混凝土結構的設計要點

馬智英，關洪成

（1.中國建筑科學研究院建研航規北工（北京）工程咨詢有限公司，北京100013；2.中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司，北京100013）

1 引言

混凝土結構設計的內容龐雜，構造要求較多，設計者在設計中常常因為對結構概念的理解不全面、不到位而導致設計錯誤。本文基于此對混凝土結構中的一些常見問題做一分析和總結。

2 常見的強制性標準

2.1 結構設計總說明中應強調以下強制性標準

1）縱向鋼筋的抗拉強度實測值和屈服強度實測值的比值不能過低（應不小于1.25），屈服強度的實測值和屈服強度的標準值的比值不能過大（應不大于1.3）。這樣的規定是保證梁柱節點處的塑性鉸能夠按照設計的意圖出現在梁上。

該條應用于框架（包括各種結構形式中的框架和框支框架）和斜撐構件（包括梯段）。

2）在混凝土結構中經常用到的預埋件等鋼材屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值應不大于0.85，并且還需要滿足伸長率、可焊接性和沖擊韌性的要求。

3）在結構設計總說明中應該注明，未經技術鑒定和設計許可，在設計使用年限內不得改變結構的用途和使用環境。這條是對設計者的保護，同時也是建筑物進行加固改造的設計條件。

4）用較高強度等級的鋼筋替代較低強度等級的受力鋼筋時，應按照鋼筋的受拉承載力設計值等強的原則換算，同時應滿足最小配筋率要求。

2.2 計算參數中應注意的強制性條款

1）有斜交抗側力構件的結構，當相交角度大于15°時，應分別計算各抗側力構件方向的水平地震作用。

2）在抗震設防烈度為8～9度的地區，大跨度和長懸臂結構應計算豎向地震作用。

該條的條文說明提到，對于8度地區，跨度大于24m的屋架為大跨度結構，懸挑2m以上的陽臺和走廊等為長懸臂結構。懸挑2m以上的梁也是長懸臂結構。

3）僅GB 5009—2012《建筑結構荷載規范》第5.1.1條的表5.1.1中1.（1）項所列的建筑類型才能按照第5.1.2條的第2款第1項折減柱、墻荷載。

這些建筑類型為住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫院病房、托兒所、幼兒園。折減系數見表1。

表1 住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫院病房、托兒所、幼兒園建筑的折減系數

4）框架結構中的圍護墻和隔墻都會對主體結構抗震產生不利影響，所以，框架結構要做周期折減，周期折減系數一般不大于0.7。

在該條的條文說明中提到，如果填充墻與主體結構采用柔性連接或完全脫開，可以只考慮填充墻的重力而不考慮其剛度和強度的影響。所以，當全部采用柔性連接的填充墻時，可以看做是一種特殊情況。

5）乙類建筑即重點設防類建筑，應按高于本地區抗震設防烈度一度的要求加強抗震措施。同時，應按本地區抗震設防烈度確定地震作用，也就是說，抗震的計算（包括地震加速度、特征周期等）按照本地區的標準無需提高，抗震措施（包括抗震等級、強柱弱梁的調整系數、抗震構造措施等）都有按照提高一度之后的相應的標準采用。常見的乙類建筑有：幼兒園、中小學的教學用房和學生宿舍、食堂；養老建筑；人員密集的大型的多層商場（大型商場指一個區段人流5 000人，換算的建筑面積約17 000m2，或者營業面積7 000m2以上的商業建筑。當商業建筑與其他建筑合建時，商業區段為重點設防類，非商業區段可以不提高設防類別。但是，如果上部樓層區段為乙類，則下部樓層區段也應為乙類）。

2.3 常見的與配筋率相關的強制性條款

1）樓板等受彎構件的受力鋼筋最小配筋率需要滿足max{0.2，45ft/fy}。該條的注解提到：當采用等級為400MPa、500MPa的鋼筋時，最小配筋率允許采用 max{0.15，45ft/fy}。其中，ft為混凝土軸心抗拉強度設計值；fy為普通鋼筋強度設計值[1]。

對于基礎筏板，板內受力鋼筋的最小配筋率應不小于0.15%。對于人防荷載效應組合控制的基礎筏板的的最小配筋率應滿足 0.25（C25～C35）、0.30（C40～C55）等。以上的配筋率均為單層鋼筋。

2）地下室外墻的豎向鋼筋需要滿足受彎構件的最小配筋率 max{0.2，45ft/fy}。

人防地下室外墻的豎向鋼筋需要滿足人防工程受彎構件的最小配筋率 0.25（C25～C35）、0.30（C40～C55）等。

以上的配筋率均為單側鋼筋。

3）框架梁的梁端縱向受拉鋼筋的配筋率大于2%時，箍筋的最小直徑應比按相應的抗震等級規定的箍筋直徑增大2mm。這是因為配筋率較大的時候應該增加截面的延性，以保證地震情況下可以按照設計意圖在梁端出現塑性鉸，增大箍筋可以改善截面的延性。

4）梁端截面的底部和頂部的縱向鋼筋配筋量的比值，在抗震等級為一級時應不小于0.5，在抗震等級為二、三級時應不小于0.3。這條實際上是為了保證梁端截面的混凝土受壓區的截面不會由于壓力過大而產生壓碎現象的脆性破壞。在設計中，當框架梁的部分下鐵不伸入支座時，尤其應注意該條款的規定。

5）剪力墻的豎向分布鋼筋和水平抗剪鋼筋的最小配筋率均應不小于0.25%。部分框支剪力墻結構的落地剪力墻底部加強部位的豎向分布鋼筋和水平抗剪鋼筋的配筋率均應不小于0.3%。

3 嵌固端及相關問題

3.1 地下室頂板作為上部結構的嵌固端

當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，地上1層的側向剛度小于等于相關范圍的地下1層側向剛度的0.5倍（見圖1）。相關范圍指主樓地上部分的范圍周邊向外擴展2跨或不大于20m的范圍[2]。

圖1 某工程首層結構與地下1層結構的剛度比

3.1.1地下室頂板作為上部結構嵌固部位的幾種特殊情況

1）緊鄰下沉式廣場或庭院的地下1層外墻，同時滿足以下2個條件時：（1）當其總長度不大于建筑平面總周長的1/4；（2）某側的長度不大于相應單邊邊長的1/2時，可以按上述剛度比驗算的結果判斷地下1層頂板是否可以作為上部結構的嵌固端。

2）主樓首層底板頂與周邊相連地下室頂板有高差時：（1）首層底板頂與周邊地下室頂板高差不大于梁高，且主樓首層與相關范圍內地下1層側向剛度之比滿足嵌固部位要求時，可將主樓首層底板作為嵌固部位；（2）首層底板頂與周邊地下室頂板高差大于梁高，且主樓首層與主樓范圍內地下1層側向剛度之比不大于0.5時，可將主樓首層底板作為嵌固部位，地下1層應按錯層結構采取加強措施。

3.1.2 地下1層頂板作為上部結構的嵌固端相關的問題

1）地下部分的抗震等級：地下1層的抗震等級應與上部結構相同，地下1層以下的抗震構造措施的抗震等級可逐層降低一級，但不應低于四級。

2）對于框架柱，地下1層的柱截面每側縱向鋼筋應不小于地上1層柱對應縱向鋼筋的1.1倍。

3）對于剪力墻的暗柱，地下1層的墻肢端部邊緣構件縱向鋼筋的截面面積應不少于地上1層對應的邊緣構件縱向鋼筋的截面面積。

4）剪力墻的底部加強部位應從地下室頂板開始，當首層結構墻肢底截面的軸壓比大于以下數值時，應設約束邊緣構件（見表 2）。

表2 設置約束邊緣構件的軸壓比

約束邊緣構件的范圍應為底部加強部位加上與底部加強部位相鄰的上一層。約束邊緣構件中所配的箍筋需要滿足最小體積配箍率ρv的要求。各層約束邊緣構件的最小體積配箍率ρv均統一以地面1層的軸壓比作為標準進行計算，而不是以各自層的軸壓比計算。

體積配箍率和軸壓比的關系見表3。

表3 體積配箍率和軸壓比的關系

5）地下各層均不是底部加強部位，可以僅設構造邊緣構件，即暗柱箍筋不必考慮體積配箍率的要求。

3.2 基礎頂作為結構的嵌固部位

當地下1層頂板不滿足作為上部結構的嵌固條件時，應該把結構嵌固端延伸到基礎頂的部位。

基礎頂作為嵌固端的相關問題：

1）地下部分的抗震等級：地下各層的抗震等級都要與上部結構的抗震等級相同。

2）地下1層柱和地下1層頂部梁的配筋應按嵌固在基礎和嵌固在地下室頂板包絡設計。

3）剪力墻的底部加強部位除滿足地上部分規定的高度之外，還應從地下室頂板開始向下延伸到基礎頂部。首層剪力墻的墻肢底部的軸壓比滿足表2的限值時，均應在墻肢的端部設約束邊緣構件，地下各層也要設約束邊緣構件，地下各層的約束邊緣構件的體積配箍率均應按照地上1層的軸壓比進行計算。

4 結構計算和主要計算參數

1）對于框架結構，當采用鋼筋混凝土現澆樓梯時應考慮樓梯的剛度對地震作用的影響。否則，應在樓梯的端頭設滑動支座。

2）計算彈性層間位移角時，可以采用連梁不折減的模型計算結果。

3）對于工業項目，地震作用計算的重力荷載代表值的組合值系數不應采用0.5。

4）調整信息：裝配式結構中現澆部分地震內力放大系數為1.1。

5 關于鋼結構的一些基本原則

1）當上部主體結構為鋼結構，嵌固在混凝土地下室頂板時，應參照結構體系相近的混凝土結構確定地下1層的混凝土結構的抗震等級。例如，鋼框架結構可參照混凝土框架結構，鋼結構中心支撐框架和偏心支撐框架（延性墻板）結構可參照混凝土框架-剪力墻、框架-核心筒結構，鋼結構筒體可參照混凝土筒中筒結構[3]。

地下1層以下各個樓層的抗震構造措施的抗震等級可逐層降低。

2）不得采用同層同時存在混凝土框架柱和鋼框架柱2種不同材料的抗側力構件。鋼結構框架柱的承載力高，允許的層間位移比較大，混凝土框架柱則相反，同層同時采用會導致混凝土提前進入塑性狀態甚至過早破壞，而鋼結構仍處于彈性狀態，二者不能協調工作。

3）當采用下部為鋼筋混凝土結構，上部為鋼結構的結構類型時，應符合下列要求：

（1）上部鋼結構的層數和高度，應計入房屋的層數和總高度中，其層數及總高度的限值宜按其底部的結構類型確定。

（2）頂部有2層及以上鋼結構時，設計單位應進行專門研究和論證，針對抗震設計存在的不利因素采取技術措施，建設單位應組織相關專家進行審查，以專家的審查意見作為施工圖審查的依據之一。

6 其他的注意事項

1）乙類建筑宜進行彈塑性變形驗算。

2）框架結構應提供彈塑性變形驗算結果（采用GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）5.5.4條提供的簡化算法）。否則，應提供樓層屈服強度系數不小于0.5的計算結果作為不驗算彈塑性變形的依據。

3）高層的多塔結構應提供切分的單塔模型的計算結果作為結構扭轉周期與平動周期比值驗算的依據。

4）地基處理后的地基抗震承載力的提高系數的取值在按照GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）的表4.2.3選取時，表中的fak應為天然土層的地基承載力特征值。

5）對于混凝土結構對地下1層頂板或者地下工程的地下1層的頂板，無論有無柱帽，根據《關于加強地下室無梁樓蓋工程質量安全管理的通知》（住建部建辦質〔2018〕10號），需要設置暗梁，暗梁構造參照GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）第6.6.4條第1款：暗梁的寬度取柱寬及柱兩側各不大于1.5倍板厚，暗梁支座上部鋼筋面積應不少于柱上板帶鋼筋面積的50%，暗梁下部鋼筋宜不少于上部鋼筋的50%，箍筋直徑應不小于8mm，間距宜不大于3/4倍板厚，肢距宜不大于2倍板厚，在暗梁兩端應加密。

通過柱截面或柱帽沖切錐體范圍內的板底連續鋼筋作為暗梁下鐵，其總截面積還應滿足6.6.4條第3款要求。

式中，As為柱兩個方向的單側鋼筋面積之和（即兩側鋼筋的面積之和而不是4個方向鋼筋面積之和）；NG為柱子在負載范圍內的重力荷載代表值下的軸力；fy為鋼筋的屈服強度。

6）高寬比大于4.0的裝配式結構，應補充結構在設防烈度水平地震作用下的內力分析，并宜避免預制墻板構件出現小偏拉。分析時，可采用彈性假設計算，荷載的分項系數可取1.0；不過出現小偏心受拉，預制墻板構件平均拉應力應不大于預制墻板構件混凝土抗拉強度標準值。

7）GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）6.1.5條規定：甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應采取單跨框架結構，高度不大于2m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構。對此，提出以下幾點建議：

（1）多層丙類建筑采用單跨框架結構時，應采取比規范更嚴格的設計措施，如提高抗震等級、更嚴的軸壓比限值和位移限值等；4層及以上時框架柱按中震彈性或中震不屈服進行設計。

（2）甲、乙類建筑以及高層的丙類建筑，應避免采用，當無法避免時，應進行性能化設計。

不超過3層的甲、乙類建筑，框架柱按中震彈性進行設計。4層及以上的甲、乙類建筑和高層丙類建筑，原則上不允許采用，如使用功能確有需要，框架柱按大震不屈服、框架梁按中震彈性或更高的性能目標進行設計[4，5]。

7 結語

結構構件的配筋率、結構不同部位的剛度比等概念是混凝土結構設計的核心理論基礎，是保證混凝土結構的延性設計從而提高混凝土結構抗震性能的主要內容。深入理解和把握這些設計概念和內容對于提高人們的設計水平和保證結構設計的安全性和經濟性都大有裨益。