教你如何做出合格的结构设计！

 一.结构设计或审查的基本原则 

符合规范、安全可靠、合理经济、施工方便

1、结构体系、结构布置、荷载、强度、刚度、构造、计算，等等，均应符合规范要求（规范用词为“宜”、“可”的，也应尽可能执行，有不少设计人员认为可不执行，是不对的），不能只要求不违反规范的强制性条文。《建设工程质量管理条例》和《建设工程勘察设计管理条例》都规定：“设计单位未按照工程建设强制性标准进行设计的”，要“责令改正，处10万元以上30万元以下罚款”，我国的国家设计规范都是强制性标准。

2、规范未列入的结构体系（如异形柱框架结构，当地已有地方规程的除外）及超高超限建筑应进行专项审查。

3、要安全可靠，但不要太浪费保守，要合理经济，在正常施工条件下，按我国规范设计是能够保证工程安全的。笔者曾经设计5层砖混结构办公楼，非抗震，条石基础，用钢量只有4.6kg/m2，至今完好无损。

4、要方便施工：如混凝土强度等级种类不要太多（商品混凝土1个强度等级级差，价格约差10元/m3，大约影响建筑造价2元/m2，在一个构件内配筋不要太复杂（钢筋直径及根数不要有太多种）。

5、设计要考虑施工质量等因素，如民工素质、压价竞争、行贿送礼、偷工减料、伪劣建材（如地条钢屡禁不绝）、垂直度偏差、混凝土保护层厚度偏差，等等，施工的结果与设计的理论条件是有较大差距的，切不要太理想化。

二.做好设计或审查工作的前提条件 

1、“三基”：基本知识、基本理论、基本技能。力的概念、传力途径、基本计算公式等应掌握。

1）梁上起柱，是否要加附加横向钢筋？可以不加[1]。

2）有楼梯计算程序在计算梯板的负弯矩时取M=qL2/24，没有根据。

3）偏心受压基础计算：除考虑柱脚弯矩外，还应考虑柱脚水平剪力V产生的附加弯矩，不少设计人员就未考虑，使基础面积、配筋偏小。

2、熟悉规范，并应正确理解规范的含义及意图

（如梁附加横向钢筋的作用及设置），规范也有不少不妥之处，规范之间也有矛盾，对规范就高不就低，按“大规范”不按“小规范”。

总工程师、主任工程师、审定人、施工图审查人员必须熟悉规范，一个小单位有一个人熟悉规范，就好办了。

3、结构方案应是集体智慧的结晶，要讨论、集思广益，然后定案。

4、施工图设计开始前应由专业负责人会同审核人、审定人确定设计技术条件或措施。

5、管理制度、岗位责任制：设计人、制图人、校核人、专业负责人、审核人、审定人，均应由本专业人员担任，注册工程师签章宜是专业负责人，起码是参与本工程的，图纸、计算书至少“三签字”，签字不要滥竽充数（笔者审查过的工程，就有结构校核人由建筑专业人员担任的，也有所有岗位的签字为同一人的笔迹，也有大型专业设计院的总工程师签建筑、结构、给排水、电气、通动等所有专业的审定人，制图人甚至签字为“CAD”，这样的签字有什么意义？）；有的设计单位不设置“专业负责人”岗位，不妥。

6、工作责任心、一丝不苟的工作态度、精益求精、对自己的签名（名字）负责。设计人自校最重要。

7、设计经验非常重要：老中青，传帮带；学习、汲取别人、前人的经验（包括订杂志）；总工程师、主任工程师、施工图审查人员必须具有丰富的设计经验；审定人、审核人、施工图审查人员如果对规范不熟悉又缺乏设计经验，怎么能审查别人的设计？

8、自我保护意识：不能听任建筑专业、业主的无理要求，进行违规设计。

9、对建筑（土木）工程设计是高风险行业应有充分的认识。

结构设计担负房屋安全的大部责任；终生责任制；全额索赔；严重的负刑事责任。但不少设计人员对此并没有真正认识。我们应正确对待：不害怕，精心设计。推行设计保险。

1）建筑（土木）工程事故会造成群死群伤、财产损失巨大。国内每年都有大大小小的事故，国外也有不少事故。除施工方特别恶意的严重偷工减料外，房屋垮塌可以说都是设计不当造成的。

2）房屋倾斜，墙体、楼板开裂经常发生。

3）设计不管施工，施工质量设计人无法控制。

4）结构设计受制于建筑专业、业主；建筑专业、业主又大多不懂结构；如《建筑抗震设计规范》规定：“建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案”，建筑平面、立面和竖向剖面宜规则，谁来把关？建筑说了算？结构说了算？笔者认为，建筑（特别是高层建筑）设计方案应该由结构专业定案，但在国内实际上往往无法实施。

国际大师林同炎设计的尼加拉瓜马那瓜市18层美洲银行采用对称布置的剪力墙核心筒结构，在1972年12月23日6.5级地震（9度）中只有8～17层核心筒体的连系梁上有轻微的斜裂缝，其它都完好，而相距很近的15层中央银行采用双柱框架（框架梁跨度达12.50m）结构并将两个电梯井筒偏置在一端，破坏严重，修复费用高达房屋造价的80％，这充分证明结构概念设计的重要性。

5）施工质量出问题，牵连设计、勘察单位，如上海某工程楼面浇注混凝土时支模跨塌死13人，施工、设计、勘察单位均被吊销执照。

6）中国规范安全度远低于发达国家。

7）结构专业需学习、掌握的知识太多。中国有关结构设计及施工验收的规范（规程）多达数百本，既细又不细，熟悉不容易，互相矛盾的也不少，对规范理解各人不同，执行起来千差万别。

8）主管部门设计质量抽查及发生质量事故时对设计单位及执业人员的处罚：罚款、停业整顿、吊销执照。

9）火灾：消防是由建筑、水、电设计负主要责任，但结构专业也可能受牵连，衡阳大火垮楼即是明证。

10、正确认识计算机及设计、计算软件的作用。现在的设计或计算软件远未达智能化，它只是一个设计或计算工具（相当于古老的算盘、计算尺）而已，你输入的结构体系和结构布置不管是什么样的（包括违反规范规定的），也不管你的电算总信息是否牛头不对马嘴，它都能计算，判断正确与否还是要靠人的大脑。特别是现在年轻的一代设计人员，不少人盲目信赖计算机，而不重视概念设计，是不可能作出合格的结构设计的。

三.关于电算问题 

1、总信息取值：前提条件、很重要，否则计算无意义。虽然各种电算程序对总信息的取值都有详细的说明或规定，但不少设计人员并未充分了解其含义，取值不妥屡有发生。

1）混凝土容重宜取27～30：梁、柱、剪力墙等考虑粉刷或装饰面层后的容重应大于25kN/m3，如考虑粉面20厚砂浆，柱400×400：γ=（4402-4002）×20/4002+25=4.2+25=29.2，柱600×600：γ=（6402-6002）×20/6002+25=2.7555+25=27.8，柱1000×1000：γ=（10402-10002）×20/10002+25=1.632+25=26.632，梁250×500（板厚按100mm计）：γ=（290×420-250×400）×20/（250×500）+25=3.488+25=28.5，梁300×800（板厚按100mm计）：γ=（340×720-300×700）×20/（300×800）+25=2.9+25=27.9，剪力墙厚200：γ=40×20/200+25=4+25=29，剪力墙厚300：γ=40×20/300+25=2.67+25=27.67，可见，梁、柱、剪力墙截面尺寸越小容重越大，如贴面砖、花岗石，容重还要加大，设计人应综合考虑本工程梁、柱、剪力墙的截面尺寸大小及面层材料，确定一个较合适的混凝土容重值。

2）周期折减系数Tc：必须折减，否则使地震作用偏小，应根据本工程填充墙的多少来确定周期折减系数值，填充墙多取小值，填充墙少取大值，《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》3.3.16条规定“计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减”是强制性条文，一般框架结构取0.6～0.9，剪力墙结构取0.9～0.99，框剪结构取0.7～0.9，高规3.3.17条规定剪力墙0.9～1是不妥的，应0.9～0.99，1就是不折减了，算不算违反强制性条文？但如是全剪力墙（即无非承重墙体的）结构，周期折减系数取1是应可以的。

3）计算结构的周期、位移、层刚度比时，应采用刚性楼板假定。如楼板开有大洞或楼板不连续，应再按弹性楼板计算结构内力。

4）振型数：采用刚性楼板假定时，平动≤计算层数，耦联≤计算层数×3。笔者见到一个计算层数为10层的框架结构，采用刚性楼板假定，不考虑耦联分析，振型数填12，输出的第11、12振型周期竟达146.5、56.6秒，说明第11、12振型周期本来是不存在的，计算机只得随机抓取数据填充，这样的计算分析结果自然是不能采用的。当按弹性楼板计算时，振型数可超过上述限值。

5）梁刚度增大系数：中梁2、边梁1.5（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》5.2.2条规定1.3～2.0），否则使地震作用偏小。

6）梁端弯矩调幅系数：0.8～0.9（《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》5.2.2条），一般可填0.85。有些设计人员（包括大型甲级设计院的技术负责人）规定梁端弯矩不调幅，是不大恰当的，因为更容易引起梁端负弯矩钢筋过大、根数过多，影响混凝土浇筑，且配筋率更容易超过2.5％（强制性条文）及梁下部钢筋与梁端负弯矩钢筋的比值不满足规范要求（强制性条文），再者，梁端负弯矩一般均比梁跨中下部弯矩大得较多，试举一例：梁端负弯矩800kN.m，梁跨中弯矩400kN.m，如取梁端弯矩调幅系数0.85，则梁跨中弯矩应为400+800×0.15=400+420=520kN.m，如不考虑梁端弯矩调幅，梁跨中弯矩增大1.2倍，则梁跨中弯矩为400×1.2=480＜520kN.m，使梁下部钢筋偏小，不妥。

7）梁端弯矩考虑柱宽影响标志：当已填梁端弯矩调幅系数，则不宜再考虑柱宽作为刚域对梁端负弯矩的折减。

8）梁跨中弯矩增大系数：1～1.4，一般可填1，配筋时再酌情加大1.2～1.4倍。如程序设定为“梁弯矩增大系数”，即正、负弯矩都增大，则应填1，程序设定考虑负弯矩调辐后又将负弯矩增大是没有道理的。

9）梁扭矩折减系数：0.4，填扭矩刚度折减对梁扭矩的折减效果较小。

10）连梁刚度折减系数：0.5～0.55（《建筑抗震设计规范GB 50011—2001》6.2.13条2款、《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3—2002》5.2.1条都规定不宜小于0.5）。

11）0.2Q0力调整：框剪结构对框架柱必须调整。

12）小塔楼地震作用放大系数：SATWE、TAT：   平动时3～5振型：≤3，6～9振型时：≤1.5，耦联时9～11振型：≤3，12～15振型时：≤1.5；TBSA：不放大。

13）基本风压：取50年一遇，高≥60m及对风敏感的结构取100年一遇，基本风压值见荷载规范。注意：新规范没有对基本风压进行修正（即对高层建筑取1.1倍基本风压）的说法了。

14）地面粗糙度：D（4）类（密集高层市区）慎用，只有当本工程的四周均有高于本工程的建筑物时，才可填D（4）类。

15）风载体型分段数：应分段，一般可每隔3层左右分1段，如多、高层建筑，只填1段，则风载偏大。有些电算程序（如SATWE、TAT）规定最多只能分3段。笔者见到1幢12层的房子，分1段，最高层数错填为8，上面4层无风载，属不安全。

16）混凝土保护层厚度：梁25（混凝土C20时30），柱30。

17）P-△效应：高层建筑应考虑（《高层建筑混凝土结构技术规程。多层建筑要考虑，应是可以的。

18）偶然偏心：高层建筑计算单向地震时应考虑偶然偏心（《高层建筑混凝土结构技术规程，按双向地震计算时就可不考虑偶然偏心了。

19）活载应考虑不利组合。

20）柱计算长度计算原则（SATWE等程序本意是对钢柱）：宜填“有侧移”，因为框架结构、剪力墙结构、框剪结构等都是有侧移的，如填“无侧移”，似乎无道理。

21）平动与耦联：一般取耦联，但有时平动也有可能比耦联不利。

22）柱配筋计算原则：单偏压与双偏压，二者计算结果有时差别较大，应分别按单偏压、双偏压作两次计算，按大值配筋。

23）当抗震设防类别为乙类时，计算地震烈度不提高，但抗震措施应提高1度，如抗震等级应按提高1度查表，轴压比限制值也减小了，抗震构造措施也提高了，如砌体拉墙筋长度也增大了，等等。

24）地下室全连在一起，上面设缝分为几个独立的结构单元，可不按多塔结构计算。一幢房子的屋面上有几个出屋面的楼、电梯间，更不是多塔结构。

2、形参：即梁柱平面布置

1）应合理简化、应与建施图吻合，应与结施图一致（结构布置、截面大小），电梯机房错层应算2层。

2）基础梁可作为1层输入电算（宜填1层地下室，否则风荷载会偏大），也可另行单独计算。

3）地下室墙：可输墙，也可输深梁（梁高等于层高）。

4）层高：应取楼板面至楼板面（独立基础：应算至基础顶面）。

5）混凝土结构上面有钢结构构架等，应参与整体分析，不能只输入重量，结果差别大（特别在地震区，边稍效应影响更大）。

3、荷载（是强制性条文）：

1）静、活，面载、线载、集中力。

2）荷载要合理：偏大无必要，偏小更不行。楼面装修面层（除找平层、板底抹面外）1～1.5kN/m2，消防楼梯3.5kN/m2，不上人屋面0.5kN/m2是否太小？《建筑结构荷载规范（强制性条文）

注1：

不上人的屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，建议按施工荷载1.5～2 kN/m2取值；轻钢结构的刚架＞60m2才可用0.3kN/m2，檩条仍是0.5kN/m2（强制性条文），《钢结构设计规范 GB 50017-2003》3.2.1条（强制性条文）注：“对支承轻屋面的构件或结构（檩条、屋架、狂架等），当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60m2时，屋面均布活荷载标准值应取为0.3kN/m2”，檩条的受荷水平投影面积怎么会超过60m2？笔者对此感到不可理解。

4、电算结果打印：

1）总信息、周期、周期比、位移、剪重比、刚度比、超筋超限信息、底层轴力等。

2）形参平面图。

3）荷载输入平面图（不必打印荷载的中间结果）。

4）配筋结果平面图。

5）剪力V包络图（用于配置梁的附加横向钢筋），不必打印弯矩M及其他数据文件。

6）JCCAD计算结果：不能所有的柱脚都打印，应选取与J1、J2、……对应的计算结果，且应考虑Nmax、Mmax、Vmax三种组合，如打印JCCAD计算的所有组合计算结果，简直是“天书”。JCCAD计算结果未显示是否读取柱脚剪力V，如未考虑柱脚剪力V，则基础面积及基础配筋偏小。如基础梁未作为1层输入电算，则不能用JCCAD计算基础，因为还要考虑基础梁传来的荷重（包括隔墙）。

7）钢结构、网架等电算结果不能都是数据文件，应有图形文件。

5、对电算结果要分析，不能不管对不对。

四.地基基础设计 

1、正确使用地勘报告，基础选型由自己定，而不能地勘报告建议什么基础型式就用什么型式，总的来说，结构设计人员对地基基础设计比地勘人员内行。

2、冲击振动沉管灌注桩慎用：缩颈现象较普遍。

3、人工挖孔桩：在砂夹卵石层内施工（特别是扩孔）跨孔的可能性较大，施工有危险。桩太短（如小于6m），不能按桩算，应按墩算。

4、地基处理：换填、振冲、CFG桩（应算沉降，地基处理规范9.1.3条）。

5、地下室底板不按筏板设计，而采用所谓“抗水板”，其厚度不宜小于300，除地下水浮力，还有地基反力，应计算其配筋及裂缝宽度不应大于0.2mm（地下工程防水技术规范）。

6、伸缩缝、抗震缝处可不必设沉降缝。笔者见有一砌体结构6层住宅，设有100mm宽抗震缝兼沉降缝，因此抗震缝两边的条形基础为大偏心基础，极为不妥。

7、地下室底板下的垫层应采用C15混凝土（地下工程防水技术规范4.1.5条）。

8、地下室墙竖筋及水平筋应注意最小配筋率ρmin。

9、地下室墙应有水平施工缝。

10、超长地下室只留后浇带不能解决使用期间的温度及混凝土收缩问题，应采取加强配筋、加防裂剂、采用预应力混凝土等措施。地下室外墙、底板、顶板的钢筋间距不宜大于150mm。

11、沉降观测点应布置并应有观测点大样，观测方法应有说明，不能只说按某规范。

12、地基软弱下卧层验算：可用《地基基础设计规范，但Es1/Es2＜3时查不到θ，也可用基底应力公式计算。

13、桩基（包括桩身质量、单桩承载力）检测，应有检测方法、检测数量等说明，不能只说按某规范。

14、无上部结构的纯地下室在地震区应不应该进行抗震设计？这个问题本来规范已有明确说法，如《建筑抗震设计规范规定“……地下室中无上部结构的部分，可根据具体情况采用三级或更低等级”，《高层建筑混凝土结构技术规程 》也规定“……地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。9度抗震设计时，地下室结构的抗震等级不应低于二级。”

15、其余，见笔者的《钢筋混凝土结构构造讨论（五）》。

五.关于框架结构设计 

1、柱、梁截面应合理：由位移、轴压比、配筋率等控制，梁大跨取大截面，小跨取小截面，连续跨梁截面宽度宜相同。柱截面应每隔3层左右收小一次，以节约投资，每次收小时应每侧不小于50mm，以方便支模，也不宜大于200mm，以免刚度突变，最上段（顶上几层）可用300mm×300mm（应满足计算要求）。收小柱截面，也可相应增加使用面积。