浅谈结构的设计与分析

摘要：根据规范，结合实际设计工程及个人体会，对结构设计的概念、内容、方法及部分构件的设计进行分析讨论。

关键词：概念及内容设计阶段设计方法具体应用构件设计

前言

结构设计中相当部分构件的设置，规范仅给出了最低限值或建议取值，实际设计过程中各人的理解不同可能对整个设计带来相当大的区别。还有部分是属于概念设计的范畴，尤其值得我们一起探讨。

1. 结构设计的概念及内容

结构设计简而言之就是用结构语言来表达建筑师及其它专业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，大样细部等等。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。把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。结构设计的内容由上可知为：基础的设计。上部结构的设计和细部设计。

2．结构设计的阶段：

结构设计的阶段大体可以分为三个阶段，结构方案阶段，结构计算阶段和施工图设计阶段。方案阶段的内容为：根据建筑的重要性，建筑所在地的抗震设防烈度，工程地质勘查报告，建筑场地的类别及建筑的高度和层数来确定建筑的结构形式（例如，砖混结构，框架结构，框剪结构，剪力墙结构，筒体结构，混合结构等等以及由这些结构来组合而成的结构形式）。确定了结构的形式之后就要根据不同结构形式的特点和要求来布置结构的承重体系和受力构件。结构计算阶段的内容为：一：荷载的计算。荷载包括外部荷载（例如，风荷载，雪荷载，施工荷载，地下水的荷载，地震荷载，人防荷载等等）和内部荷载（例如，结构的自重荷载，使用荷载，装修荷载等等）上述荷载的计算要根据荷载规范的要求和规定采用不同的组合值系数和准永久值系数等来进行不同工况下的组合计算。二：构件的试算。根据计算出的荷载值，构造措施要求，使用要求及各种计算手册上推荐的试算方法来初步确定构件的截面。三：内力的计算，根据确定的构件截面和荷载值来进行内力的计算，包括弯矩，剪力，扭矩，轴心压力及拉力等等。三：构件的计算。根据计算出的结构内力及规范对构件的要求和限制（比如，轴压比，剪跨比，跨高比，裂缝和挠度等等）来复核结构试算的构件是否符合规范规定和要求。如不满足要求则要调整构件的截面或布置直到满足要求为止。施工图设计阶段的内容为：根据上述计算结果，来最终确定构件布置和构件配筋以及根据规范的要求来确定结构构件的构造措施。

3．各设计阶段的基本方法

根据方案阶段的主要内容，其基本方法就是根据各种结构形式的适用范围和特点来确定结构应该使用的最佳结构形式，这要看规范中对于各种结构形式的界定和工程的具体情况而定，关键是清楚各种结构形式的极限适用范围。还要考虑合理性和经济性。在结构计算阶段，就是根据方案阶段确定的结构形式和体系，依据规范上规定的具体的计算方法来进行详细的结构计算，规范上的方法有多种，关键是结合工程的实际情况来选择合适的计算方法，以楼板为例，就有弹性计算法，塑性计算法及弹塑性计算法。所以选择符合工程实际的计算方法是合理的结构设计的前提，是十分重要的。在施工图设计阶段，就是根据结构计算的结果来用结构语言表达在图纸上。首先表达的东西要符合结构计算的要求，同时还要符合规范中的构造要求，最后还要考虑施工的可操作性。这就要求结构设计人员对规范要很好的理解和把握。另外还要对施工的工艺和流程有一定的了解。这样设计出的结构，才会是合理的结构。

4．规范、手册及标准图集在具体工作中的应用：

结构设计的准则和依据就是各种规范和标准图集。在进行不同结构型式的设计时必须要紧扣不同的规范，但这些规范又都是相互联系密不可分的。在不同的工程中往往会使用多种规范，在一个工程确定了结构形式后，首先要根据《建筑结构可靠度设计统一标准》来确定建筑的可靠度和重要性；然后再根据《中国地震动参数区划图》 ，《建筑抗震设防分类标准》 《建筑抗震设计规范》确定建筑在抗震设防方面的规定和要求，在荷载的取值时要按照《建筑结构荷载规范》来确定，这是建筑总体需要运用的规范。在工程的具体设计方面，涉及到砌体部分的要遵循《砌体结构设计规范》的规定；涉及到混凝土部分的要遵循《混凝土结构设计规范》的规定；涉及到钢筋部分的要遵循《钢筋焊接及验收规程》和《钢筋机械连接通用技术规程》的规定；在基础部分的设计时需要遵循的是《建筑地基基础设计规范》的规定。最后在结构绘图时则要符合《建筑结构制图标准》的要求。在各种结构设计手册中，给出了该结构形式设计的原理，方法，一般规定和计算的算例以及用来直接选用的各种表格。这对于深刻理解和具体设计各种结构形式具有良好的指导作用。我们推荐最好能参照设计手册来手算典型的结构形式。标准图集是依据规范来制定的国家和省市地方统一的设计标准和施工做法构造。不同的结构形式有不同的标准图集。设计中常用的有，结构绘图时采用：平法制图（03G101-1），砌体中的钢筋混凝土过梁采用：过梁（L03G303），砖混结构抗震构造详图采用：L03G313，钢筋混凝土结构抗震构造详图采用：L03G323，地沟及盖板采用：02J331。需要说明的是，在选用标准图集时一定要根据具体工程的实际情况来酌情选用，必要时应说明选用的页号和图集号，不可盲目采用。

5. 部分构件的设计及概念的理解

a.桩筏基础中筏板取值：

桩筏基础设计中对于筏板厚度的取值，一般是先按建筑层数估算筏板厚度，常规是按层数x50mm来估算。譬如说一幢十八层的小高层住宅，我们则先按18x50mm=900mm设定筏板厚，然后再根据排桩情况，分别验算角桩冲切，边桩冲切及墙冲切，群桩冲切。一般情况均为角桩冲切来控制板厚，但笔者在这里主要强调一个短肢剪力墙结构下的群桩冲切，短肢剪力墙结构由于墙体不封闭，故取值群桩冲切边界时有相当大的困难，而群桩冲切由于桩群重叠面积较大，应是一种不利状态。笔者一般是取值几个大层间近似作为冲切边界，所围区域内短肢墙体内力则作为抗力抵消，虽不完全准确，但区域放大后，边界的开口效应有所削弱，是可行的。

b.梁筏基础板筋位置：

性梁筏基础，由于考虑水浮力下底板所受向上的反向力，设计人员会要求筏板面筋能置于地梁主筋以下，而地梁配筋有时较多甚至配置双排筋，再加上梁箍筋则施工中引起板筋的弯折相当困难，遇到人防工程则更难施工。笔者认为从受力传递过程来说，板筋设置必须准确，但考虑施工困难及相应板保护层的损失，建议可以作适当放松，我院地下工程说明中规定底板面筋应有一半钢筋经斜折后放置在支承基础梁主筋下面，伸入梁内不小于15d，这是合理的。

c.强柱弱梁的设计理念：

强柱弱梁的概念主要是针对小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震设防目标而提出的。柱破坏了建筑物整个都会倾覆，而梁破坏则仅是某个区域失效，因此柱较之梁破坏的损害更大，当前我们的经济已高速发展，我们设计人员在设计中一定要将这一概念设计贯彻下去。其一必须严格控制柱轴压比，我们目前的计算均是基于小震下进行的，如果小震下柱子轴压比过高，则大震下地震力将对边柱产生一个巨大的附加轴力（有文章研究表明约增加30%），则柱子根本不可能有这点安全储备，在大震即会破坏，那又何谈大震不倒呢？笔者认为轴压比在任何情况下均不宜超过0.9%，且我们对柱断面及配筋设置时应分部位处理，建议边柱，角柱应适当加强，特别是角柱，建议应全柱加密箍筋，且配筋率不宜小于1%。所有框架柱，不包括小截面柱，笔者建议纵筋均应大于20，且柱筋品种不宜过多，矩形截面柱尽可能对称配筋。而对梁配筋笔者则建议应配足梁中部筋，而支座筋则可通过调幅让其适当降低，以使地震作用下能形成梁铰机制，防止柱先于梁屈服，使梁端能首先产生塑性铰，保证柱端的实际受弯承载力大于梁端的实际受弯承载力。

6.结语

总之，结构设计是个系统的，全面的工作。需要扎实的理论知识功底，设计人员要深刻理解规范和规程的含义，在工作中善于反思和总结经验教训，使我们的设计更经济合理。