结构设计就是用结构语言来表达工程师所要表达的东西。结构语言就是结构师从建筑及其它专业图纸中所提炼简化出来的结构元素,包括基础、墙、柱、梁、板、楼梯、大样图等。然后用这些结构元素来构成建筑物或构筑物的结构体系,包括竖向和水平的承重及抗力体系,再把各种情况产生的荷载传递至基础。
一、建筑结构设计的类型与基本内容
(一)建筑结构的类型。建筑物有各种不同的使用功能要求,因此有许多类型及分类方法。根据建筑物的用途,可以分为工业建筑与民用建筑。根据建筑物的层数,可以分为单层、多层、高层和超高层建筑。建筑物根据所使用的结构材料可以分为:木结构、砌体结构、混凝土结构、钢结构和混合结构等。建筑物根据其结构形式,可以分为排架结构、框架结构、剪力墙结构、筒体结构和大路结构等。
(二)建筑结构设计的基本内容:
1、结构设计的程序
建筑物的设计包括建筑设计、结构设计、给排水设计、暖气通风设计和电气设计等。每一部分的设计都应围绕设计的四个基本要求:即功能要求、美观要求、经济要求和环保要求。
建筑结构是一个建筑物发挥其使用功能的基础,结构设计是建筑物设计的一个重要组成部分,主要包括以下四个过程:方案设计→结构分析→构件设计→绘施工图。
2.建筑物结构设计的要求
为保证建筑结构的可靠度达到设计要求,在设计中,必须遵循以下要求:(1)计算内容:结构构件应进行承载能力极限状态的计算和正常使用极限状态的验算,如直接承受动力荷载的构件应进行疲劳强度验算;(2)结构上多种作用效应同时发生时,应通过结构分析分别求出每一种作用下的效应后,考虑其可能的最不利组合;(3)抗震设计:我国的抗震设防烈度为6至9度,建筑结构根据所在地区的烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级。对应不同的抗震等级,有不同的计算和构造要求。
二、建筑结构设计的原则
适用、安全、经济、美观、便于施工是进行建筑结构设计的原则。一个优秀的建筑结构设计往往是这五个方面的最佳结合。完美的建筑结构设计就是在努力追求这五个方面的最佳结合的过程中产生的,适用、安全、经济、美观、便于施工是结构设计人员最终努力的目标,是结构设计的最佳体现。
结构设计一般在建筑设计之后,“受制”于建筑设计,但又“反制”于建筑设计。结构设计不能破坏建筑设计,应满足、实现各种建筑要求;建筑设计不能超出结构设计的能力范围,不能超出安全、经济、合理的结构设计原则。结构设计决定建筑设计能否实现,从这个意义上讲,结构设计显得更为重要,虽然一栋标志性建筑物建成后,人们只知道建筑师的名字,但一个适用、安全、经济、美观、便于施工的结构设计也是工程师们的骄傲和成就。
三、进行建筑结构设计时应特别注意的问题
(一)关于箱、筏基础底板挑板的阳角问题。一是阳角面积在整个基础底面积中所占比例极小,可砍成直角或斜角;二是如果底板钢筋双向双排,且在悬挑部分不变,阳角不必加辐射筋。
(二)关于箱、筏基础底板的挑板问题。从结构角度来讲,如果能出挑板,能调匀边跨底板钢筋,特别是当底板钢筋通长布置时,不会因边跨钢筋而加大整个底板的通长筋,较为节约;出挑板后,能降低基底附加应力,当基础形式处在天然地基和其他人工地基的坎上时,加挑板就可能采用天然地基;能降低整体沉降,当荷载偏心时,在特定部位设挑板,还可调整沉降差和整体倾斜;窗井部位可以认为是挑板上砌墙,不宜再出长挑板。虽然在计算时此处板并不应按挑板计算。当然,此问题也并不是绝对的,当有数层地下室,窗井横隔墙较密,且横隔墙能与内部墙体连通时,可灵活考虑;当地下水位较高,出基础挑板,有利于解决抗浮问题;从建筑角度讲,取消挑板,可方便柔性防水做法。
(三)关于梁、板的计算跨度。一般的手册或教科书上所讲的计算跨度,如净跨的1.1倍等,这些规定和概念仅适用于常规的结构设计,而在应用的宽扁梁中却是不适用的。梁板结构,简单点讲,可认为是在梁的中心线上有一刚性支座,取消梁的概念,将梁板统一认为是一变截面板。在扁梁结构中,梁高比板厚大不了多少时,应将计算长度取至梁中心,选梁中心处的弯距和梁厚,及梁边弯距和板厚配筋,取二者大值配筋。(借用台阶式独立基础变截面处的概念)柱子也可认为是超大截面梁,所以梁配筋时应取柱边弯距。削峰是正常的,不削峰才时有问题的。
(四)基坑开挖时,摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束,不反弹,坑中心的地基土反弹,回弹以弹性为主,回弹部分被人工清除。当基础较小,坑底受到很大约束,回弹可以忽略,在计算沉降时,应按基底附加应力计算。当基坑很大时,相对受到较小约束,如箱基,计算沉降时应按基底压力计算,被坑边土约束的部分可以作为安全储备,这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。
(五)关于回弹再压缩。基坑开挖时,摩擦角范围内坑边的基底土受到约束,不反弹,坑中心的地基土反弹,回弹以弹性为主,回弹部分被人工清除。当基础较小,坑底受到很大约束,如独立基础,回弹可以忽略,在计算沉降时,应按基底附加应力计算。当基坑很大时,相对受到较小约束,如箱基,计算沉降时应按基底压力计算,被坑边土约束的部分当作安全储备,这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。
(六)主梁有次梁处加附加筋。一般应优先加箍筋,附加箍筋可认为是:主梁箍筋在次梁截面范围无法加箍筋或箍筋短缺,在次梁两侧补上,像板上洞口附加筋。附加筋一般要有,但也不是绝对的。规范中说的比较清楚,位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载,应全部由附加横向钢筋承担。也就是说,位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的垫梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力应加附加筋。但梁截面高度范围内的集中荷载可根据具体情况而定。当主次梁截面相差不大,次梁荷载较大时,应加附加筋。当主梁高度很高,次梁截面很小、荷载很小时,如快接近板上附加暗梁,主梁可不加附加筋。还有当主次梁截面均很大,如工艺要求形成的主次深梁,而荷载相对不大,主梁也可不加附加筋。总的原则,当主梁上次梁开裂后,从次梁的受压区顶至主梁底的截面高度的混凝土加箍筋能承受次梁产生的剪力时,主梁可不加附加筋。梁上集中力,产生的剪力在整个梁范围内是一样,所以抗剪满足,集中力处自然满足。主次深梁及次梁相对主梁截面、荷载较小时,也可满足。
(七)通常情况,悬挑梁宜做成等截面,尤其出挑长度较短时。与挑板不同,挑梁的自重占总荷载的比例很小,作成变截面不能有效减轻自重。变截面挑梁的箍筋,每个都不一样,加大施工难度。变截面梁的挠度也大于等截面梁。当然,外露的大挑梁,可适当变截面,使感官效果更好些。
总之,结构设计是建筑工程的重要组成部分,是建筑安全应用的基础。因此,设计人员要从一个个基本的构件算起,做到知其所以然,深刻理解规范和规程的含义,并密切配合其他专业来进行设计。在工作中应事无巨细,善于反思和总结工作中的经验和教训。只有这样才能做好建筑结构设计,促进建筑工程质量的不断提高。
