混凝土结构的设计要点

马智英，关洪成

（1.中国建筑科学研究院建研航规北工（北京）工程咨询有限公司，北京100013；2.中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司，北京100013）

1 引言

混凝土结构设计的内容庞杂，构造要求较多，设计者在设计中常常因为对结构概念的理解不全面、不到位而导致设计错误。本文基于此对混凝土结构中的一些常见问题做一分析和总结。

2 常见的强制性标准

2.1 结构设计总说明中应强调以下强制性标准

1）纵向钢筋的抗拉强度实测值和屈服强度实测值的比值不能过低（应不小于1.25），屈服强度的实测值和屈服强度的标准值的比值不能过大（应不大于1.3）。这样的规定是保证梁柱节点处的塑性铰能够按照设计的意图出现在梁上。

该条应用于框架（包括各种结构形式中的框架和框支框架）和斜撑构件（包括梯段）。

2）在混凝土结构中经常用到的预埋件等钢材屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值应不大于0.85，并且还需要满足伸长率、可焊接性和冲击韧性的要求。

3）在结构设计总说明中应该注明，未经技术鉴定和设计许可，在设计使用年限内不得改变结构的用途和使用环境。这条是对设计者的保护，同时也是建筑物进行加固改造的设计条件。

4）用较高强度等级的钢筋替代较低强度等级的受力钢筋时，应按照钢筋的受拉承载力设计值等强的原则换算，同时应满足最小配筋率要求。

2.2 计算参数中应注意的强制性条款

1）有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。

2）在抗震设防烈度为8～9度的地区，大跨度和长悬臂结构应计算竖向地震作用。

该条的条文说明提到，对于8度地区，跨度大于24m的屋架为大跨度结构，悬挑2m以上的阳台和走廊等为长悬臂结构。悬挑2m以上的梁也是长悬臂结构。

3）仅GB 5009—2012《建筑结构荷载规范》第5.1.1条的表5.1.1中1.（1）项所列的建筑类型才能按照第5.1.2条的第2款第1项折减柱、墙荷载。

这些建筑类型为住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园。折减系数见表1。

表1 住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园建筑的折减系数

4）框架结构中的围护墙和隔墙都会对主体结构抗震产生不利影响，所以，框架结构要做周期折减，周期折减系数一般不大于0.7。

在该条的条文说明中提到，如果填充墙与主体结构采用柔性连接或完全脱开，可以只考虑填充墙的重力而不考虑其刚度和强度的影响。所以，当全部采用柔性连接的填充墙时，可以看做是一种特殊情况。

5）乙类建筑即重点设防类建筑，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强抗震措施。同时，应按本地区抗震设防烈度确定地震作用，也就是说，抗震的计算（包括地震加速度、特征周期等）按照本地区的标准无需提高，抗震措施（包括抗震等级、强柱弱梁的调整系数、抗震构造措施等）都有按照提高一度之后的相应的标准采用。常见的乙类建筑有：幼儿园、中小学的教学用房和学生宿舍、食堂；养老建筑；人员密集的大型的多层商场（大型商场指一个区段人流5 000人，换算的建筑面积约17 000m2，或者营业面积7 000m2以上的商业建筑。当商业建筑与其他建筑合建时，商业区段为重点设防类，非商业区段可以不提高设防类别。但是，如果上部楼层区段为乙类，则下部楼层区段也应为乙类）。

2.3 常见的与配筋率相关的强制性条款

1）楼板等受弯构件的受力钢筋最小配筋率需要满足max{0.2，45ft/fy}。该条的注解提到：当采用等级为400MPa、500MPa的钢筋时，最小配筋率允许采用 max{0.15，45ft/fy}。其中，ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；fy为普通钢筋强度设计值[1]。

对于基础筏板，板内受力钢筋的最小配筋率应不小于0.15%。对于人防荷载效应组合控制的基础筏板的的最小配筋率应满足 0.25（C25～C35）、0.30（C40～C55）等。以上的配筋率均为单层钢筋。

2）地下室外墙的竖向钢筋需要满足受弯构件的最小配筋率 max{0.2，45ft/fy}。

人防地下室外墙的竖向钢筋需要满足人防工程受弯构件的最小配筋率 0.25（C25～C35）、0.30（C40～C55）等。

以上的配筋率均为单侧钢筋。

3）框架梁的梁端纵向受拉钢筋的配筋率大于2%时，箍筋的最小直径应比按相应的抗震等级规定的箍筋直径增大2mm。这是因为配筋率较大的时候应该增加截面的延性，以保证地震情况下可以按照设计意图在梁端出现塑性铰，增大箍筋可以改善截面的延性。

4）梁端截面的底部和顶部的纵向钢筋配筋量的比值，在抗震等级为一级时应不小于0.5，在抗震等级为二、三级时应不小于0.3。这条实际上是为了保证梁端截面的混凝土受压区的截面不会由于压力过大而产生压碎现象的脆性破坏。在设计中，当框架梁的部分下铁不伸入支座时，尤其应注意该条款的规定。

5）剪力墙的竖向分布钢筋和水平抗剪钢筋的最小配筋率均应不小于0.25%。部分框支剪力墙结构的落地剪力墙底部加强部位的竖向分布钢筋和水平抗剪钢筋的配筋率均应不小于0.3%。

3 嵌固端及相关问题

3.1 地下室顶板作为上部结构的嵌固端

当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地上1层的侧向刚度小于等于相关范围的地下1层侧向刚度的0.5倍（见图1）。相关范围指主楼地上部分的范围周边向外扩展2跨或不大于20m的范围[2]。

图1 某工程首层结构与地下1层结构的刚度比

3.1.1地下室顶板作为上部结构嵌固部位的几种特殊情况

1）紧邻下沉式广场或庭院的地下1层外墙，同时满足以下2个条件时：（1）当其总长度不大于建筑平面总周长的1/4；（2）某侧的长度不大于相应单边边长的1/2时，可以按上述刚度比验算的结果判断地下1层顶板是否可以作为上部结构的嵌固端。

2）主楼首层底板顶与周边相连地下室顶板有高差时：（1）首层底板顶与周边地下室顶板高差不大于梁高，且主楼首层与相关范围内地下1层侧向刚度之比满足嵌固部位要求时，可将主楼首层底板作为嵌固部位；（2）首层底板顶与周边地下室顶板高差大于梁高，且主楼首层与主楼范围内地下1层侧向刚度之比不大于0.5时，可将主楼首层底板作为嵌固部位，地下1层应按错层结构采取加强措施。

3.1.2 地下1层顶板作为上部结构的嵌固端相关的问题

1）地下部分的抗震等级：地下1层的抗震等级应与上部结构相同，地下1层以下的抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级。

2）对于框架柱，地下1层的柱截面每侧纵向钢筋应不小于地上1层柱对应纵向钢筋的1.1倍。

3）对于剪力墙的暗柱，地下1层的墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积应不少于地上1层对应的边缘构件纵向钢筋的截面面积。

4）剪力墙的底部加强部位应从地下室顶板开始，当首层结构墙肢底截面的轴压比大于以下数值时，应设约束边缘构件（见表 2）。

表2 设置约束边缘构件的轴压比

约束边缘构件的范围应为底部加强部位加上与底部加强部位相邻的上一层。约束边缘构件中所配的箍筋需要满足最小体积配箍率ρv的要求。各层约束边缘构件的最小体积配箍率ρv均统一以地面1层的轴压比作为标准进行计算，而不是以各自层的轴压比计算。

体积配箍率和轴压比的关系见表3。

表3 体积配箍率和轴压比的关系

5）地下各层均不是底部加强部位，可以仅设构造边缘构件，即暗柱箍筋不必考虑体积配箍率的要求。

3.2 基础顶作为结构的嵌固部位

当地下1层顶板不满足作为上部结构的嵌固条件时，应该把结构嵌固端延伸到基础顶的部位。

基础顶作为嵌固端的相关问题：

1）地下部分的抗震等级：地下各层的抗震等级都要与上部结构的抗震等级相同。

2）地下1层柱和地下1层顶部梁的配筋应按嵌固在基础和嵌固在地下室顶板包络设计。

3）剪力墙的底部加强部位除满足地上部分规定的高度之外，还应从地下室顶板开始向下延伸到基础顶部。首层剪力墙的墙肢底部的轴压比满足表2的限值时，均应在墙肢的端部设约束边缘构件，地下各层也要设约束边缘构件，地下各层的约束边缘构件的体积配箍率均应按照地上1层的轴压比进行计算。

4 结构计算和主要计算参数

1）对于框架结构，当采用钢筋混凝土现浇楼梯时应考虑楼梯的刚度对地震作用的影响。否则，应在楼梯的端头设滑动支座。

2）计算弹性层间位移角时，可以采用连梁不折减的模型计算结果。

3）对于工业项目，地震作用计算的重力荷载代表值的组合值系数不应采用0.5。

4）调整信息：装配式结构中现浇部分地震内力放大系数为1.1。

5 关于钢结构的一些基本原则

1）当上部主体结构为钢结构，嵌固在混凝土地下室顶板时，应参照结构体系相近的混凝土结构确定地下1层的混凝土结构的抗震等级。例如，钢框架结构可参照混凝土框架结构，钢结构中心支撑框架和偏心支撑框架（延性墙板）结构可参照混凝土框架-剪力墙、框架-核心筒结构，钢结构筒体可参照混凝土筒中筒结构[3]。

地下1层以下各个楼层的抗震构造措施的抗震等级可逐层降低。

2）不得采用同层同时存在混凝土框架柱和钢框架柱2种不同材料的抗侧力构件。钢结构框架柱的承载力高，允许的层间位移比较大，混凝土框架柱则相反，同层同时采用会导致混凝土提前进入塑性状态甚至过早破坏，而钢结构仍处于弹性状态，二者不能协调工作。

3）当采用下部为钢筋混凝土结构，上部为钢结构的结构类型时，应符合下列要求：

（1）上部钢结构的层数和高度，应计入房屋的层数和总高度中，其层数及总高度的限值宜按其底部的结构类型确定。

（2）顶部有2层及以上钢结构时，设计单位应进行专门研究和论证，针对抗震设计存在的不利因素采取技术措施，建设单位应组织相关专家进行审查，以专家的审查意见作为施工图审查的依据之一。

6 其他的注意事项

1）乙类建筑宜进行弹塑性变形验算。

2）框架结构应提供弹塑性变形验算结果（采用GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）5.5.4条提供的简化算法）。否则，应提供楼层屈服强度系数不小于0.5的计算结果作为不验算弹塑性变形的依据。

3）高层的多塔结构应提供切分的单塔模型的计算结果作为结构扭转周期与平动周期比值验算的依据。

4）地基处理后的地基抗震承载力的提高系数的取值在按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）的表4.2.3选取时，表中的fak应为天然土层的地基承载力特征值。

5）对于混凝土结构对地下1层顶板或者地下工程的地下1层的顶板，无论有无柱帽，根据《关于加强地下室无梁楼盖工程质量安全管理的通知》（住建部建办质〔2018〕10号），需要设置暗梁，暗梁构造参照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）第6.6.4条第1款：暗梁的宽度取柱宽及柱两侧各不大于1.5倍板厚，暗梁支座上部钢筋面积应不少于柱上板带钢筋面积的50%，暗梁下部钢筋宜不少于上部钢筋的50%，箍筋直径应不小于8mm，间距宜不大于3/4倍板厚，肢距宜不大于2倍板厚，在暗梁两端应加密。

通过柱截面或柱帽冲切锥体范围内的板底连续钢筋作为暗梁下铁，其总截面积还应满足6.6.4条第3款要求。

式中，As为柱两个方向的单侧钢筋面积之和（即两侧钢筋的面积之和而不是4个方向钢筋面积之和）；NG为柱子在负载范围内的重力荷载代表值下的轴力；fy为钢筋的屈服强度。

6）高宽比大于4.0的装配式结构，应补充结构在设防烈度水平地震作用下的内力分析，并宜避免预制墙板构件出现小偏拉。分析时，可采用弹性假设计算，荷载的分项系数可取1.0；不过出现小偏心受拉，预制墙板构件平均拉应力应不大于预制墙板构件混凝土抗拉强度标准值。

7）GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）6.1.5条规定：甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采取单跨框架结构，高度不大于2m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。对此，提出以下几点建议：

（1）多层丙类建筑采用单跨框架结构时，应采取比规范更严格的设计措施，如提高抗震等级、更严的轴压比限值和位移限值等；4层及以上时框架柱按中震弹性或中震不屈服进行设计。

（2）甲、乙类建筑以及高层的丙类建筑，应避免采用，当无法避免时，应进行性能化设计。

不超过3层的甲、乙类建筑，框架柱按中震弹性进行设计。4层及以上的甲、乙类建筑和高层丙类建筑，原则上不允许采用，如使用功能确有需要，框架柱按大震不屈服、框架梁按中震弹性或更高的性能目标进行设计[4，5]。

7 结语

结构构件的配筋率、结构不同部位的刚度比等概念是混凝土结构设计的核心理论基础，是保证混凝土结构的延性设计从而提高混凝土结构抗震性能的主要内容。深入理解和把握这些设计概念和内容对于提高人们的设计水平和保证结构设计的安全性和经济性都大有裨益。