如何正確理解和應用結構設計規(guī)范條文

1、如何正確理解和應用結構設計規(guī)范條文2016-05-22dichanMBA規(guī)范中有相當一部分條文(包括強制性條文)在使用時有一定的條件和范圍，不是任何情況都通用和正確。因此，設計人員對于規(guī)范條文的正確理解和應用是非常重要的。今天就邀請：結構大師程懋堃分享如何正確理解和應用規(guī)范條文，幫助結構設計人員避免概念錯誤，減少設計浪費和出現(xiàn)安全問題引言設計人員經(jīng)常需要查閱規(guī)范條文，以指導和協(xié)助自己的工作。對于各本規(guī)范的條文，不但對于其中重要的條款應熟記，而且對于各條文的含意應當正確理解，以便正確應用。規(guī)范中有相當一部分條文在使用時有一定范圍，不是任何情況都適用；有的規(guī)范條文內(nèi)容不明確，容易產(chǎn)生誤導；個別規(guī)范

2、條文甚至是強制性條文，可能無法執(zhí)行；還有個別條文甚至出現(xiàn)概念錯誤。因此，設計人員對于規(guī)范條文的正確理解和應用是非常重要的。如果錯誤地理解和應用了規(guī)范條文，輕則導致設計浪費，重則導致安全問題。本文將分別對上述各類問題加以敘述。1.條文要透徹，理解其制定目的高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（簡稱高規(guī)）規(guī)定：“房屋高度不超過50m時，8、9度抗震設計時宜采用現(xiàn)澆樓蓋結構；6、7度抗震設計時可采用裝配整體式樓蓋，且應符合下列規(guī)定：”其中第5款要求:“樓蓋每層宜設置鋼筋混凝土現(xiàn)澆層。現(xiàn)澆層厚度不應小于50mm，并應雙向配置直徑不小于6mm、間距不大于200mm的鋼筋網(wǎng)，鋼筋應錨固在梁或剪力墻內(nèi)。”高規(guī)制定本條

3、的目的是：當?shù)卣鸢l(fā)生時，地震產(chǎn)生的水平作用力要通過樓板傳遞并分配至各豎向構件。而預制板樓蓋的整體性不如現(xiàn)澆樓蓋，所以要在預制板上面設置厚度不小于50mm的鋼筋混凝土現(xiàn)澆層。因此，對此條款的正確理解是：水平作用力需要樓蓋來傳遞，如果不需要傳遞水平力，則現(xiàn)澆層不一定需要。下面舉個例子：北京某酒店高20層，其平面示意見下圖使用多年后需要翻新改建。該酒店縱橫方向均布置現(xiàn)澆的剪力墻，樓蓋為每開間一塊的預制雙向預應力大板，板的尺寸為3.6m（5.57）m。板面在預制時做成平滑表面，安裝后即直接鋪設面層（地毯或磁磚）。負責改建設計的結構工程師認為原設計板面無現(xiàn)澆面層，不符合規(guī)范。但是如果加現(xiàn)澆面層，將增加預

4、制板以及剪力墻的荷載，出現(xiàn)超載。于是甲方組織召開了專家討論會。筆者參加了此討論會并表達了自己的觀點:由于該工程剪力墻布置很密，每開間均有剪力墻，因此地震產(chǎn)生的水平力將在各開間由“當?shù)亍钡募袅Τ袚?，也即“各自為?zhàn)”，不需要傳遞水平力，因此可以不考慮高規(guī)第3.6.2條的要求，不需加設鋼筋混凝土現(xiàn)澆層。與會各位專家也都同意筆者的意見，不需在預制板上加現(xiàn)澆層，改建設計的難題就此順利解決。2.條文使用有范圍，不是任何情況下都能采用例如高規(guī)第:“當樓板平面比較狹長、有較大的凹入和開洞時，應在設計中考慮其對結構產(chǎn)生的不利影響。有效樓板寬度不宜小于該層樓面寬度的50%；樓板開洞總面積不宜超過樓面面積的30%

5、；在扣除凹入或開洞后，樓板在任一方向的最小凈寬度不宜小于5m，且開洞后每一邊的樓板凈寬度不應小于2m?！边@條要求常因不同的理解和解釋而困擾設計單位。有些施工圖審查單位，甚至對圖2中口字形建筑物中間的綠化面積，也視作“樓板開洞”，認為面積不能超過30。圖2口字形建筑物國外規(guī)范對這個問題有明確規(guī)定。例如美國混凝土學會ACI（American Concrete Institute）規(guī)范ACI318-20112中有一節(jié)專門說這個問題；新西蘭規(guī)范NZS3101-20063的第13章也是專門論述這個問題。美國波特蘭水泥協(xié)會PCA（Portland Cement Association）是一個非盈利組織，由

6、若干大水泥廠商資助，此協(xié)會專門研究有助于提高和推廣水泥制品的技術，其中重要的一項是鋼筋混凝土技術。ACI的每版混凝土規(guī)范出版后，PCA即出版一本應用ACI318規(guī)范的手冊，例如2008版的篇幅達900頁，它詳細解說了ACI318規(guī)范的各個章節(jié)，并用簡單的手算例題來幫助理解和正確應用規(guī)范。ACI318規(guī)范將傳遞水平力（包括地震力和風力）的樓板（屋頂板）稱為Diaphragm（橫隔板）。PCA08版手冊中，相應解釋橫隔板的定義和功能如下：在建筑工程中，橫隔板屬于結構構件，如樓板或屋頂板，它起著下列部分或全部功能：1）提供建筑物某些構件的支點，如墻、隔斷與幕墻，并抵抗水平力，但不屬于豎向抗震體系的一

7、部分；2）傳遞橫向力至豎向抗震體系；3）將不同的抗震體系中的各組成部分連成一體，并提供適當?shù)膹姸?、剛度，以使整個建筑能整體變形與轉動。新西蘭規(guī)范ZS3101-20063有關這方面的條文內(nèi)容如下：第13.2條明確橫隔板的定義為：相對較薄但剛度較大的水平結構構件，它傳遞平面內(nèi)的橫向力至豎向抗側力構件。第13.2條的解釋（即C13.2）為：本節(jié)提供對橫隔板的設計要求。其基本原則是能將建筑物中的所有抗側力構件有效地連結在一起。橫隔板的第一種作用，是將每層樓板看作一根水平深梁，將風或地震產(chǎn)生的力傳遞至各種抗側力構件，例如框架或結構墻。其第二種作用是在某一特定的樓層，將該樓層平面內(nèi)的巨大剪力從一個豎向抗側

8、力構件（例如核心筒）傳至另外的豎向抗側力構件（例如周邊的地下室外墻），見圖3(此圖是筆者按該新西蘭規(guī)范ZS3101-20063原意而繪制的)。圖3 地下室頂板(轉換層樓板)傳遞上部剪力至地下室抗側力構件示意美國和新西蘭規(guī)范都沒有樓板開洞面積百分比的限值。兩本規(guī)范都規(guī)定：應該對樓板傳遞水平力進行分析計算；當存在大開洞時，應注意樓板在其平面內(nèi)剛度無窮大的假設可能不成立。新西蘭規(guī)范提出一個判斷方法：當橫隔板（樓板）的最大橫向變形大于各樓板的平均變形的2倍時，即應考慮其柔性。這兩國的規(guī)范還強調：應注意隔板伸入豎向構件內(nèi)的鋼筋的錨固。筆者認為這一點對結構設計很重要，而我國的結構設計規(guī)范常忽略此點。從以上

9、介紹的美國及新西蘭規(guī)范可以知道，抗震、抗風建筑的樓板（屋頂板）除了需承載豎向荷載外，還需承擔將地震、風等產(chǎn)生的水平力，傳遞至豎向抗側力體系。再來看我國高規(guī)第3.4.6條，條文中寫明是樓板，當然是指建筑物的室內(nèi)的板，而不是指建筑物以外的部分。因此，圖2中所示的綠化面積不是建筑物的一部分，當然不能算“樓板開洞”。因此高規(guī)第3.4.6條的用意是：對于需要傳遞水平力的樓板（包括屋頂板），不宜在不恰當?shù)牟课婚_過大的洞。因此，不宜只限制開洞率的多少，而應根據(jù)開洞的部位是否阻礙了水平力的傳遞、開洞尺寸是否影響了水平力的傳遞等方面，去衡量該洞口是否可以設置。再舉個例子：圖4所示為一棟高層住宅平面示意。為了滿足

10、建筑的使用要求，建筑的四面都有較大的突出。設計時往往在樓層四面的突出部位之間布置拉梁，以增加其整體性，但是有的人卻把拉梁與外墻之間的空間（圖4中斜線填充部位）作為樓板開洞面積，這是錯誤的。高規(guī)中的用詞很明確，是“樓板開洞”，現(xiàn)在如果把建筑室外部分由拉梁與外墻圍成的空間也作為“樓板開洞”，這是任意擴大規(guī)范條文的限制范圍，是概念錯誤。圖4 高層住宅平面示意筆者認為規(guī)范制定本條的目的是：如果樓板開洞面積過大，將可能影響水平力的傳遞。如圖5所示，為一個工程的部分平面示意。當結構受到地震作用時，水平力將通過樓板傳遞到兩側的剪力墻。當在圖中樓板開洞2時，基本不影響水平力的傳遞，因此洞口大小可以基本不受限制

11、，只要不影響豎向荷載的安全即可。但如果樓板開洞1時，將影響水平力傳遞至剪力墻，因此洞口不宜太大，并宜按照“剪摩擦”（Shear friction）方法驗算樓板伸入墻內(nèi)的鋼筋，其強度應足以承擔水平力，而且鋼筋伸入墻內(nèi)應滿足受力錨固的要求。圖5樓板開洞位置示意因此，樓板是否可以開大洞，應視具體情況而定，不能一概而論。開大洞是否對受力有影響，要看開洞的位置是否合適，而且，30%這個限值是否有充分的根據(jù)，筆者也表示懷疑。還有的審圖人員將電梯井筒內(nèi)的樓板開洞，也認為是不利因素，將其開洞面積也計入。事實上，電梯井洞四周的混凝土墻，是能傳遞水平力的，所以電梯樓板洞口不能算不利因素。樓梯間周圍如果有封閉的混凝

12、土墻（墻上可以開洞），也應與未開洞同樣對待。高規(guī)第3.4.7條的條文說明：“高層住宅建筑常采用艸字形、井字形平面以利于通風采光，而將樓電梯間集中配置于中央部位。樓電梯間無樓板而使樓面產(chǎn)生較大削弱，此時應將樓電梯間周邊的剩余樓板加厚，并加強配筋。外伸部分形成的凹槽可加拉梁或拉板，拉梁宜寬扁放置并加強配筋，拉梁和拉板宜每層均勻設置。”此條文說明也有錯誤。實際工程中沒有設計人員將樓電梯間周邊的剩余樓板加厚，并加強配筋。樓電梯間的四周如有鋼筋混凝土墻時，對于力的傳遞，因為有墻的“補強”，應無影響，可以不必認為是開洞面積。如圖6所示，鋼梁開洞，用鋼板補強，其作用與電梯洞口四周的混凝土墻類似。圖6鋼梁開洞

13、補強示意3 .個別條文甚至是條，可能無法執(zhí)行建筑地基基礎設計規(guī)范第8.2.7條第4款以及第8.4.13條及建筑地基基礎設計規(guī)范第8.4.18條都提出：當?shù)讓又幕炷翉姸鹊燃壌笥跀U展基礎及梁板式筏基的混凝土強度等級時，應驗算基礎頂面的局部受壓承載能力。以上兩條條文都是強制性條文，條文中規(guī)定應按照現(xiàn)行混凝土結構設計規(guī)范驗算。但是，現(xiàn)行混凝土結構設計規(guī)范及上一版的混凝土結構設計規(guī)范中的局部承壓計算方法，只適用于預制構件之間的接觸面的驗算或后張預應力筋錨頭的接觸面配置間接鋼筋的驗算,對于現(xiàn)澆配筋的柱與基礎之間的局部受壓承載能力驗算并不適用。因為柱子有很多縱筋伸入基礎，傳遞了大量內(nèi)力，所以混凝土結構設

14、計規(guī)范的計算方法并不適用。但是規(guī)范中又沒有這種情況的適用方法，因此究竟應如何驗算，需要做大量的試驗及研究工作。綜上所述，建筑地基基礎設計規(guī)范4,5的某些強制性條文也是無法實施的。4.個別條文，概念不一定正確，應予修正建筑地基基礎設計規(guī)范4,5中，對于筏板基礎中的雙向板，要求既驗算沖切，又驗算剪切。這是一個概念錯誤。按照材料力學原理，單向受力構件需驗算剪切，雙向受力構件需驗算沖切，沒有又驗算剪切又驗算沖切的。而且根據(jù)建筑地基基礎設計規(guī)范所繪的示意圖（圖7），永遠是里面的虛線控制。因為里邊的虛線周長最短，而我國規(guī)范，抗沖切與抗剪切的允許應力都是0.7ft 。因此，起控制作用的是距支座h0處的底板周

15、長，所以永遠是剪切起控制作用，這是不合理的。圖7筏板基礎中雙向板驗算沖切和剪切周長示意因為，首先不應要求計算剪切；其次要求計算兩種受力情況受沖切與受剪切，結果卻始終由一種情況，也即受剪切起控制作用，那么，為什么要求驗算兩種情況呢？因此，在筆者主編的北京地區(qū)地基基礎設計規(guī)范和全國民用建筑工程設計技術措施結構（地基與基礎分冊）9中就規(guī)定，對于筏板基礎中的雙向板，只需驗算沖切，不需驗算剪切。5.部分條文修改，材料消耗大、太浪費混凝土結構設計規(guī)范中的受彎構件斜截面承載力的計算公式為：Vcs=0.7tbh0+1.25yv h0現(xiàn)行混凝土結構設計規(guī)范中將該式修改為：Vcs=0.7tbh0+yv h0上兩式

16、相比，后者箍筋用量增加了約20%，而在2002年2010年期間，并未出現(xiàn)因箍筋不足而發(fā)生安全事故，在實際震害調查中也未出現(xiàn)因地震作用而導致梁發(fā)生剪切破壞。這種修改，造成無謂的浪費，不知是否有充分理由。6 關于受沖切承載力計算我國混凝土結構設計規(guī)范6,7對于受沖切承載力的要求過于保守。抗剪切的允許應力是0.7ft，抗沖切也是0.7ft，二者等值。剪切是單向受力，沖切是雙向受力，后者比前者有利，是不應該相等的。美國規(guī)范ACI318中，抗剪切允許公式采用（fc是圓柱體抗壓強度，類似我國的fc）。抗沖切允許公式采用，比抗剪切允許值大了1倍。美國規(guī)范ACI318對于不利情況下的允許值要予以折減，有如下兩

17、個公式：式中是柱子長短邊的比例；系數(shù)的取值如下：內(nèi)柱=40，邊柱=30，角柱=20。我國混凝土結構設計規(guī)范（GB 500102010）6也引用了這個概念，有如下兩個公式：以上兩式的含意與美國規(guī)范ACI318完全相同，也是對于不利情況下的折減。但是美國規(guī)范ACI318是在抗沖切應力允許值增加1倍的情況下加以折減，而我國的抗剪切與抗沖切應力完全相同的情況再予以折減，是太保守了的。這是引用外國規(guī)范卻未吃透其意義的一個例子。以上來自建筑結構2012第12期7.程懋堃語錄（非常經(jīng)典）一、 已建成的工程，不等于是成功的工程。二、 不迷信規(guī)范，不墨收成規(guī)。三、學習外國經(jīng)驗時，有一個基本國情不能忘記我們勞動力

18、豐富，工資低。四、 框架結構的適用高度抗震規(guī)范表6.1.1,在8度區(qū)可至45m，不是指的普通民用建筑。劇場、體育館等大跨度公共建筑，不應劃在“框架結構”范圍內(nèi)。五、 建筑物的高寬比，不應是一種限制。不應當作為一個審查內(nèi)容，應當是教科書的內(nèi)容。六、 不能完全相信電算結果，一定要仔細校核。下面是大師語錄詳解一、 已建成的工程，不等于是成功的工程有些工程，建成之后，可以認為是成功的。例如，某些新型的基礎做法（樁，復合地基等等），在房屋建成后，沉降量不大，造價便宜，施工方便，等等，這種基礎新做法，在房屋建成后，等于是進行了一次荷載試驗，所以，可以認為是經(jīng)過了考驗，是成功的。但是，對于抗震設防的工程，你

19、所設計的建筑物的抗震能力，究竟如何，在未經(jīng)過真正地震考驗之前，是不能肯定下結論的。當然，現(xiàn)在有許多抗震試驗方法，整體模型試驗、振動臺、構件試驗等等，但它們與真正接受地震考驗，還是不一樣的。有些構件，在試驗室的試驗效果不錯，但真正遇到大地震，還是不能承受。例如日本七八十年代的格構SRC柱，在95年阪神地震時破壞較多，但試驗室效果是不錯的。因此，不經(jīng)過真正地震考驗，是不能算真正成功的。我國最近發(fā)展了不少采用鋼管混凝土柱的高層建筑。鋼管砼柱是一種較好的構件，鋼管對于砼的約束，比箍筋強得多。但是，鋼管砼柱如果用RC梁，則梁柱節(jié)點如果處理不好，在強烈地震時可能會發(fā)生問題，尤其是有些構造做法，過于簡單，我

20、對它的抗震性能，是有些懷疑的。這種做法，雖然在試驗室中做過試驗，但未經(jīng)過真正強震考驗，其效果究竟如何，應當仔細研究。異形柱結構在我國某些地區(qū)，用得很多，我對異形柱的抗震性能，是抱懷疑態(tài)度的。尤其是在高烈度地區(qū)，更應慎重。有人說，全國已經(jīng)建了那么多，但它都未經(jīng)地震的考驗。最近見到一本全國性的異形柱設計規(guī)程的征求意見稿，竟然規(guī)定異形柱框架結構在8度區(qū)可建到6層高，這似乎太冒進了！不要說異形柱，就是普通方形（矩形）柱的框架結構，在8度區(qū)真正遇到8度地震時，至少其圍護結構和填充墻之類的非結構構件會發(fā)生許多破壞（1976年唐山地震已有證明）。二、 不迷信規(guī)范，不墨收成規(guī)簡單說，規(guī)范是一些有經(jīng)驗的研究人員

21、與工程師共同研究的成果，它是將實際工程經(jīng)驗與科研成果綜合編制而成的。它不代表我國的最高技術水平，有時是各種因素折中的產(chǎn)物。要想編出完全適應于各種工程情況的規(guī)范，實際上是不可能的。因此，不能把任何工程情況都要由規(guī)范來解決，規(guī)范絕不是萬能的。規(guī)范是根據(jù)過去的工程成果編成的，它只能代表過去的成果，不能預見新事物的成長、新技術的誕生。所以，千萬不能以“規(guī)范上沒有”而不讓新技術、新體系、新結構的產(chǎn)生。一般情況下，都是先有工程實踐和科學試驗，然后再有規(guī)范，象現(xiàn)在這樣的施工圖審查，拿著規(guī)范一條條查，還能有新技術出現(xiàn)嗎？三、學習國外經(jīng)驗時，不能忘記我們的基本國情。在土建工程方面，我們的勞動力，既豐富，工資又低

22、，這是與國外截然不同的。例如，國外的鋼結構，多是在鋼梁上安放壓型鋼板，然后鋪設鋼筋，澆搗砼。這樣可以省去支模板的工序，節(jié)約勞動力，工效也高。但是，壓型鋼板與普通支模板的做法相比，造價高不少（不能周轉，一次性）。在發(fā)達國家，工人工資很高，可達我們的3050倍，所以，有時他們寧可多費些材料以節(jié)約人工，反而合算。而我們與他們不一樣，不能同樣做。我在設計海口金融中心（52層）工程時，鋼梁中距4m，采用支模澆灌100厚的現(xiàn)澆板，效果很好，節(jié)約大量的壓型鋼板。利用RC樓板的強度與剛度，與焊接工字鋼形成復合梁，這樣，又可節(jié)約梁的重量。又例如，現(xiàn)在許多工程的基礎都采用厚板，以前我們筏板基礎大多是做的基礎反梁帶

23、底板。這兩種做法各有優(yōu)缺點，總的說來，厚板耗費材料較多，造價較貴，但節(jié)省人工；后者則相反，材料消耗較少，造價較低，但人工較費。在發(fā)達國家，如前所述，人工價值高，故多做厚板；在我們，如條件合適，還是以梁板式筏基為宜。尤其新的地基規(guī)范，將核心筒周邊影響系數(shù)，取為1.25，更增加了平筏板的厚度。因此，建議在可能情況下，設計成梁板式筏基。四、 框架結構的適用高度在抗震規(guī)范表6.1.1中，對于框架結構的適用最大高度，7度區(qū)為55m，8度區(qū)為45m，這些高度，對于一般民用建筑，都是太高了。如果在8度區(qū)設計一棟45m高的民用建筑，層數(shù)將達1215層，這樣的框架結構，梁、柱截面將非常大，而且在地震時，由于側向

24、位移較大，圍護結構、隔墻、管道等將遭到較大破壞，即使主體結構損壞不大，其余的損失也將很巨大。唐山地震時，影響到北京的烈度僅為6度，但王府井百貨大樓（框架結構）6層一個角的圍護墻倒塌，幸未傷人，但造成停業(yè)損失很大，其他例子還很多。在89抗震規(guī)范中，表6.1.1的最大適用高度也是這個數(shù)字。我曾問過當時的主編龔思禮同志，為什么定得這么高？他說是由于化工廠一類的廠房，其機器裝置高度很高，每層廠房層高往往達到10m以上，所以45m也就只有三層。因此，一般民用建筑不能按照這種最大適用高度?？蚣芙Y構層數(shù)多了之后，不但抗震性能不好，而且耗鋼量大，很不經(jīng)濟?？拐鹨?guī)范表6.1.2中，將“劇場”，體育館等大跨度公共建筑，列入“框架結構”欄目內(nèi)，我個人以為不夠妥當。例如劇場，一般由舞臺、觀眾廳與門廳三部分