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岩土研究院

多年建筑结构设计优化经验介绍

309 2020-12-23 08:57:41

近年来工程事故也不断出现,浙江省最近的玉环某项目整体突然下落20多公分,早些时候还有宁波、衢州住宅倒塌事件,最近全国有多起地下室顶板采用无梁楼盖发生冲切破坏。甲方为能让项目更安全、更适用、更经济、更方便施工,就对结构设计优化咨询有了需求。


一个好的结构设计要达到既不浪费,又安全,也就是说组成结构的每个构件的安全度都在一个合理的能力范围内。如果某些构件安全度过大,某些构件安全度过小,这样的设计既不安全又浪费。为了避免将这样的设计用在施工中,根据市场需要就产生了结构优化咨询的公司。


那为什么设计院本身不会把握这个问题呢?设计院出来的图纸既经济又安全不是更好吗!这主要是有如下问题。其一是大部分设计人员都是用软件进行结构设计,没有注重结构概念设计,缺乏判断计算机计算出来的结果是否合理;其二是留给结构专业设计人员的时间都很紧张。大家都知道每个设计院结构专业是最辛苦的,加班加点是经常有的,甚至通宵加班。几乎没有留足时间给校对、审核人员对设计进行把关。一个没有真正把关过的结构设计作品不可能是既经济又安全的。


其实对设计进行咨询是国际惯例,设计国外项目都有咨询公司,设计图纸都必须由咨询公司签字盖章后才能施工。国际上咨询公司也是业主聘请来的,咨询公司不但要对设计进行咨询,而且在施工时也对施工进行咨询,有点相当于我们国家的施工监理公司。由于国际上都实行总承包的,所以业主聘请来的咨询公司一般不会提出更经济的设计方案为总承包方节省造价的,都是提出让总承包方增加造价的设计方案。


不管是民用建筑结构,还是工业建筑结构,±0.000以下部分都是优化的重点。南方软土地区桩基的选型都是最容易产生优化效益的。要根据工程勘察报告对各种基础型式进行技术经济比较,还要比较施工工期选择出综合效益最好的基础型式供甲方、设计方参考。在优化设计过程中,经常遇见在基岩中采用筏板基础,钻孔灌注桩基础在卵石层不考虑注浆,我司在本省一个项目中,将桩持力层上提,再采用桩底注浆技术,为甲方节省了桩的造价900万元。民用建筑的地下室也是优化的重点,其顶板、中间楼层、防水板我司均有一套经济的选型方案。地下室的抗浮设计,方案的好差对造价影响比较大。如将抗浮锚杆分散布置在结构自重和恒载不够的合适地方,作用于防水板上的浮力直接由抗浮锚杆来平衡,缩短了浮力的传导途径。防水板由浮力产生的弯矩大大减小,能减小防水板的厚度和配筋。水压力作用在顶板、底板、外墙上,其水压力分项系数的合理取值,都将减少这些构件的钢筋含量;这些构件要进行裂缝宽度计算,计算时合理地选取平时水头都将大大降低这些构件的造价。纯地下室部分往往有覆土,高品质小区为了种大树覆土厚度都大于1500mm,厚的有2000mm、2500mm。覆土厚度越大,顶板结构荷载就越大,对于大板结构我司建议采用支座加腋大板能降低顶板的造价。我司建议的主梁部分梁底筋不锚入支座,不但改善了框架的抗震性能,也方便了施工,更节省了钢筋并保证了柱混凝土浇捣密实。


工业建筑,特别是单层工业厂房,当有吊车且起重量比较大时,柱底的弯矩和剪力就比较大。这时如果还采用普通的柱下独基就可能导致柱基为了平衡力矩而做的很大,通过采用偏心基础,减小作用在基础上的力矩,控制零应区从而把基础底面积大大减小。


民用住宅建筑±0.000以上部分优化的量一般不是很大。成熟公司不去扣设计院很反感的一根根构件的截面优化。绝不去做3C16改2C16+1C14的优化工作。但是工业建筑上部结构还是有一定的优化点的。例如台州的某给多层厂房案例,由于工艺要求厂房柱网尺寸比较大,设计院初步设计是采用空心楼板板柱剪力墙结构的。由于厂房层高较大,设计院剪力墙采用的厚度为500mm,厚度根据规范还远远不够。设计院考虑了这样的优化建议,施工图设计改成为部分预应力框架结构,不但造价大大降低了,节省造价非常可观,而且没有了超厚的剪力墙,厂房更好用了,受到了甲方和设计院的一致好评。工业建筑最大的特点是使用荷载大,但是这些荷载都有个特点的,如均布的板面使用荷载,都是局部荷载等效出来的。所以不能都根据这个均布荷载取值去算梁、柱、基础。要根据各个构件负荷面积的大小来确定其使用荷载数值,不然的话就是前面所说的负荷面积大的构件安全度太大而浪费。建议设计院计算各个构件采用不同的使用均布活荷载,桩、承台、柱、框架梁都大大减小。不但节省了大量的造价,柱子截面小了厂房更满足工艺要求,框架梁截面高度小了,厂房净高大了,通风采光都大大改善。


在门式刚架轻型钢结构房屋方面,着重在斜梁合理形状方面、构件拼接节点位置方面、隅撑设置方面及支撑设置方面等做文章。斜梁的形状和截面高度尽量与承受的弯矩图相吻合,斜梁腹板和翼缘板的宽厚比都要控制在经济合理的范围内。梁柱的拼接节点尽量地选择在弯矩较小的部位以减小高强螺栓数量,各拼接段长度在满足运输要求的前提下尽量地长些,以减少拼接节点数量。根据隅撑的作用确定设隅撑的位置以减小隅撑的数量。门式刚架轻型钢结构的支撑系统包括屋面水平支撑、柱间支撑和檩条、墙梁支撑系统。屋面水平支撑系统应尽量做到山墙的水平荷载直接传给屋面水平支撑,不给边榀刚架斜梁带来不利的扭矩和水平向受弯。除此之外,檩条、墙梁的合理截面尺寸和连接方式也在我司的考虑范围之内,什么时候采用铰接檩条,什么时候采用刚接檩条都要经过技术经济比较后确定。


现在房子越造越高,超高层建筑经常遇到。为了减小竖向构件截面面积,以至于对房子的使用功能产生尽可能小的影响,柱、墙、梁采用钢、混凝土组合结构的现在很普遍。如型钢混凝土柱、梁、剪力墙,钢管混凝土柱等。对组合结构的各构件进行有效的分析、比较可大幅度降低组合结构的含钢量。组合结构的构件往往在钢与混凝土之间采用栓钉抗剪,合理的布置和精细化分析计算栓钉数量可以大幅减少。柱、钢梁拼接节点,都有精细化设计分析降低造价的空间。超高层建筑往往有多层地下室,我司遇到过一个项目有三层地下室,上部结构柱采用矩形钢管混凝土柱,地下室部分采用普通混凝土柱,设计误会了《组合结构设计规范》7.4.3条,将条文中“可”字理解为“应”,把上部结构的矩形钢管柱全部伸到柱基础内。我司按《高层民用建筑钢结构技术规程》3.4.2条和3.4.5条提出矩形钢管延伸至计算嵌固端以下一层,设一层钢管混凝土过渡层的优化建议,被设计和图审所接受。节省了1000吨钢管。


今年经常发生无梁楼盖的地下室顶板冲切破坏。网上有专家分析造成无梁楼盖的冲切破坏有三个方面,第一是设计人不熟悉软件冲切计算的输出结果。软件输出要配置抗冲切箍筋或弯筋的都没有配上。第二是软件不是万能的,部分软件不能有效的考虑不平衡弯矩,普通点的能计算得清楚,构件的布置不规则的可能就算不清楚,看看计算结果是够的其实是不够的。第三是过度优化,有些优化公司将计算模型中的柱帽尺寸、板厚改小,模型也没有不够的显示,就建议设计修改了。其实已经不够,只不过软件由于构件布置不规律造成的错觉。第四是施工时顶板临时堆土过大造成的。如1500mm厚的覆土,施工时可能堆了3000mm到4000mm厚的土都有可能。有梁时其梁的抗剪强度都有很多富裕,所以没有出事。无梁楼盖其抗冲切强度如富裕不够就出事了。


无梁楼盖地下室顶板出事了,有的地区、有的开发商就要求地下室顶板不能用无梁楼盖。其实无梁楼盖不是新生事物,以前都有的。国家的几轮规范修改还将抗冲切公式中的系数由0.6改为0.7,说明抗冲切计算还有一定的富裕。我司认为只要计算准确的,施工不大量堆载的就没有问题。作为优化咨询公司,都会对采用无梁楼盖的设计进行人工手算复核。经过人工复算(可能会)发现几个无梁楼盖的抗冲切是不足的,虽然从软件结果看是够的。如一个项目地下室有6.3米水头水压的防水板,采用一柱一桩和一柱两桩及一柱三桩承台兼作下柱墩的。优化报告上提出的单桩承台、两桩承台、三桩承台兼作的下柱墩抗冲切可能不够。设计回复软件计算够的,再手算了单桩承台和两桩承台,其抗冲切相差甚远,用具体数据说服设计院把桩承台尺寸放大至抗冲切足够为止。友情提醒设计院,无梁楼盖属于危重点,设计说明要写清楚施工期间不能过度超载。


很多项目桩基础出事都出在桩的负摩阻力上。如玉环的某项目,就是没有考虑深厚回填土固结过程中产生的桩负摩阻力的影响所至。遇到过这样的项目,设计为了工期将三层高的主楼桩基承台标高降到了临近的一层地下室桩承台一样的标高。±0.000以下到承台面柱子有5~6米高,柱子四周的回填土对柱子肯定有类似于桩的负摩阻力的。再次友情提醒设计院这段柱的设计计算要考虑负摩阻力引起的柱的压力的增加。抗震轴压比控制时也应考虑土对柱的负摩阻力引起的轴力。原房子才三层,柱子都很小的,增加了负摩阻力引起的轴力,柱强度和轴压比就可能超规范要求。


上述项目将主楼承台降到地下室桩基一样的标高,桩基设计时承台上的回填土的荷载不可忽视。先手算了原一柱一桩的,改用一柱四桩可能够,但是桩大幅增加是不可能的,桩都没地方布置。再建议提升主楼桩基标高,来减小承台上的土重。或者增加桩长来提高单桩承载力,再增加部分桩的方案供设计选择。这种情况桩上荷载相差很大,如不改进,出事的概率是很大的。


再说另一个项目,地下室竖向构件下采用以砾石土层为持力层的钻孔桩基础。防水板以下为约14m厚的流塑状的深厚淤泥土,设计桩基础设计时没有考虑防水板自重和防水板上的恒、活荷载。我司认为桩基沉降有限,而防水板下的淤泥土产生沉降后防水板荷载必定传导桩基础上去了,桩基一点不考虑防水板荷载是不安全的。建议不要考虑这种流塑状深厚淤泥土支承防水板的能力,因为前人有很多经验告诉我们,防水板底可能是脱空的。如果全部防水板荷载由桩基承受,每个柱下要分担到约750KN桩基荷载,这样原来很多承台上桩都是不够的。最后设计采纳了这样的建议,不够的都补足了桩,避免了工程事故的发生。

做设计咨询优化是一件非常有意义的脑力劳动,不仅可以为社会节省资源、为开发商节省造价,关键是为业主提供了更好用更安全的房屋。


稿源:《万丈七维》

作者: 王向火、陈勇

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