如何作出合格的结构设计

如何作出合格的结构设计 文章来源：互联网 超经典 一、设计（审查）质量不容乐观： 笔者近几年主要从事施工图设计文件审查工作，已审查了数百个工程（设计单位除四川省境内的以外，还有北京、上海、重庆、湖北、云南、广东等省、市及香港地区的设计单位，其中不乏大型甲级设计单位），所有的结构设计（如结构体系、结构布置、地基基础方案、荷载取值、结构计算、电算总信息、钢筋混凝土构造等）均存在或多或少或大或小的问题，构件配筋少于计算值更是时有发现，可以说没有一个工程的电算总信息是完全正确的，有些设计需进行整改方可施工。建筑设计市场混乱，行贿索贿、压价竞争、业余设计、挂靠设计普遍存在。设计周期严重短于国家规定更是司空见惯。特别是上世纪八十年代以后成立的中、小设计单位和县级施工图审查机构，由于设计（审查）人员配备不足、缺乏完善的管理制度（审校制度）和设计经验，设计（审查）质量更是存在较大的问题。如四川某市2002年度共进行施工图审查690个项目，一次合格（通过）率只有19.9％，违反强制性条文1390条；抽查2002（2003）年度的设计（已通过施工图审查）质量和审查质量，设计项目80（80）项，合格率只有58.8（80.0）％，审查项目82（90）项，合格率只有61（85）％，也可见设计（审查）质量逐年有所提高。这充分说明，并不是有设计（包括计算和绘图）程序就能作出合格的设计。 二、结构设计（审查）的基本原则：符合规范、安全可靠、合理经济、施工方便。 1、结构体系、结构布置、荷载、强度、刚度、构造、计算，等等，均应符合规范要求（规范用词为“宜”、“可”的，也应尽可能执行，有不少设计人员认为可不执行，是不对的），不能只要求不违反规范的强制性条文。《建设工程质量管理条例》（2000年1月30日国务院令第279号）和《建设工程勘察设计管理条例》（2000年9月25日国务院令第293号）都规定：“设计单位未按照工程建设强制性标准进行设计的”，要“责令改正，处10万元以上30万元以下罚款”，我国的国家设计规范都是强制性标准。 2、规范未列入的结构体系（如异形柱框架结构，当地已有地方规程的除外）及超高超限建筑应进行专项审查。 3、要安全可靠，但不要太浪费保守，要合理经济，在正常施工条件下，按我国规范设计是能够保证工程安全的。笔者1972年设计5层砖混结构办公楼，非抗震，条石基础，用钢量只有4.6kg/m2，至今完好无损。 4、要方便施工：如混凝土强度等级种类不要太多（商品混凝土1个强度等级级差，价格约差10元/m3，大约影响建筑造价2元/m2，在一个构件内配筋不要太复杂（钢筋直径及根数不要有太多种）。 5、设计要考虑施工质量等因素，如民工素质、压价竞争、行贿送礼、偷工减料、伪劣建材（如地条钢屡禁不绝）、垂直度偏差、混凝土保护层厚度偏差，等等，施工的结果与设计的理论条件是有较大差距的，切不要太理想化。 三、做好设计（审查）工作的前提条件： 1、“三基”：基本知识、基本理论、基本技能。力的概念、传力途径、基本计算公式等应掌握。 1）梁上起柱，是否要加附加横向钢筋？可以不加[1]。 2）有楼梯计算程序在计算梯板的负弯矩时取M=qL2/24，没有根据。 3）偏心受压基础计算：除考虑柱脚弯矩外，还应考虑柱脚水平剪力V产生的附加弯矩，不少设计人员就未考虑，使基础面积、配筋偏小。 2、熟悉规范，并应正确理解规范的含义及意图（如梁附加横向钢筋的作用及设置[1]），规范也有不少不妥之处，规范之间也有矛盾，对规范就高不就低，按“大规范”不按“小规范”。如《地基基础设计规范GB 50007—2002》[2]第8.2.2条规定扩展基础的最低混凝土强度等级为C20，而《混凝土结构设计规范GB 50010—2002》[3]第3.4.2条规定基础在二a类（二b类、三类）环境中的最低混凝土强度等级为C25（C30），笔者认为应采用C25（C30）。又如《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程JGJ 95—2003》[4]第6.1.2条规定纵向受拉钢筋锚固长度La的最小值为200mm、第7.3.3条规定纵向受拉钢筋搭接长度LL的最小值为250mm，就与混凝土结构设计规范规定的250mm、300mm矛盾，但它在表7.3.3注6中又说：“纵向受拉钢筋搭接接头的相关要求，尚应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定”，这真是有点滑稽了，那它为什么又要规定纵向受拉钢筋搭接长度LL的最小值为250mm呢？笔者认为应执行混凝土结构设计规范的规定。 规范对强制性条文定得也有点问题，重要的、影响结构安全的（如多层建筑的构件配筋少于计算值）不是强条（《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3—2002》[5]第4.7.1条规定结构构件承载力应不小于构件承载力设计值，即无地震作用组合时γ0S≤R，有地震作用组合时S≤R/γRE，这是强制性条文，因此高层建筑的构件配筋少于计算值，就应该认为是违反强制性条文，但不少人不同意笔者的观点。原《建筑结构荷载规范GBJ 9—87》[6] 第2.2.2条γ0S≤R是2000年版强制性条文的内容，但2002年版强制性条文将此条取消了），不大重要的是强条，如《地基基础设计规范》[2]8.2.7条4款及8.4.13条都规定当基础或基础梁的混凝土强度等级小于柱的混凝土强度等级时应验算柱在基础或基础梁顶面的局部受压承载力是强制性条文，不验算就算违反强制性条文？不通（如规定局部受压承载力应满足要求是强制性条文是可以的），而几乎所有的情况验算都可以满足；将“应验算”作为强制性条文的还有很多，如《地基基础设计规范》[2]3.0.2条2款、3款、4款、5款、6款、8.2.7条2款、8.4.9条、8.5.18条、8.5.19条、《建筑地基处理技术规范JGJ 79—2002》[6]3.0.5条、3.0.6条等。又如《地基基础设计规范》[2]3.0.4条（强制性条文）规定：确定基础底面面积或按单桩承载力确定桩数时，应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合，如设计时按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，使基础底面面积偏大或桩数偏多，就算违反强制性条文？不应该吧！ 总工程师、主任工程师、审定人、施工图审查人员必须熟悉规范，一个小单位有一个人熟悉规范，就好办了。 3、结构方案应是集体智慧的结晶，要讨论、集思广益，然后定案。 4、施工图设计开始前应由专业负责人会同审核人、审定人确定设计技术条件或措施。 5、管理制度、岗位责任制：设计人、制图人、校核人、专业负责人、审核人、审定人，均应由本专业人员担任，注册工程师签章宜是专业负责人，起码是参与本工程的，图纸、计算书至少“三签字”，签字不要滥竽充数（笔者审查过的工程，就有结构校核人由建筑专业人员担任的，也有所有岗位的签字为同一人的笔迹，也有大型专业设计院的总工程师签建筑、结构、给排水、电气、通动等所有专业的审定人，制图人甚至签字为“CAD”，这样的签字有什么意义？）；有的设计单位不设置“专业负责人”岗位，不妥。 6、工作责任心、一丝不苟的工作态度、精益求精、对自己的签名（名字）负责。设计人自校最重要。 7、设计经验非常重要：老中青，传帮带；学习、汲取别人、前人的经验（包括订杂志）；总工程师、主任工程师、施工图审查人员必须具有丰富的设计经验；审定人、审核人、施工图审查人员如果对规范不熟悉又缺乏设计经验，怎么能审查别人的设计？ 8、自我保护意识：不能听任建筑专业、业主的无理要求，进行违规设计。 9、对建筑（土木）工程设计是高风险行业应有充分的认识。结构设计担负房屋安全的大部责任；终生责任制；全额索赔；严重的负刑事责任。但不少设计人员对此并没有真正认识。我们应正确对待：不害怕，精心设计。推行设计保险。 1）建筑（土木）工程事故会造成群死群伤、财产损失巨大。国内每年都有大大小小的事故，国外也有不少事故。除施工方特别恶意的严重偷工减料外，房屋垮塌可以说都是设计不当造成的。 （1）1995年12月8日德阳棉麻公司综合楼垮塌，死13人：完全是设计原因（见《建筑结构》2003年3期笔者论文[7]：柱周直剪破坏），如当时有施工图审查应可避免。 （2）1997年7月12日上午9时37分浙江常山棉纺厂五层住宅楼垮塌，死36人。 （3）1999年1月4日年重庆綦江虹桥垮塌，死40人，伤14人；事过5年重庆市政设计院退休职工赵国勋被追诉，至此虹桥案被起诉的责任被告达15人。 （4）2000年福建莆田住宅垮塌，死伤数十人。 （5）2004年春东北某小学垮楼（加层、换窗削弱窗间墙）。 （6）2003年12月21衡阳大火垮楼，消防官兵死20人，结构设计人员将被追究刑事责任。 （7）2004年初上海隧道管涌事故（损失约1亿）。 （8）2004年3月22日四川某地新建17m长4.7m高砖砌围墙（墙厚240mm，带壁柱370mm╳370mm﹫3000 mm）在施工时垮塌死6人、伤10余人，笔者分析其原因是：围墙无基础（砖围墙直接砌在三合土地坪上），估算施工阶段容许高度仅达1.98m，围墙附近拔除一根混凝土电杆夯实填土时的振动引起围墙垮塌。 （9）2004年3月30日中央电视台《今日说法》报道武汉市郊农民为日后政府征地能获得高额赔偿在自己的宅基地周围见缝插针突击低成本建房（4层空斗墙农房，要求造价不超过150元/m2）垮塌死3人、伤10余人；武汉市郊此类违章建筑已达数十万平方米（武汉市某区已强制拆除数万平方米）。 （10）2005年4月26日延吉市局子街15号原白马江旧楼发生重大坍塌事故，造成5人死亡、7人受伤，直接经济损失约200万元，当天该工程大承包人王俊杰、李玉成、结构设计工程师、延吉市建筑设计院副总工程师康桂鑫均被警方带回协助调查，第二天产权方延吉市美丽得公司董事长崔哲松被警方控制。 （11）2005年7月24日广州江南大道一工地？？？？？？？？？？？？？？？？？ 龙泉王府花园 泸州 （10）1995年6月韩国汉城三丰百货商场垮塌，其原因是屋面使用荷载（空调机组及冷却塔）达10kN/m2超过原设计荷载2倍，屋面垮塌致使下面各层楼面陆续垮塌至地面层（地下室未垮塌）（类同于美国911事件世界贸易大厦垮塌），死700多人。 （11）2004年5月24日法国戴高乐机场屋顶垮塌，死4人，据2005年2月7日法国《巴黎人报》报道设计失误是重大原因（较详细的报道可参见《南方周末》2005年3月17日D25版）。 工程事故很多很多，不胜枚举。 2）房屋倾斜，墙体、楼板开裂经常发生。 3）设计不管施工，施工质量设计人无法控制。 4）结构设计受制于建筑专业、业主；建筑专业、业主又大多不懂结构；如《建筑抗震设计规范GB 50011—2001》[8]》第3.4.1条（强制性条文）规定：“建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案”，第3.4.2条讲建筑平面、立面和竖向剖面宜规则，谁来把关？建筑说了算？结构说了算？笔者认为，建筑（特别是高层建筑）设计方案应该由结构专业定案，但在国内实际上往往无法实施。 国际大师林同炎设计的尼加拉瓜马那瓜市18层美洲银行采用对称布置的剪力墙核心筒结构，在1972年12月23日6.5级地震（9度）中只有8～17层核心筒体的连系梁上有轻微的斜裂缝，其它都完好，而相距很近的15层中央银行采用双柱框架（框架梁跨度达12.50m）结构并将两个电梯井筒偏置在一端，破坏严重，修复费用高达房屋造价的80％[9]，这充分证明结构概念设计的重要性。 5）施工质量出问题，牵连设计、勘察单位，如2000年上海某工程楼面浇注混凝土时支模跨塌死13人，施工、设计、勘察单位均被吊销执照。 6）中国规范安全度远低于发达国家。 7）结构专业需学习、掌握的知识太多。中国有关结构设计及施工验收的规范（规程）多达数百本，既细又不细，熟悉不容易，互相矛盾的也不少，对规范理解各人不同，执行起来千差万别。 8）主管部门设计质量抽查及发生质量事故时对设计单位及执业人员的处罚：罚款、停业整顿、吊销执照。 9）火灾：消防是由建筑、水、电设计负主要责任，但结构专业也可能受牵连，衡阳大火垮楼即是明证。 10、正确认识计算机及设计、计算软件的作用。现在的设计或计算软件远未达智能化，它只是一个设计或计算工具（相当于古老的算盘、计算尺）而已，你输入的结构体系和结构布置不管是什么样的（包括违反规范规定的），也不管你的电算总信息是否牛头不对马嘴，它都能计算，判断正确与否还是要靠人的大脑。特别是现在年轻的一代设计人员，不少人盲目信赖计算机，而不重视概念设计，是不可能作出合格的结构设计的。 四、电算问题： 1、总信息取值：前提条件、很重要，否则计算无意义。虽然各种电算程序对总信息的取值都有详细的说明或规定，但不少设计人员并未充分了解其含义，取值不妥屡有发生。 1）混凝土容重宜取27～30：梁、柱、剪力墙等考虑粉刷或装饰面层后的容重应大于25kN/m3，如考虑粉面20厚砂浆，柱400×400：γ=（4402-4002）×20/4002+25=4.2+25=29.2，柱600×600：γ=（6402-6002）×20/6002+25=2.7555+25=27.8，柱1000×1000：γ=（10402-10002）×20/10002+25=1.632+25=26.632，梁250×500（板厚按100mm计）：γ=（290×420-250×400）×20/（250×500）+25=3.488+25=28.5，梁300×800（板厚按100mm计）：γ=（340×720-300×700）×20/（300×800）+25=2.9+25=27.9，剪力墙厚200：γ=40×20/200+25=4+25=29，剪力墙厚300：γ=40×20/300+25=2.67+25=27.67，可见，梁、柱、剪力墙截面尺寸越小容重越大，如贴面砖、花岗石，容重还要加大，设计人应综合考虑本工程梁、柱、剪力墙的截面尺寸大小及面层材料，确定一个较合适的混凝土容重值。 2）周期折减系数Tc：必须折减，否则使地震作用偏小，应根据本工程填充墙的多少来确定周期折减系数值，填充墙多取小值，填充墙少取大值，《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》3.3.16条规定“计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减”是强制性条文，一般框架结构取0.6～0.9，剪力墙结构取0.9～0.99，框剪结构取0.7～0.9，高规3.3.17条规定剪力墙0.9～1是不妥的，应0.9～0.99，1就是不折减了，算不算违反强制性条文？但如是全剪力墙（即无非承重墙体的）结构，周期折减系数取1是应可以的。 3）计算结构的周期、位移、层刚度比时，应采用刚性楼板假定。如楼板开有大洞或楼板不连续，应再按弹性楼板计算结构内力。 4）振型数：采用刚性楼板假定时，平动≤计算层数，耦联≤计算层数×3。笔者见到一个计算层数为10层的框架结构，采用刚性楼板假定，不考虑耦联分析，振型数填12，输出的第11、12振型周期竟达146.5、56.6秒，说明第11、12振型周期本来是不存在的，计算机只得随机抓取数据填充，这样的计算分析结果自然是不能采用的。当按弹性楼板计算时，振型数可超过上述限值。 5）梁刚度增大系数：中梁2、边梁1.5（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》5.2.2条规定1.3～2.0），否则使地震作用偏小。 6）梁端弯矩调幅系数：0.8～0.9（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》5.2.2条），一般可填0.85。有些设计人员（包括大型甲级设计院的技术负责人）规定梁端弯矩不调幅，是不大恰当的，因为更容易引起梁端负弯矩钢筋过大、根数过多，影响混凝土浇筑，且配筋率更容易超过2.5％（强制性条文）及梁下部钢筋与梁端负弯矩钢筋的比值不满足规范要求（强制性条文），再者，梁端负弯矩一般均比梁跨中下部弯矩大得较多，试举一例：梁端负弯矩800kN.m，梁跨中弯矩400kN.m，如取梁端弯矩调幅系数0.85，则梁跨中弯矩应为400+800×0.15=400+420=520kN.m，如不考虑梁端弯矩调幅，梁跨中弯矩增大1.2倍，则梁跨中弯矩为400×1.2=480＜520kN.m，使梁下部钢筋偏小，不妥。 7）梁端弯矩考虑柱宽影响标志：当已填梁端弯矩调幅系数，则不宜再考虑柱宽作为刚域对梁端负弯矩的折减。 8）梁跨中弯矩增大系数：1～1.4，一般可填1，配筋时再酌情加大1.2～1.4倍。如程序设定为“梁弯矩增大系数”，即正、负弯矩都增大，则应填1，程序设定考虑负弯矩调辐后又将负弯矩增大是没有道理的。 9）梁扭矩折减系数：0.4，填扭矩刚度折减对梁扭矩的折减效果较小。 10）连梁刚度折减系数：0.5～0.55（《建筑抗震设计规范GB 50011—2001》6.2.13条2款、《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》5.2.1条都规定不宜小于0.5）。 11）0.2Q0力调整：框剪结构对框架柱必须调整。 12）小塔楼地震作用放大系数：SATWE、TAT： 平动时3～5振型：≤3，6～9振型时：≤1.5，耦联时9～11振型：≤3，12～15振型时：≤1.5；TBSA：不放大。 13）基本风压：取50年一遇，高≥60m及对风敏感的结构取100年一遇，基本风压值见荷载规范。注意：新规范没有对基本风压进行修正（即对高层建筑取1.1倍基本风压）的说法了。 14）地面粗糙度：D（4）类（密集高层市区）慎用，只有当本工程的四周均有高于本工程的建筑物时，才可填D（4）类。 15）风载体型分段数：应分段，一般可每隔3层左右分1段，如多、高层建筑，只填1段，则风载偏大。有些电算程序（如SATWE、TAT）规定最多只能分3段。笔者见到1幢12层的房子，分1段，最高层数错填为8，上面4层无风载，属不安全。 16）混凝土保护层厚度：梁25（混凝土C20时30），柱30。 17）P-△效应：高层建筑应考虑（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》5.4.1条、5.4.2条）。多层建筑要考虑，应是可以的。 18）偶然偏心：高层建筑计算单向地震时应考虑偶然偏心（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》3.3.3条），按双向地震计算时就可不考虑偶然偏心了。 19）活载应考虑不利组合。 20）活载折减系数：如SATWE、TAT等程序内定的折减系数系按《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》表4.1.2编制，千万注意只适用《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》表4.1.1中的1（1）项房屋，即住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园，对其它房屋一概不适用，否则（如对商业用房、多层厂房）就违反了强制性条文。 21）柱计算长度计算原则（SATWE等程序本意是对钢柱）：宜填“有侧移”，因为框架结构、剪力墙结构、框剪结构等都是有侧移的，如填“无侧移”，似乎无道理。 22）平动与耦联：一般取耦联，但有时平动也有可能比耦联不利。 23）柱配筋计算原则：单偏压与双偏压，二者计算结果有时差别较大，应分别按单偏压、双偏压作两次计算，按大值配筋。 24）当抗震设防类别为乙类时，计算地震烈度不提高，但抗震措施应提高1度，如抗震等级应按提高1度查表，轴压比限制值也减小了，抗震构造措施也提高了，如砌体拉墙筋长度也增大了，等等。 25）地下室全连在一起，上面设缝分为几个独立的结构单元，可不按多塔结构计算。一幢房子的屋面上有几个出屋面的楼、电梯间，更不是多塔结构。 2、形参：即梁柱平面布置 1）应合理简化、应与建施图吻合，应与结施图一致（结构布置、截面大小），电梯机房错层应算2层。 2）基础梁可作为1层输入电算（宜填1层地下室，否则风荷载会偏大），也可另行单独计算。 3）地下室墙：可输墙，也可输深梁（梁高等于层高）。 4）层高：应取楼板面至楼板面（独立基础：应算至基础顶面）。 5）混凝土结构上面有钢结构构架等，应参与整体分析，不能只输入重量，结果差别大（特别在地震区，边稍效应影响更大）。 3、荷载（是强制性条文）： 1）静、活，面载、线载、集中力。 2）荷载要合理：偏大无必要，偏小更不行。楼面装修面层（除找平层、板底抹面外）1～1.5kN/m2，消防楼梯3.5 kN/m2，不上人屋面0.5kN/m2是否太小？《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》4.3.1条（强制性条文）注1：不上人的屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，建议按施工荷载1.5～2 kN/m2取值；轻钢结构的刚架＞60m2才可用0.3kN/m2，檩条仍是0.5kN/m2（强制性条文），《钢结构设计规范 GB 50017-2003》3.2.1条（强制性条文）注：“对支承轻屋面的构件或结构（檩条、屋架、狂架等），当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60m2时，屋面均布活荷载标准值应取为0.3kN/m2”，檩条的受荷水平投影面积怎么会超过60m2？笔者对此感到不可理解。