宜尽量不设缝，而采取其它技术措施来解决差异沉降问题，如采用桩基，使绝对沉降和差异沉降控制在允许范围内，或在主裙楼之间留设施工后浇带，待主楼封顶后再连成整体。地下室埋于土中，建成后受温度变化的影响相对较小，因此对长度较长的地下室可采取留设后浇带、采用补偿收缩混凝土、局部提高配筋率等措施来解决混凝土干缩和温度应力的影响。
　　地下室底板和外墙的混凝土强度等级不宜太高。目前普遍采用商品混凝土，一般来说，混凝土强度等级越高，水泥用量越大，混凝土的收缩量也越大。
　　对需要抗震设防的建筑，其伸缩缝、沉降缝的宽度均应符合防震缝宽度的要求。
　　3结语
　　房屋结构施工图设计中存在的问题是多种多样的，本文仅列出了某些带有普遍性的常见问题，希望对结构工程师具有一定的借鉴和参考作用。文中如有不当之处，望各位同行指正。
　　参考文献
　　[1]陈嘉俊.论多层框架房屋结构设计中的几个要点[M].成都：四川建材出版社，2007（2）.
　　[2]陆歆弘，蔡跃．房屋建筑力学与结构基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2008(1).
　　[3]魏利金．建筑结构设计常遇问题及对策[M].北京：中国电力出版社，2009（1）.

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