如何正确理解和应用结构设计规范条文

1如何正确理解和应用结构设计规范条文2016-05-22规范中有相当一部分条文(包括强制性条文)在使用时有一定的条件和范围，不是任何情况都通用和正确。因此，设计人员对于规范条文的正确理解和应用是非常重要的。今天就邀请：结构大师程懋堃分享《如何正确理解和应用规范条文》，帮助结构设计人员避免概念错误，减少设计浪费和出现安全问题引言设计人员经常需要查阅规范条文，以指导和协助自己的工作。对于各本规范的条文，不但对于其中重要的条款应熟记，而且对于各条文的含意应当正确理解，以便正确应用。规范中有相当一部分条文在使用时有一定范围，不是任何情况都适用；有的规范条文内容不明确，容易产生误导；个别规范条文甚至是强制性条文，可能无法执行；还有个别条文甚至出现概念错误。因此，设计人员对于规范条文的正确理解和应用是非常重要的。如果错误地理解和应用了规范条文，轻则导致设计浪费，重则导致安全问题。本文将分别对上述各类问题加以叙述。1.条文要透彻，理解其制定目的《高层建筑混凝土结构技术规程》（简称高规）规定：“房屋高度不超过50m时，8、9度抗震设计时宜采用现浇楼盖结构；6、7度抗震设计时可采用装配整体式楼盖，且应符合下列规定：…”其中第5款要求:“楼盖每层宜设置钢筋混凝土现浇层。现浇层厚度不应小于50mm，并应双向配置直径不小于6mm、间距不大于200mm的钢筋网，钢筋应锚固在梁或剪力墙内。”高规制定本条的目的是：当地震发生时，地震产生的水平作用力要通过楼板传递并分配至各竖向构件。而预制板楼盖的整体性不如现浇楼盖，所以要在预制板上面设置厚度不小于50mm的钢筋混凝土现浇层。因此，对此条款的正确理解是：水平作用力需要楼盖来传递，如果不需要传递水平力，则现浇层不一定需要。下面举个例子：北京某酒店高20层，其平面示意见下图2使用多年后需要翻新改建。该酒店纵横方向均布置现浇的剪力墙，楼盖为每开间一块的预制双向预应力大板，板的尺寸为3.6m×（5.5～7）m。板面在预制时做成平滑表面，安装后即直接铺设面层（地毯或磁砖）。负责改建设计的结构工程师认为原设计板面无现浇面层，不符合规范。但是如果加现浇面层，将增加预制板以及剪力墙的荷载，出现超载。于是甲方组织召开了专家讨论会。笔者参加了此讨论会并表达了自己的观点:由于该工程剪力墙布置很密，每开间均有剪力墙，因此地震产生的水平力将在各开间由“当地”的剪力墙承担，也即“各自为战”，不需要传递水平力，因此可以不考虑高规第3.6.2条的要求，不需加设钢筋混凝土现浇层。与会各位专家也都同意笔者的意见，不需在预制板上加现浇层，改建设计的难题就此顺利解决。2.条文使用有范围，不是任何情况下都能采用例如高规第:“当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞时，应在设计中考虑其对结构产生的不利影响。有效楼板宽度不宜小于该层楼面宽度的50%；楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30%；在扣除凹入或开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5m，且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2m。”这条要求常因不同的理解和解释而困扰设计单位。有些施工图审查单位，甚至对图2中口字形建筑物中间的绿化面积，也视作“楼板开洞”，认为面积不能超过30﹪。图2口字形建筑物3国外规范对这个问题有明确规定。例如美国混凝土学会ACI（AmericanConcreteInstitute）规范ACI318-2011[2]中有一节专门说这个问题；新西兰规范NZS3101-2006[3]的第13章也是专门论述这个问题。美国波特兰水泥协会PCA（PortlandCementAssociation）是一个非盈利组织，由若干大水泥厂商资助，此协会专门研究有助于提高和推广水泥制品的技术，其中重要的一项是钢筋混凝土技术。ACI的每版混凝土规范出版后，PCA即出版一本应用ACI318规范的手册，例如2008版的篇幅达900页，它详细解说了ACI318规范的各个章节，并用简单的手算例题来帮助理解和正确应用规范。ACI318规范将传递水平力（包括地震力和风力）的楼板（屋顶板）称为Diaphragm（横隔板）。PCA08版手册中，相应解释横隔板的定义和功能如下：在建筑工程中，横隔板属于结构构件，如楼板或屋顶板，它起着下列部分或全部功能：1）提供建筑物某些构件的支点，如墙、隔断与幕墙，并抵抗水平力，但不属于竖向抗震体系的一部分；2）传递横向力至竖向抗震体系；3）将不同的抗震体系中的各组成部分连成一体，并提供适当的强度、刚度，以使整个建筑能整体变形与转动。新西兰规范ZS3101-2006[3]有关这方面的条文内容如下：第13.2条明确横隔板的定义为：相对较薄但刚度较大的水平结构构件，它传递平面内的横向力至竖向抗侧力构件。第13.2条的解释（即C13.2）为：本节提供对横隔板的设计要求。其基本原则是能将建筑物中的所有抗侧力构件有效地连结在一起。横隔板的第一种作用，是将每层楼板看作一根水平深梁，将风或地震产生的力传递至各种抗侧力构件，例如框架或结构墙。其第二种作用是在某一特定的楼层，将该楼层平面内的巨大剪力从一个竖向抗侧力构件（例如核心筒）传至另外的竖向抗侧力构件（例如周边的地下室外墙），见图3(此图是笔者按该新西兰规范ZS3101-2006[3]原意而绘制的)。4图3地下室顶板(转换层楼板)传递上部剪力至地下室抗侧力构件示意美国和新西兰规范都没有楼板开洞面积百分比的限值。两本规范都规定：应该对楼板传递水平力进行分析计算；当存在大开洞时，应注意楼板在其平面内刚度无穷大的假设可能不成立。新西兰规范提出一个判断方法：当横隔板（楼板）的最大横向变形大于各楼板的平均变形的2倍时，即应考虑其柔性。这两国的规范还强调：应注意隔板伸入竖向构件内的钢筋的锚固。笔者认为这一点对结构设计很重要，而我国的结构设计规范常忽略此点。从以上介绍的美国及新西兰规范可以知道，抗震、抗风建筑的楼板（屋顶板）除了需承载竖向荷载外，还需承担将地震、风等产生的水平力，传递至竖向抗侧力体系。再来看我国高规第3.4.6条，条文中写明是楼板，当然是指建筑物的室内的板，而不是指建筑物以外的部分。因此，图2中所示的绿化面积不是建筑物的一部分，当然不能算“楼板开洞”。因此高规第3.4.6条的用意是：对于需要传递水平力的楼板（包括屋顶板），不宜在不恰当的部位开过大的洞。因此，不宜只限制开洞率的多少，而应根据开洞的部位是否阻碍了水平力的传递、开洞尺寸是否影响了水平力的传递等方面，去衡量该洞口是否可以设置。再举个例子：图4所示为一栋高层住宅平面示意。为了满足建筑的使用要求，建筑的四面都有较大的突出。设计时往往在楼层四面的突出部位之间布置拉梁，以增加其整体性，但是有的人却把拉梁与外墙之间的空间（图4中斜线填充部位）作为楼板开洞面积，这是错误的。高规中的用词很明确，是“楼板开洞”，现在如果把建筑室外部分由拉梁与外墙围成的空间也作为“楼板开洞”，这是任意扩大规范条文的限制范围，是概念错误。图4高层住宅平面示意笔者认为规范制定本条的目的是：如果楼板开洞面积过大，将可能影响水平力的传递。如图5所示，为一个工程的部分平面示意。当结构受到地震作用时，水平力将通过楼板传递到两侧的剪力墙。当在图中楼板开洞2时，基本不影响水平力的传递，因此洞口大小可以基本不受限制，只要不影响竖向荷载的安全即可。但如果楼板开洞1时，将影响水平力传递至剪力墙，因此洞口不宜太大，并宜按照“剪5摩擦”（Shearfriction）方法验算楼板伸入墙内的钢筋，其强度应足以承担水平力，而且钢筋伸入墙内应满足受力锚固的要求。图5楼板开洞位置示意因此，楼板是否可以开大洞，应视具体情况而定，不能一概而论。开大洞是否对受力有影响，要看开洞的位置是否合适，而且，30%这个限值是否有充分的根据，笔者也表示怀疑。还有的审图人员将电梯井筒内的楼板开洞，也认为是不利因素，将其开洞面积也计入。事实上，电梯井洞四周的混凝土墙，是能传递水平力的，所以电梯楼板洞口不能算不利因素。楼梯间周围如果有封闭的混凝土墙（墙上可以开洞），也应与未开洞同样对待。高规第3.4.7条的条文说明：“高层住宅建筑常采用艹字形、井字形平面以利于通风采光，而将楼电梯间集中配置于中央部位。楼电梯间无楼板而使楼面产生较大削弱，此时应将楼电梯间周边的剩余楼板加厚，并加强配筋。外伸部分形成的凹槽可加拉梁或拉板，拉梁宜宽扁放置并加强配筋，拉梁和拉板宜每层均匀设置。”此条文说明也有错误。实际工程中没有设计人员将楼电梯间周边的剩余楼板加厚，并加强配筋。楼电梯间的四周如有钢筋混凝土墙时，对于力的传递，因为有墙的“补强”，应无影响，可以不必认为是开洞面积。如图6所示，钢梁开洞，用钢板补强，其作用与电梯洞口四周的混凝土墙类似。图6钢梁开洞补强示意63.个别条文甚至是条，可能无法执行《建筑地基基础设计规范》第8.2.7条第4款以及第8.4.13条及《建筑地基基础设计规范》第8.4.18条都提出：当底层柱的混凝土强度等级大于扩展基础及梁板式筏基的混凝土强度等级时，应验算基础顶面的局部受压承载能力。以上两条条文都是强制性条文，条文中规定应按照现行《混凝土结构设计规范》验算。但是，现行《混凝土结构设计规范》及上一版的《混凝土结构设计规范》中的局部承压计算方法，只适用于预制构件之间的接触面的验算或后张预应力筋锚头的接触面配置间接钢筋的验算,对于现浇配筋的柱与基础之间的局部受压承载能力验算并不适用。因为柱子有很多纵筋伸入基础，传递了大量内力，所以《混凝土结构设计规范》的计算方法并不适用。但是规范中又没有这种情况的适用方法，因此究竟应如何验算，需要做大量的试验及研究工作。综上所述，《建筑地基基础设计规范》[4,5]的某些强制性条文也是无法实施的。4.个别条文，概念不一定正确，应予修正《建筑地基基础设计规范》[4,5]中，对于筏板基础中的双向板，要求既验算冲切，又验算剪切。这是一个概念错误。按照材料力学原理，单向受力构件需验算剪切，双向受力构件需验算冲切，没有又验算剪切又验算冲切的。而且根据《建筑地基基础设计规范》所绘的示意图（图7），永远是里面的虚线控制。因为里边的虚线周长最短，而我国规范，抗冲切与抗剪切的允许应力都是0.7ft。因此，起控制作用的是距支座h0处的底板周长，所以永远是剪切起控制作用，这是不合理的。图7筏板基础中双向板验算冲切和剪切周长示意因为，首先不应要求计算剪切；其次要求计算两种受力情况——受冲切与受剪切，结果却始终由一种情况，也即受剪切起控制作用，那么，为什么要求验算两种情况呢？因此，在笔者主编的《北京地区地基基础设计规范》和《全国民用建筑工程设计技术措施结构（地基与基础分册）》[9]中就规定，对于筏板基础中的双向板，只需验算冲切，不需验算剪切。5.部分条文修改，材料消耗大、太浪费《混凝土结构设计规范》中的受弯构件斜截面承载力的计算公式为：Vcs=0.7ƒtbh0+1.25ƒyvh07现行《混凝土结构设计规范》中将该式修改为：Vcs=0.7ƒtbh0+ƒyvh0上两式相比，后者箍筋用量增加了约20%，而在2002年~2010年期间，并未出现因箍筋不足而发生安全事故，在实际震害调查中也未出现因地震作用而导致梁发生剪切破坏。这种修改，造成无谓的浪费，不知是否有充分理由。6关于受冲切承载力计算我国《混凝土结构设计规范》[6,7]对于受冲切承载力的要求过于保守。抗剪切的允许应力是0.7ft，抗冲切也是0.7ft，二者等值。剪切是单向受力，冲切是双向受力，后者比前者有利，是不应该相等的。美国规范ACI318中，抗剪切允许公式采用（fc’是圆柱体抗压强度，类似我国的fc）。抗冲切允许公式采用，比抗剪切允许值大了1倍。美国规范ACI318对于不利情况下的允许值要予以折减，有如下两个公式：式中是柱子长短边的比例；系数的取值如下：内柱=40，边柱=30，角柱=20。我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）[6]也引用了这个概念，有如下两个公式：以上两式的含意与美国规范ACI318完全相同，也是对于不利情况下的折减。但是美国规范ACI318是在抗冲切应力允许值增加1倍的情况