从安全方便经济角度谈对相关结构设计概念的理解

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论文摘要
  各种结构设计规范中的理论都来自于工程实践,是长期现场施工过程中积累的经验总结。一项工程的结构设计,要综合结构安全、施工方便、经济合理等方方面面的影响因素,对这些因素考虑越细致、施工现场亲身体会越深刻,工程的结构设计就越合理。亲身去施工现场体验往往不是每一位结构设计工程师都能做到的,正因为无法亲身去体验,使得结构工程师进行工程设计时对某些设计概念的理解、做法存在偏差。本文结合笔者近几年在施工现场对影响设计方方面面因素的亲身体验,从如何进行工程设计才能更安全合理、更方便施工、更经济的角度思考,浅谈对相关设计概念的理解,与读者一起交流、分享。
  
  1 关于强柱弱梁的设计概念
  
  强柱弱梁的概念是针对小震不坏,中震可修,大震不倒的抗震设防目标而提出的,并且规范提出了很多的保证措施: 控制柱子的轴压比,加密角柱、边柱箍筋,包括结构计算时弯矩调幅等等,这些措施就是为了提高柱子的安全储备,避免柱子先于梁破坏。上述概念每个结构工程师都很清楚,工程结构设计中也是这么做的。但是,如果在施工现场仔细观察,或者经常到施工现场处理结构施工时因施工不规范出现的问题,就会发现在结构设计强柱弱梁的概念中,强柱强到什么程度,弱梁弱到什么程度,对“度”的把握还需要进一步加强。
  
  没有在施工现场亲身体验、不经常处理结构施工中因施工不规范出现问题的结构设计人员,对结构设计存在两个误区,或者说是两个盲点: 一是把施工现场理想化了,认为施工中钢筋绑扎都很规范,梁柱支模都很规范,每层柱根清理很干净等等,只要设计的图纸没问题,合格工程、优良工程是自然而然的事; 二是进行结构计算时,按规范控制轴压比确定的柱子截面配筋往往都偏小,设计员在脑子里形成了惯性思维,总认为按轴压比确定的柱子截面还可以再小一点。由于这两个盲点的存在,设计人确定柱截面时,仅仅满足规范规定的柱截面最小值,这就使得施工中可能有不规范现象发生,强柱弱梁的概念得不到体现,还容易引发结构安全事件。不得不现场处理,既耽误了工期,又造成不同程度的浪费。
  
  那么施工现场是什么样子呢? ①柱子烂根现象比较普遍。近几年笔者多次到工程施工现场,发现大都存在柱子烂根现象,柱子烂根现象能占到柱子总数的 20%甚至更多,尽管有些柱子烂根现象比较轻微,不需要处理。究其原因,一是在柱子、梁、板支模时杂物掉落到柱根的现象普遍存在,在柱子、梁、板支模完成后,再清理柱根既没有产值又很费事,在施工、监理单位没有专人负责的情况下,柱根清理往往不彻底或根本不清理; 二是泵送混凝土时,冲洗泵送混凝土管道的水泥浆( 对于高层建筑或远距离泵送水泥浆量还很大) 往往没有彻底处理掉,没处理掉的水泥浆一般都流到了柱子的根部,造成柱子烂根现象; ②混凝土振捣不密实。混凝土振捣不密实在柱根及梁柱交接处更容易出现。这是因为在振捣柱根部混凝土时,往往一次泵入混凝土量过大,振捣棒插入柱根底部困难,造成混凝土振捣不密实; 在梁柱交接处,梁负筋有时两排或三排,梁端部钢筋还要弯勾,梁、柱箍筋都要加密,有时还有电线管线穿过柱子,使得梁柱交接处的钢筋密密麻麻,根本插不进振捣棒,也容易造成混凝土振捣不密实。
  
  根据施工现场普遍存在的现象,虽然不是设计的责任,但是从施工安全、施工方便的角度考虑,设计人员应该把握以下几点: ①对于层高比较高的建筑物,宜适当加大柱子截面; ②对于高层建筑,宜适当加大柱子截面; ③对于梁负筋比较多的梁柱交接处,宜适当加大柱子截面; ④框架结构设计时尽量增加钢筋直径,减少钢筋数量。
  
  2 关于结构计算公式中的参数取值问题
  
  工程结构设计规范中计算公式很多,计算参数就更多。
  
  对于材质均衡的结构材料规范规定的参数取值是确定的,其可变性比较小,计算结果可信度高。比如钢材、混凝土等材质均衡的材料,只要把参数代入公式计算出结果,按照计算结果进行图纸设计都没问题。但是,对涉及到土力学参数的结构如地基基础、挡土墙、基坑支护等进行设计时,应用土力学的参数代入计算公式,其计算结果就要谨慎采用。一是因为土的力学性能本身可变性大,其密度、饱和度、孔隙率等等稍有变化,对计算参数的取值影响就很大; 二是国家规范规定的参数取值大都不是定值,而是一个范围,取值范围内的参数上限值、下限值代入公式后,往往又经过平方、三次方、甚至四次方,或者开平方、开三次方、甚至开四次方,这样参数采用上限值和采用下限值计算出的最终结果相差较大,甚至相差好几倍。
  
  笔者参加了四川“5·12”大地震中倒塌的北川擂鼓中学援建项目,在排水洪沟挡土墙施工时,第一次提供的图纸中,挡土墙断面底部宽 6. 6 m,顶部宽 1. 2 m,根据以往挡土墙设计的经验,对于地基承载力达 180 kPa,高 6 m 左右的挡土墙来说,笔者认为断面偏大。经分析认定是土力学计算参数取值出了问题,也就是说地质勘察资料提供的土力学计算参数不够准确,机械的将参数代入公式计算出的结果和实际情况不相符。后来经过反复讨论研究并调整了土力学计算参数后,重新进行了设计。实际实施的挡土墙断面底部宽仅为 2. 10 m,顶部宽仅为 0. 50 m,该挡土墙建成 3 年来并没有出现任何安全问题,修改后的挡土墙造价仅为原来挡土墙造价的 1/4.由此看来,对土力学参数的取值如果不认真分析、对涉及到土力学参数的计算结果不谨慎采用,会造成较大的浪费。
  
  根据以往的设计经验,进行地基基础、挡土墙、基坑支护等设计时,设计人员一定要充分认识土力学参数的可变性。一旦对计算结果有疑问,首先要咨询提供地质勘察资料单位经验丰富的工程师,了解哪些参数对计算结果影响较大,参数取值的上下限各是多少,进一步验证计算结果; 其次要查询以往类似工程设计情况,并认真比对分析,找出差异; 三要请有经验的工程师参与讨论、研究。如此,才能在保证工程安全的前提下,尽量避免浪费。
  
  3 关于砖混房屋的基础设计刚度和整体性
  
  提出这个问题讨论,主要是因为实际工程中,出现裂缝的房屋比较多,特别是砖混房屋出现裂缝的就更多,并且一旦出现裂缝很难处理彻底。不管房屋是新建还是年代久远,不管裂缝是内八字还是外八字,不管是因为散水渗漏还是其他原因,房屋裂缝大都与地基基础相关。
  
  既然房屋裂缝大都与地基基础有关,那么在进行砖混结构房屋基础设计时,适当增加基础的刚度和整体性,尽可能花少量的经费避免房屋裂缝,是一个结构工程师应该考虑的。笔者认为应该把握以下三点: ①基础断面数量不宜过多。以 4 层砖混房屋为例,其基础断面数量 4 ~5 个就足够了: 主承重墙一个断面,外墙、走廊墙一个断面,上部大房间下部小房间墙一个断面,内隔墙一个断面。如果对基础断面不适当归并,根据基础计算宽度相差 100 ~ 200mm 就分设断面,自认为设计很细致,由于土力学参数的可变性太大,地基不均匀现象普遍存在,可能设计与实际情况并不相符。因此,对基础断面适当归并,适当减少基础断面数量是必要的; ②走廊内的基础适当拉通。走廊内的基础拉通对整个基础的刚度影响很大,特别是走廊比较长时更是如此。建议门厅两侧的基础拉通,其他位置每隔 2 ~3 个开间拉通一次比较合适; ③构造柱宜通至基础底,不宜圈梁上起柱。现在砖混房屋一般都采用钢筋混凝土条形基础,在 -0. 050 标高处设置圈梁,部分设计人员喜欢自圈梁上起构造柱,虽然结构安全上没问题,笔者还是建议构造柱通至基础底。这样多花少量的经费,对于加强基础的整体性、整栋建筑的整体性、防止房屋裂缝都大有好处。
  
  4 关于现浇混凝土板的钢筋间距问题
  
  提出这个问题讨论,笔者主要是从经济节约角度、施工安全、方便角度考虑的。按说钢筋间距的取值只要不违反国家标准规范,钢筋间距大点( 比如间距 200 mm) 、小点( 比如间距 100 mm) 都没错,但是从经济节约角度考虑,间距的大小不容忽视。
  
  根据施工现场管理经验,钢筋直径代换、间距调整等问题施工队提得比较少,劳务层提得多,这是由于劳务层不参加图纸会审,他们跟设计人员的交流比较少,他们的意见建议也不容易反馈到设计人员那里去。现实情况是:
  
  劳务层工人绑扎钢筋是按绑扎钢筋的重量计酬的,同样重量的钢筋因为钢筋直径不同、间距不同,劳动量相差很大。以 10 000 m2的建筑为例,现浇板的钢筋绑扎面积大约14 000 m2( 板底部钢筋及上部负筋总面积) .如果钢筋间距100 mm,每 m2钢筋交点 100 个,梅花式绑扎( 隔一绑一)要绑扎 50 个点; 如果钢筋间距 150 mm,每 m2钢筋交点 36个,梅花式绑扎仅需绑扎18 个点; 钢筋间距150 mm 和100mm 相比,每平方米减少绑扎点 32 个,整栋楼( 钢筋绑扎面积约 14 000 m2) 能减少绑扎点 44 万个。这个数量是很大的,每个绑扎点需要 2 跟绑扎钢筋的钢丝,44 万个绑扎点需要 88 万根绑扎钢筋的钢丝,再加上钢筋剪断、弯勾、搬运等,减少的工作量、节约的经费相当可观。如果钢筋直径加大到 200 mm,节约的劳动力、经费则更大。
  
  从施工角度来分析,前些年施工技术比较落后,都是用手推车运混凝土,相对劳动强度不算太高,对钢筋的踏踩相对轻微; 采用泵送混凝土技术后,要两个人配合才能操作泵送管,泵送混凝土时对钢筋的踏踩特别严重。再加上钢筋绑扎和混凝土浇筑不属于同一个劳务层,不便于管理、协调,对踏踩过的钢筋不能及时调整。因此,要求钢筋间距不能太大。根据施工现场的经验,现浇板的钢筋间距在 150 ~200 mm 之间比较合适。钢筋直径大时,钢筋间距适当大些,钢筋直径小时,钢筋间距适当小些。对于雨蓬、阳台、檐口等悬挑板,其上部受力钢筋及分布钢筋间距均不宜超过 150 mm.
  
  5 结束语
  
  工程结构设计标准规范及结构设计概念来源于实际工程,实际工程中影响工程结构设计方方面面的因素又很多。
  
  对施工过程中遇到的影响设计的因素,从理论上认真分析、研究,在实际施工建设中多观察、思考、比对,才能更深刻理解结构设计标准规范、结构设计概念,进而采取有效措施,创造出结构安全、施工方便、经济合理的优秀设计工程。
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