壹.結構設計或審查的基本原則
符合規範、安全可靠、合理經濟、施工方便
1、結構體系、結構布置、荷載、強度、剛度、構造、計算,等等,均應符合規範要求(規範用詞為“宜”、“可”的,也應盡可能執行,有不少設計人員認為可不執行,是不對的),不能只要求不違反規範的強制性條文。《建設工程質量管理條例》和《建設工程勘察設計管理條例》都規定:“設計單位未按照工程建設強制性標準進行設計的”,要“責令改正,處10萬元以上30萬元以下罰款”,我國的國家設計規範都是強制性標準。
2、規範未列入的結構體系(如異形柱框架結構,當地已有地方規程的除外)及超高超限建築應進行專項審查。
3、要安全可靠,但不要太浪費保守,要合理經濟,在正常施工條件下,按我國規範設計是能夠保證工程安全的。曾經設計5層磚混結構辦公樓,非抗震,條石基礎,用鋼量只有4.6kg/m2,至今完好無損。
4、要方便施工:如混凝土強度等級種類不要太多(商品混凝土1個強度等級級差,價格約差10元/m3,大約影響建築造價2元/m2,在壹個構件內配筋不要太復雜(鋼筋直徑及根數不要有太多種)。
5、設計要考慮施工質量等因素,如民工素質、壓價競爭、行賄送禮、偷工減料、偽劣建材(如地條鋼屢禁不絕)、垂直度偏差、混凝土保護層厚度偏差,等等,施工的結果與設計的理論條件是有較大差距的,切不要太理想化。
二.做好設計或審查工作的前提條件
1、“三基”:基本知識、基本理論、基本技能。力的概念、傳力途徑、基本計算公式等應掌握。
1)梁上起柱,是否要加附加橫向鋼筋?可以不加[1]。
2)有樓梯計算程序在計算梯板的負彎矩時取M=qL2/24,沒有根據。
3)偏心受壓基礎計算:除考慮柱腳彎矩外,還應考慮柱腳水平剪力V產生的附加彎矩,不少設計人員就未考慮,使基礎面積、配筋偏小。
2、熟悉規範,並應正確理解規範的含義及意圖
(如梁附加橫向鋼筋的作用及設置),規範也有不少不妥之處,規範之間也有矛盾,對規範就高不就低,按“大規範”不按“小規範”。
總工程師、主任工程師、審定人、施工圖審查人員必須熟悉規範,壹個小單位有壹個人熟悉規範,就好辦了。
3、結構方案應是集體智慧的結晶,要討論、集思廣益,然後定案。
4、施工圖設計開始前應由專業負責人會同審核人、審定人確定設計技術條件或措施。
5、管理制度、崗位責任制:設計人、制圖人、校核人、專業負責人、審核人、審定人,均應由本專業人員擔任,註冊工程師簽章宜是專業負責人,起碼是參與本工程的,圖紙、計算書至少“三簽字”,簽字不要濫竽充數(審查過的工程,就有結構校核人由建築專業人員擔任的,也有所有崗位的簽字為同壹人的筆跡,也有大型專業設計院的總工程師簽建築、結構、給排水、電氣、通動等所有專業的審定人,制圖人甚至簽字為“CAD”,這樣的簽字有什麽意義?);有的設計單位不設置“專業負責人”崗位,不妥。
6、工作責任心、壹絲不茍的工作態度、精益求精、對自己的簽名(名字)負責。設計人自校最重要。
7、設計經驗非常重要:老中青,傳幫帶;學習、汲取別人、前人的經驗(包括訂雜誌);總工程師、主任工程師、施工圖審查人員必須具有豐富的設計經驗;審定人、審核人、施工圖審查人員如果對規範不熟悉又缺乏設計經驗,怎麽能審查別人的設計?
8、自我保護意識:不能聽任建築專業、業主的無理要求,進行違規設計。
9、對建築(土木)工程設計是高風險行業應有充分的認識。
結構設計擔負房屋安全的大部責任;終生責任制;全額索賠;嚴重的負刑事責任。但不少設計人員對此並沒有真正認識。我們應正確對待:不害怕,精心設計。推行設計保險。
1)建築(土木)工程事故會造成群死群傷、財產損失巨大。國內每年都有大大小小的事故,國外也有不少事故。除施工方特別惡意的嚴重偷工減料外,房屋垮塌可以說都是設計不當造成的。
2)房屋傾斜,墻體、樓板開裂經常發生。
3)設計不管施工,施工質量設計人無法控制。
4)結構設計受制於建築專業、業主;建築專業、業主又大多不懂結構;如《建築抗震設計規範》規定:“建築設計應符合抗震概念設計的要求,不應采用嚴重不規則的設計方案”,建築平面、立面和豎向剖面宜規則,誰來把關?建築說了算?結構說了算?建築(特別是高層建築)設計方案應該由結構專業定案,但在國內實際上往往無法實施。
國際大師林同炎設計的尼加拉瓜馬那瓜市18層美洲銀行采用對稱布置的剪力墻核心筒結構,在1972年12月23日6.5級地震(9度)中只有8~17層核心筒體的連系梁上有輕微的斜裂縫,其它都完好,而相距很近的15層中央銀行采用雙柱框架(框架梁跨度達12.50m)結構並將兩個電梯井筒偏置在壹端,破壞嚴重,修復費用高達房屋造價的80%,這充分證明結構概念設計的重要性。
5)施工質量出問題,牽連設計、勘察單位,如上海某工程樓面澆註混凝土時支模跨塌死13人,施工、設計、勘察單位均被吊銷執照。
6)中國規範安全度遠低於發達國家。
7)結構專業需學習、掌握的知識太多。中國有關結構設計及施工驗收的規範(規程)多達數百本,既細又不細,熟悉不容易,互相矛盾的也不少,對規範理解各人不同,執行起來千差萬別。
8)主管部門設計質量抽查及發生質量事故時對設計單位及執業人員的處罰:罰款、停業整頓、吊銷執照。
9)火災:消防是由建築、水、電設計負主要責任,但結構專業也可能受牽連,衡陽大火垮樓即是明證。
10、正確認識計算機及設計、計算軟件的作用。現在的設計或計算軟件遠未達智能化,它只是壹個設計或計算工具(相當於古老的算盤、計算尺)而已,妳輸入的結構體系和結構布置不管是什麽樣的(包括違反規範規定的),也不管妳的電算總信息是否牛頭不對馬嘴,它都能計算,判斷正確與否還是要靠人的大腦。特別是現在年輕的壹代設計人員,不少人盲目信賴計算機,而不重視概念設計,是不可能作出合格的結構設計的。
三.關於電算問題
1、總信息取值:前提條件、很重要,否則計算無意義。雖然各種電算程序對總信息的取值都有詳細的說明或規定,但不少設計人員並未充分了解其含義,取值不妥屢有發生。
1)混凝土容重宜取27~30:梁、柱、剪力墻等考慮粉刷或裝飾面層後的容重應大於25kN/m3,如考慮粉面20厚砂漿,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計):γ=(290×420-250×400)×20/(250×500)+25=3.488+25=28.5,梁300×800(板厚按100mm計):γ=(340×720-300×700)×20/(300×800)+25=2.9+25=27.9,剪力墻厚200:γ=40×20/200+25=4+25=29,剪力墻厚300:γ=40×20/300+25=2.67+25=27.67,可見,梁、柱、剪力墻截面尺寸越小容重越大,如貼面磚、花崗石,容重還要加大,設計人應綜合考慮本工程梁、柱、剪力墻的截面尺寸大小及面層材料,確定壹個較合適的混凝土容重值。
2)周期折減系數Tc:必須折減,否則使地震作用偏小,應根據本工程填充墻的多少來確定周期折減系數值,填充墻多取小值,填充墻少取大值,《高層建築混凝土結構技術規程JGJ3—2002》3.3.16條規定“計算各振型地震影響系數所采用的結構自振周期應考慮非承重墻體的剛度影響予以折減”是強制性條文,壹般框架結構取0.6~0.9,剪力墻結構取0.9~0.99,框剪結構取0.7~0.9,高規3.3.17條規定剪力墻0.9~1是不妥的,應0.9~0.99,1就是不折減了,算不算違反強制性條文?但如是全剪力墻(即無非承重墻體的)結構,周期折減系數取1是應可以的。
3)計算結構的周期、位移、層剛度比時,應采用剛性樓板假定。如樓板開有大洞或樓板不連續,應再按彈性樓板計算結構內力。
4)振型數:采用剛性樓板假定時,平動≤計算層數,耦聯≤計算層數×3。壹個計算層數為10層的框架結構,采用剛性樓板假定,不考慮耦聯分析,振型數填12,輸出的第11、12振型周期竟達146.5、56.6秒,說明第11、12振型周期本來是不存在的,計算機只得隨機抓取數據填充,這樣的計算分析結果自然是不能采用的。當按彈性樓板計算時,振型數可超過上述限值。
5)梁剛度增大系數:中梁2、邊梁1.5(《高層建築混凝土結構技術規程JGJ3—2002》5.2.2條規定1.3~2.0),否則使地震作用偏小。
6)梁端彎矩調幅系數:0.8~0.9(《高層建築混凝土結構技術規程JGJ3—2002》5.2.2條),壹般可填0.85。有些設計人員(包括大型甲級設計院的技術負責人)規定梁端彎矩不調幅,是不大恰當的,因為更容易引起梁端負彎矩鋼筋過大、根數過多,影響混凝土澆築,且配筋率更容易超過2.5%(強制性條文)及梁下部鋼筋與梁端負彎矩鋼筋的比值不滿足規範要求(強制性條文),再者,梁端負彎矩壹般均比梁跨中下部彎矩大得較多,試舉壹例:梁端負彎矩800kN.m,梁跨中彎矩400kN.m,如取梁端彎矩調幅系數0.85,則梁跨中彎矩應為400+800×0.15=400+420=520kN.m,如不考慮梁端彎矩調幅,梁跨中彎矩增大1.2倍,則梁跨中彎矩為400×1.2=480<520kN.m,使梁下部鋼筋偏小,不妥。
7)梁端彎矩考慮柱寬影響標誌:當已填梁端彎矩調幅系數,則不宜再考慮柱寬作為剛域對梁端負彎矩的折減。
8)梁跨中彎矩增大系數:1~1.4,壹般可填1,配筋時再酌情加大1.2~1.4倍。如程序設定為“梁彎矩增大系數”,即正、負彎矩都增大,則應填1,程序設定考慮負彎矩調輻後又將負彎矩增大是沒有道理的。
9)梁扭矩折減系數:0.4,填扭矩剛度折減對梁扭矩的折減效果較小。
10)連梁剛度折減系數:0.5~0.55(《建築抗震設計規範GB50011—2001》6.2.13條2款、《高層建築混凝土結構技術規程JGJ3—2002》5.2.1條都規定不宜小於0.5)。
11)0.2Q0力調整:框剪結構對框架柱必須調整。
12)小塔樓地震作用放大系數:SATWE、TAT:平動時3~5振型:≤3,6~9振型時:≤1.5,耦聯時9~11振型:≤3,12~15振型時:≤1.5;TBSA:不放大。
13)基本風壓:取50年壹遇,高≥60m及對風敏感的結構取100年壹遇,基本風壓值見荷載規範。註意:新規範沒有對基本風壓進行修正(即對高層建築取1.1倍基本風壓)的說法了。
14)地面粗糙度:D(4)類(密集高層市區)慎用,只有當本工程的四周均有高於本工程的建築物時,才可填D(4)類。
15)風載體型分段數:應分段,壹般可每隔3層左右分1段,如多、高層建築,只填1段,則風載偏大。有些電算程序(如SATWE、TAT)規定最多只能分3段。1幢12層的房子,分1段,最高層數錯填為8,上面4層無風載,屬不安全。
16)混凝土保護層厚度:梁25(混凝土C20時30),柱30。
17)P-△效應:高層建築應考慮(《高層建築混凝土結構技術規程。多層建築要考慮,應是可以的。
18)偶然偏心:高層建築計算單向地震時應考慮偶然偏心(《高層建築混凝土結構技術規程,按雙向地震計算時就可不考慮偶然偏心了。
19)活載應考慮不利組合。
20)柱計算長度計算原則(SATWE等程序本意是對鋼柱):宜填“有側移”,因為框架結構、剪力墻結構、框剪結構等都是有側移的,如填“無側移”,似乎無道理。
21)平動與耦聯:壹般取耦聯,但有時平動也有可能比耦聯不利。
22)柱配筋計算原則:單偏壓與雙偏壓,二者計算結果有時差別較大,應分別按單偏壓、雙偏壓作兩次計算,按大值配筋。
23)當抗震設防類別為乙類時,計算地震烈度不提高,但抗震措施應提高1度,如抗震等級應按提高1度查表,軸壓比限制值也減小了,抗震構造措施也提高了,如砌體拉墻筋長度也增大了,等等。
24)地下室全連在壹起,上面設縫分為幾個獨立的結構單元,可不按多塔結構計算。壹幢房子的屋面上有幾個出屋面的樓、電梯間,更不是多塔結構。
2、形參:即梁柱平面布置
1)應合理簡化、應與建施圖吻合,應與結施圖壹致(結構布置、截面大小),電梯機房錯層應算2層。
2)基礎梁可作為1層輸入電算(宜填1層地下室,否則風荷載會偏大),也可另行單獨計算。
3)地下室墻:可輸墻,也可輸深梁(梁高等於層高)。
4)層高:應取樓板面至樓板面(獨立基礎:應算至基礎頂面)。
5)混凝土結構上面有鋼結構構架等,應參與整體分析,不能只輸入重量,結果差別大(特別在地震區,邊稍效應影響更大)。
3、荷載(是強制性條文):
1)靜、活,面載、線載、集中力。
2)荷載要合理:偏大無必要,偏小更不行。樓面裝修面層(除找平層、板底抹面外)1~1.5kN/m2,消防樓梯3.5kN/m2,不上人屋面0.5kN/m2是否太小?《建築結構荷載規範(強制性條文)
註1:
不上人的屋面,當施工或維修荷載較大時,應按實際情況采用,建議按施工荷載1.5~2kN/m2取值;輕鋼結構的剛架>60m2才可用0.3kN/m2,檁條仍是0.5kN/m2(強制性條文),《鋼結構設計規範GB50017-2003》3.2.1條(強制性條文)註:“對支承輕屋面的構件或結構(檁條、屋架、狂架等),當僅有壹個可變荷載且受荷水平投影面積超過60m2時,屋面均布活荷載標準值應取為0.3kN/m2”,檁條的受荷水平投影面積怎麽會超過60m2?
4、電算結果打印:
1)總信息、周期、周期比、位移、剪重比、剛度比、超筋超限信息、底層軸力等。
2)形參平面圖。
3)荷載輸入平面圖(不必打印荷載的中間結果)。
4)配筋結果平面圖。
5)剪力V包絡圖(用於配置梁的附加橫向鋼筋),不必打印彎矩M及其他數據文件。
6)JCCAD計算結果:不能所有的柱腳都打印,應選取與J1、J2、……對應的計算結果,且應考慮Nmax、Mmax、Vmax三種組合,如打印JCCAD計算的所有組合計算結果,簡直是“天書”。JCCAD計算結果未顯示是否讀取柱腳剪力V,如未考慮柱腳剪力V,則基礎面積及基礎配筋偏小。如基礎梁未作為1層輸入電算,則不能用JCCAD計算基礎,因為還要考慮基礎梁傳來的荷重(包括隔墻)。
7)鋼結構、網架等電算結果不能都是數據文件,應有圖形文件。
5、對電算結果要分析,不能不管對不對。
四.地基基礎設計
1、正確使用地勘報告,基礎選型由自己定,而不能地勘報告建議什麽基礎型式就用什麽型式,總的來說,結構設計人員對地基基礎設計比地勘人員內行。
2、沖擊振動沈管灌註樁慎用:縮頸現象較普遍。
3、人工挖孔樁:在砂夾卵石層內施工(特別是擴孔)跨孔的可能性較大,施工有危險。樁太短(如小於6m),不能按樁算,應按墩算。
4、地基處理:換填、振沖、CFG樁(應算沈降,地基處理規範9.1.3條)。
5、地下室底板不按筏板設計,而采用所謂“抗水板”,其厚度不宜小於300,除地下水浮力,還有地基反力,應計算其配筋及裂縫寬度不應大於0.2mm(地下工程防水技術規範)。
6、伸縮縫、抗震縫處可不必設沈降縫。有壹砌體結構6層住宅,設有100mm寬抗震縫兼沈降縫,因此抗震縫兩邊的條形基礎為大偏心基礎,極為不妥。
7、地下室底板下的墊層應采用C15混凝土(地下工程防水技術規範4.1.5條)。
8、地下室墻豎筋及水平筋應註意最小配筋率ρmin。
9、地下室墻應有水平施工縫。
10、超長地下室只留後澆帶不能解決使用期間的溫度及混凝土收縮問題,應采取加強配筋、加防裂劑、采用預應力混凝土等措施。地下室外墻、底板、頂板的鋼筋間距不宜大於150mm。
11、沈降觀測點應布置並應有觀測點大樣,觀測方法應有說明,不能只說按某規範。
12、地基軟弱下臥層驗算:可用《地基基礎設計規範,但Es1/Es2<3時查不到θ,也可用基底應力公式計算。
13、樁基(包括樁身質量、單樁承載力)檢測,應有檢測方法、檢測數量等說明,不能只說按某規範。
14、無上部結構的純地下室在地震區應不應該進行抗震設計?這個問題本來規範已有明確說法,如《建築抗震設計規範規定“……地下室中無上部結構的部分,可根據具體情況采用三級或更低等級”,《高層建築混凝土結構技術規程》也規定“……地下室中超出上部主樓範圍且無上部結構的部分,其抗震等級可根據具體情況采用三級或四級。9度抗震設計時,地下室結構的抗震等級不應低於二級。”
15、其余,《鋼筋混凝土結構構造討論(五)》。
五.關於框架結構設計
1、柱、梁截面應合理:由位移、軸壓比、配筋率等控制,梁大跨取大截面,小跨取小截面,連續跨梁截面寬度宜相同。柱截面應每隔3層左右收小壹次,以節約投資,每次收小時應每側不小於50mm,以方便支模,也不宜大於200mm,以免剛度突變,最上段(頂上幾層)可用300mm×300mm(應滿足計算要求)。收小柱截面,也可相應增加使用面積。
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