结构工程师的三个层次.doc

关于结构工程师成长的建议（上） 现在的年轻人所缺少的就是综合知识的应用，仅仅是学会了结构计算程序的应用，就自认为自己天下无敌了。这是极端错误的。他们缺少很多的结构概念和构造方面的专业知识，以及工程造价合理性等问题。单纯的在计算程序上下功夫，而忽略了设计图纸的深度，这是不可取的。有些年轻的工程师，对施工程序和原材料的知识知道甚少，很少到现场进行具体查看，甚至不敢到施工现场。因为到施工现场以后，施工管理人员会不客气地提出设计图纸上的一些疑问和问题。要知道现在的施工管理人员同样也是科班出身的，他们也同样接受过很专业的基础教育。有些年轻的设计师，在设计时不了解程序上的一些缺陷，缺少构造要求方面的专业知识，结果自然就知道了，一旦遇到刁钻的问题，他们根本无法予以解释。于是不是不敢解释，就是推脱回去研究、研究。说实话就是结构设计师心中没有底，对自己的设计内容缺少深层次的理解，不客气地讲，不仅缺少结构概念方面的专业知识，也缺少结构构造方面的专业知识，更缺少施工工艺和施工流程以及施工技术方面的专业知识。我曾经遇到过一个结构工程师，到现场连具体钢筋绑扎的对错都不知道，站在边上只是表面上装作观看，对施工人员的提问，装作没听见。结果被施工人员很藐视，甚至不尊重。看到此番情景，让我好心痛，也很心酸。 对于结构设计，所具有的知识和技能主要有4 个种类。第1 类是，设计技术专业知识；第2 类是，结构构造和标准图集的使用；第3 类是，结构的计算和绘图工具；第4 类是，学会全面的分析问题和解决问题。一、设计技术专业知识 结构概念。这是指导你从事结构设计这个行业最重要第一步，也是影响你以后工作不可缺少的、必须熟练掌握的最基本内容。从荷载、砖石结构、混凝土结构、地基与基础、抗震设计、高层建筑结构、钢结构等依次学起。要循序渐进，不要贪多。要扎扎实实的学，力争学习一个搞懂一个。其实这些知识是有共性的，他们的共同点就是应用三大力学的原理。所以有些新同学提出专业课重要，还是基础课重要的问题。其实他们还没有真正整清楚结构设计的含义。对三线以下城市的设计院，接触最多的仍然是砖石结构和混凝土结构，还有抗震设计、地基与基础以及高层建筑结构方面的问题。所以应该优先掌握这些方面的知识。对于一、二线城市的设计院，接触最多的应该是，混凝土结构，地基与基础，抗震设计和高层建筑结构方面的问题。近年来钢混凝土组合结构和钢结构已经开始大量应用，所以这些也是需要来学习的。对于结构人，应该是必须学会手工计算的，特别是一些结构的基本构件的计算，一定要学会手算的技能，他不仅可以增强结构概念，更可以增强构造概念方面知识的记忆和理解。 前几天有人询问结构师是否需要手算问题，这只能说明他们对结构的理念还没有真正的理解。试想在特定的条件下（比如抗震救灾现场），连电都没有，更不用说计算机和设计程序了。你靠什么来进行结构设计呢。就凭拍脑袋？这样的话，你还算是结构设计师吗。要从最基本的结构概念学起。比如，总有一些关于悬挑板到底应该做到多大的询问。在什么情况下应该设梁，悬挑板到底做到多长才合适。其实，悬挑结构本身就是一个结构概念的问题。但是就是这样一个很简单的结构概念，就有不少结构人没有整明白它的具体概念。 大家都学过结构力学，悬挑结构从力学上讲，属于静定结构。静定结构的特点是什么，就是它只有一个约束条件。一旦这个约束条件发生变化，结构受力就会发生质的改变，也就是结构会发生结构安全问题。所以，对于悬挑结构出现变形过大问题，特别由它所带来的墙体开裂问题，一直是工程质量投诉的热点。这其中有绝大部分，是结构设计的问题。这样的问题一旦发生，是很难得到妥善处理的。 对于悬挑结构计算，除了要满足强度要求的条件以外，还要保证裂缝、变形和抗倾覆等方面的各项要求。对于裂缝、变形和抗倾覆的计算，以前是比较困难的，所以有一些资料给出了经验的结构构件高度的取值参数。目的就是减少相应的复杂计算。但是现在有很多、也很实用的这方面的计算小程序，只要按照规范的规定给出相应的准确参数，结果自然就会出来了，一点也不费劲。可是一些年轻人由于缺少这方面的结构概念，也可能是忽视了了这方面的结构概念。不要总盯着大的结构概念问题。不要以为自己做了多少个高层建筑，技术水平就高了，业务能力就强了，结构概念就一定搞清楚了。甚至错误的认为，只要熟练的应用了结构计算程序，就天下无敌了。所有的结构概念就都清楚了。所有的大的结构问题，都是由一些最基本的小结构概念所组成的，只有把小的结构概念都搞清楚，大的结构概念才不会糊度。 就说现在大家普遍使用的后浇带把，大家都在广泛应用。甚至有的已经把它视为了规范的内容。但是，它不是规范规定的内容，只是规范中，建议采用的一种处理和解决温度问题的一种措施。大家不要听风就是雨，要进行认真的过滤。其实，后浇带在90 年代推出时，确实给结构设计带来了一种技术革命，把原来很不好处理的问题，变得相对简单一些了。它的真正作用其实是，解决施工中出现的温度问题，因为施工中出现的温度应力问题，要占到温度应力的70%以上。但是记住，它不是100%，如果是100%，那规范就一定把它编进去，作为具体的规定了。前一段有人提出，后浇带可否应用在无限长的结构上。这只能用天真来形容。连后浇带的真正含义都没有整清楚，就敢提出这样的问题。实在是太天真，太理想化了，也过于夸大后浇带的作用了。 要从最基本的结构内容学起。比如荷载规范，它有许多的定义。一定要整清楚标准值、组合值、准永久值、荷载标准值，这些术语就是最基本的结构概念。什么条件下，是用什么样地正确内容，只有这样才能保证结果的正确。如果有时间和精力的话，还可以把这些概念展开，研究一下它的内涵，通过这样的一些研究，你一定会发现这些概念的确切含义。关于结构工程师成长的建议（中）二、结构构造和标准图集的使用 结构构造是结构人员必须掌握的基本知识。所有完整的结构设计都离不开构造规定。所以结构设计人常说，结构设计是3 分计算，7 分构造，可见结构构造的重要性。既使是在现代科技这样发达的情况下。由于还有许多的结构理论依据不足，只能依靠构造规定来弥补。特别是砖混结构和地基及基础方面。要知道计算机的应用者是人，它的程序编制者也是人，由于结构理论的缺陷，程序计算出来的结果，也同样是不可能完全可信的。靠什么来弥补。只能靠增加构造措施，特别是一些构造要求，它们是各结构体系中通用的。比如钢筋的锚固和搭接构造要求。它不仅在混凝土结构中应用，在其它结构中，同样也是广泛应用的。 要从最基本的结构内容学起。比如，总有一些结构人员询问关于钢筋搭接和锚固的问题。梁钢筋在什么样的情况下直锚。什么情况下弯锚。甚至还提出来可不可以斜锚。其实，这就是对于钢筋锚固的构造要求不清楚的具体体现。规范只是规定锚固长度的要求以及在水平锚固长度不能满足规定时的特殊规定。没有明确，也不可能具体明确到底应该怎样锚固的问题。这一定要根据具体实际情况来决定。如果锚固条件具备，应该优先保证直锚，因为无论加工、制作，还是施工绑扎，这是最方便的，也是质量最容易保证的。比如梁受力钢筋直径是20 的，锚固长度是45d，那锚固长度就应该是900，柱或墙截面长度是1500。直锚就完全具备条件了，你非要弯锚。你说有什么必要，你有劲没处使了。特别现在广泛使用粗钢筋的机械连接，丝扣加工一定是会有一定偏差的，一旦做成弯锚，这根钢筋丝扣出现误差以后，可能就进入不到支座以内了。这就是对结构构造规定的理解问题了。有人提出，可不可以斜锚，这就不仅是构造概念不清的问题了，也是缺乏施工经验的问题了。大家都知道梁、柱结合部是钢筋组合最为密集的部位，横平竖直的钢筋有时都保证不了，又加上一个斜向的，施工就会跟困难了。其实，钢筋锚固问题本身就是一个结构构造概念的问题。但是就是这样一个很简单的结构构造概念，就有不少结构人没有整明白它的具体要求。大家都是学结构，对于结构构造的一些概念是应该十分清楚和必须要牢记的。因为国家自从在89 规范修改时，就确定了具体的原则，今后的规范要以弹性计算理论为基准，以数理统计的概率为基础，结构构造为补充。提出以后规范的计算理论不再进行原则性的改变，构造措施和一些特殊的规定，随时代变化而修改和调整的总体原则。所以从90 年代以后，规范设计计算理论没有做重大的改变，这不仅对规范的连续执行有益，也便于结构人更好地掌握结构的构造概念。 标准图集的使用，同样是结构人必须熟练掌握和应用的专业知识之一。采用标准图的目的，即使减轻结构设计劳动强度的问题，也是国家推行标准化的要求，更是保证工程质量的问题，还有方便施工的问题。你说它的优点有多少，对结构的贡献有多大。因为每一个设计单位的管理不同，从业的设计人员的水平和能力也不同，难免有考虑不到的地方，但是采用通用的计算机程序和标准图就可以减少因设计能力和经验不足，所发生的各种风险。现在混凝土结构中应用最多的应该是G101 图集吧，试想每个设计单位都编制一套这样的规定，全国会有多少个不同的版本，各设计单位又会有多少人力资源的投入，施工单位又需要多少时间和人力去研究它，解析它，使用它。所以，这就是为什么要采用标准图的真正原因。三、结构的计算和绘图的工具 结构的计算和绘图的工具就是我们常说的各种计算机设计程序。这是每一个结构设计人员必须掌握的应用工具。它是有一定的工作技能要求的工具。不要小看它的作用，它是现代的科学技术和具体技术规定相结合的高科技产品。由于它的出现，使结构设计从原来繁重的脑力劳动和体力劳动中得以解放出来。尽管它还没有彻底的把结构设计人员解放出来，但是它的出现，已经让结构设计师们看到了希望和未来。所以一定要学好它，正确的应用它。最为关键的是要整清楚它的原理，对它计算出来的结果，进行认真的研究和分析。这一点是很难得，也是需要经验和知识能力的。只有通过认真研究和分析，结合各种专业知识的概念，才能做出正确的结论。还可以运用各种结果，进行设计优化，最终使结构设计，即安全可靠，又经济适用，更方便施工。只有这样的结构设计，才能算得上是真正的结构设计。 就说一个最简单的问题吧，一个长度30 米的结构楼板，它不长吧，有些结构设计师在采用通长配筋时，一根钢筋的粗线画到头。你的画法是简化了。可是你知道钢筋是按照标准定尺来生产、制造的，这个配筋中一定要有搭接和锚固的问题，也一定有钢筋下尺搭配的问题。有些结构人喜欢算钢筋用量，这些你们都考虑了没有。如果考虑了，你的用钢量就一定不是你们算的那样少了。对于开发商最关心的问题，除了保证结构安全以外，就应该是经济性的问题了。你把这些消耗都加给了开发商，他能接受吗。这样的知识只有你到现场实际了解到了，了解到了实际的原材料尺寸，才能回来指导你设计出来的图纸，让各方都满意。四、学会全面的分析问题和解决问题 结构设计师的所谓“经验”是靠一点点的原始积累才能够得到的。要做好真正的结构设计师，不仅大的结构概念要很清楚，结构构造也要很清楚，结构的计算原理要不经很清楚，还要利用手算和心算来简要回答一些技术数据的内容，更需要了解和掌握施工方面的专业知识，只有这样才能说话底气足，所说的话才能够被人理解和接受。特别是在非常时期处理问题，不可能容得你去全面的仔细思考，只能是凭所谓的经验来应对。 例如，在处理施工所产生误差之类的问题时，要站在公正的立场上，不仅要讲清楚国家规范的基本原则，还要对允许误差的极限要求做出相应的解释。便于对质量问题的定性和是否需要进行整改的结论提供必要的依据。 例如，一个柱截面为800*800，施工后实际测量为792*795。构架使用验收规范规定为-5；+8。对于795 是满足施工验收规范的；792 显然是超过了施工验收规范的。这样如何处理？如果按照规范硬卡，肯定是需要处理的，但是你算过没有，误差为多少？其实这个误差只有不足2%。按照国家设计及施工验收规范的规定，只要达到95%及以上的概率值，都可以认定结构属于安全状态。那你说，这个结构需要进行加固吗？加固又如何实施呢？几个毫米如何进行施工，就算是抹灰，粘碳纤维，也会超出国家验收规范的允许值的。只有了解了施工工艺和施工过程，才会加深对设计图纸的深化表达。例如，现在的钢筋长度定尺一般为9 米或12 米，如果是8 米跨的梁，需要选择什么样的钢筋最经济？选9米定尺的，8 米跨度再加上锚固长度，钢筋至少需要增加一个接头，接头位置在哪里合适（规范是有规定的）；选12 米定尺的，就一定会有一段钢筋要被裁下来，会产生浪费，剩下的钢筋如何利用。如何解决这样简单的问题，只有通过现场实践才会更清楚，这无疑会对结构设计图纸的表达和结构优化等方面带来很多的益处。要有高度的责任心。对于工程管理人员，有一颗高度的责任心是最重要的。只有有了高度的责任心，才能做好本职工作。责任心其实就是良心。一个人的技术水平是有限的，工作能力和经验也是有限的。如果大家都是大师级的人物，在那里坐着指挥，那谁去具体干工作呢。所以对于新入行的青年人，一定是工作在第一线的。由于你的水平和能力以及经验有限，你要做好工作，就是能是靠责任心了。我接触多许多年轻人，这些人有文化，有专业知识，但就是缺少责任心，结果心不天高，眼比手低，最后一事无成。关于结构工程师成长的建议（下） 本部分内容简介：这个章节是最难编制的，既要考虑初学者的需要，也要照顾到需要层次提高网友的内容。经过几遍的筛选，编制了一点点启发性和介绍性的专业知识。希望能给网友们带来一点帮助。 本章节主要介绍一些结构设计常用的专业知识内容。如，荷载知识介绍、结构概念设计知识点、结构基础的设计一些基本要求、地下室抗浮设计、结构后浇带的设计要点、钢筋混凝土设计精髓、钢结构设计的基本方法、混凝土高层结构设计的基本知识、结构设计优化与用钢量的关系和结构设计的简要过程。五、结构应用方面的一些问题1. 荷载知识介绍 荷载规范里的荷载组合中提到的荷载“基本组合”、“频遇组合”和“准永久组合”分别表示什么？分别用在什么情况下？1.1 基本组合是属于承载力极限状态设计的荷载效应组合，它包括以永久荷载效应控制组合和可变荷载效应控制组合，荷载效应设计值取两者的大者。两者中的分项系数取值不同，这是新规范不同老规范的地方，它更加全面地考虑了不同荷载水平下构件地可靠度问题。在承载力极限状态设计中，除了基本组合外，还针对于排架、框架等结构，又给出了简化组合。1.2 标准组合、频遇组合和准永久组合是属于正常使用极限状态设计的荷载效应组合。标准组合在某种意义上与过去的短期效应组合相同，主要用来验算一般情况下构件的挠度、裂缝等使用极限状态问题。在组合中，可变荷载采用标准值，即超越概率为5的上分位值，荷载分项系数取为1.0。可变荷载的组合值系数由荷载规范给出。频遇组合是新引进的组合模式，可变荷载的频遇值等于可变荷载标准值乘以频遇值系数（该系数小于组合值系数），其值是这样选取的：考虑了可变荷载在结构设计基准期内超越其值的次数或大小的时间与总的次数或时间相比在10左右。频遇组合目前的应用范围较为窄小，如吊车梁的设计等。由于其中的频遇值系数许多还没有合理地统计出来，所以在其它方面的应用还有一段的时间。准永久组合在某种意义上与过去的长期效应组合相同，其值等于荷载的标准值乘以准永久值系数。它考虑了可变荷载对结构作用的长期性。在设计基准期内，可变荷载超越荷载准永久值的概率在50左右。准永久组合常用于考虑荷载长期效应对结构构件正常使用状态影响的分析中。最为典型的是：对于裂缝控制等级为2 级的构件，要求按照标准组合时，构件受拉边缘混凝土的应力不超过混凝土的抗拉强度标准值，在按照准永久组合时，要求不出现拉应力。 还有就是荷载分项系数的取值问题：新的荷载规范中恒载的分项系数在实际工作中怎么取？什么时候取1.35 什么时候取1.2？1.2 恒1.4 活1.35 恒0.7*1.4 活抗浮验算时取0.9砌体抗浮取0.81.35G+0.7*1.4Q1.2G+1.4Q G/Q2.8 所以当恒载与活载的比值大2.8 时,取1.35G+0.7*1.4Q否则,取1.2G+1.4Q 对一般结构来说：楼板可取1.2G+1.4Q屋面楼板可取1.35G+0.7*1.4Q梁柱(有墙)可取1.35G+0.7*1.4Q梁柱(无墙)可取1.2G+1.4Q基础可取1.35G+0.7*1.4Q估算公式：Ac=Nc/(a*fc)其中：a-轴压比（一级0.7、二级0.8、三级0.9，短柱减0.05）fc-砼轴心抗压强度设计值Nc-估算柱轴力设计值柱轴力设计值：Nc=1.25CN其中：N-竖向荷载作用下柱轴力标准值（已包含活载）-水平力作用对柱轴力的放大系数七度抗震：=1.05、八度抗震：=1.10C-中柱C1、边柱C1.1、角柱C1.2竖向荷载作用下柱轴力标准值：N=nAq其中：n-柱承受楼层数A-柱子从属面积q-竖向荷载标准值（已包含活载）框架结构：1012（轻质砖）、1214（机制砖）框剪结构：1214（轻质砖）、1416（机制砖）筒体、剪力墙结构：1518单位：KN/(M*M)2.结构概念概念知识点 概念设计是展现先进设计思想的关键 ,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计 ,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为概念设计做得好的结构工程师 ,随着他的不懈追求 , 其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富 ,设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是 ,随着社会分工的细化 ,大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计 ,缺乏创新 ,更不愿 (不敢 )创新 ,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳 (害怕承担创新的责任 )。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天 ,对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。随着年龄的增长 ,导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却 ,更谈不上设计成果的不断创新。强调概念设计的重要 ,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性 ,比如对混凝土结构设计 ,内力计算是基于弹性理论的计算方法 ,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法 ,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远 ,为了弥补这类计算理论的缺陷 ,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计 ,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点 ,往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解 ,结构工程师只有加强结构概念的培养 ,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。概念设计之所以重要 ,还在于在方案设计阶段 ,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念 ,选择效果最好、造价最低的结构方案 ,为此 ,需要工程师不断地丰富自己的结构概念 ,深入、深刻了解各类结构的性能 ,并能有意识地、灵活地运用它们。3.结构基础的设计一些基本要求 房屋基础设计应根据工程地质和水文地质条件、建筑体型与功能要求、荷载大小和分布情况、相邻建筑基础情况、施工条件和材料供应以及地区抗震烈度等综合考虑，选择经济合理的基础型式。 砌体结构优先采用刚性条形基础，如灰土条形基础、Cl5 素混凝土条形基础、毛石混凝土条形基础和四合土条形基础等，当基础宽度大于2.5m 时，可采用钢筋混凝土扩展基础即柔性基础。 多层内框架结构，如地基土较差时，中柱宜选用柱下钢筋混凝土条形基础，中柱宜用钢筋混凝土柱。框架结构、无地下室、地基较好、荷载较小可采用单独柱基，在抗震设防区可按建筑抗震设计规范第6.1.1l 条设柱基拉梁。无地下室、地基较差、荷载较大为增强整体性，减少不均匀沉降，可采用十字交叉梁条形基础。 如采用上述基础不能满足地基基础强度和变形要求，又不宜采用桩基或人工地基时，可采用筏板基础（有梁或无梁）。 框架结构、有地下室、上部结构对不均匀沉降要求严、防水要求高、柱网较均匀，可采用箱形基础；柱网不均匀时，可采用筏板基础。有地下室，无防水要求，柱网、荷载较均匀、地基较好，可采用独立柱基，抗震设防区加柱基拉梁。或采用钢筋混凝土交叉条形基础或筏板基础。 筏板基础上的柱荷载不大、柱网较小且均匀，可采用板式筏形基础。当柱荷载不同、柱距较大时，宜采用梁板式筏基。 无论采用何种基础都要处理好基础底板与地下室外墙的连结节点。框剪结构无地下室、地基较好、荷载较均匀，可选用单独柱基，墙下条基，抗震设防地区柱基下设拉梁并与墙下条基连结在一起。无地下室，地基较差，荷载较大，柱下可选用交叉条形基础并与墙下条基连结在一起，以加强整体性，如还不能满足地基承载力或变形要求，可采用筏板基础。剪力墙结构无地下室或有地下室，无防水要求，地基较好，宜选用交叉条形基础。当有防水要求时，可选用筏板基础或箱形基础。高层建筑一般都设有地下室，可采用筏板基础；如地下室设置有均匀的钢筋混凝土隔墙时，采用箱形基础。 当地基较差，为满足地基强度和沉降要求，可采用桩基或人工处理地基。多栋高楼与裙房在地基较好（如卵石层等）、沉降差较小、基础底标高相等时基础可不分缝（沉降缝）。当地基一般，通过计算或采取措施（如高层设混凝土桩等）控制高层和裙房间的沉降差，则高层和裙房基础也可不设缝，建在同一笺基上。施工时可设后浇带以调整高层与裙房的初期沉降差。当高层与裙房或地下车库基础为整块筏板钢筋混凝土基础时，在高层基础附近的裙房或地下车库基础内设后浇带，以调整地基的初期不均匀沉降和混凝土初期收缩。4.地下室抗浮设计 当地下室埋藏较深或地下水位较浅时,裙房及纯地下室部分可能会有抗浮不满足要求的问题。针对此种情况,应采取以下措施:4.1 在设计允许的情况下,尽可能提高基坑坑底的设计标高,间接降低抗浮设防水位。高层建筑的基础底板多采用平板式筏板基础和梁板式筏板基础。一般而言,平板式筏板基础的重量与梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当,但后者的基础高度一般要比前者高,在保证基顶标高不变的情况下,后者的基础埋深要大于前者。从而相对提高了抗浮水位,故采用平板式筏板基础更有利于降低抗浮水位。4.2 楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的1/221/16,宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高,从而相对降低了抗浮设防水位。4.3 增加地下室的层高来增加地下室的重量是解决地下室抗浮问题的一个直接有效的方法,但这种方法还应该结合地基土的承载力而定;在对主体结构的地基承载力进行深度修正时,增加地下室的层高可以提高主体结构的有效埋置深度,从而提高了主体结构修正后的地基承载力特征值。增加基础配重。此种方法大致有以下3 种情况:增加基础底板的厚度、增加基础顶面覆土厚度、基础顶面采用容重大且价格低廉的填料。这三种方法的共同特点是:在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度,从而相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度,因此它不是一种效率最高的方法。增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是:在不增加基坑坑底标高的前提下,增加了地下室的重量,而且使用厚板后,地下室顶板的大板块之间可以不再设置次梁。但此种方法的缺点是会略增加地下室顶板框架梁的负荷,而且由于板厚有限,这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的。4.4 设置抗浮桩。表面上看这是一种解决抗浮问题行之有效的方法,但仔细分析,这种方法也有一定的局限性,从结构受力方面讲,由于地下室的抗浮设防水位是根据拟建场地历年最高水位结合近几年的水位变化情况提出来的,即使是经过重新评估后确定的抗浮设防水位,也是按一定的统计规律得出的结论。很显然,这种方法确定的地下水位在一般的情况下是很难达到的。加之设计计算的不精确性也使得抗浮桩具有一定的安全储备,因此,“抗浮桩”实际上长期起着“抗压桩”的作用。这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降,而这种变化将会使无沉降缝的大底盘地下室在主体结构和裙房之间产生更大的不均匀沉降差;同时设置抗浮桩后,计算基础底板内力及配筋时应考虑地下水压力,这样也会增加基础底板的荷载。另外一方面,如果地下水位长期处于一种较高的水平之上,设置抗浮桩也不乏是一种有效的方式。因此,抗浮桩是一把双刃剑,使用时需仔细考虑。5.结构后浇带的设计要点当建筑结构的平面尺寸超过混凝土规范规定的伸缩缝最大间距（混凝土规范第9.1.1 条）时，可考虑采用施工后浇带的方法来适当增大伸缩缝间距。但一般地上结构由于受环境温度变化影响较大，所以伸缩缝最大间距不宜超过混凝土规范限值过多，同时应注意加强屋面保温隔热，采用可靠的、高效的外墙外保温，并适当提高外纵墙、山墙、屋面等重要部位的纵向钢筋配筋率。当地上结构由于抗震设计需要而设置了防震缝时，伸缩缝宽度应满足防震缝宽度的要求。地下室结构超长的情况较为常见，除地下室顶板和处于室外地面以上的地下室外墙受温度变化影响相对较大外，地下室内部和基础结构在使用阶段受室内外温度变化影响较小，需解决的主要问题是混凝土收缩应力对结构的影响。除在施工阶段设置后浇带外，应该加强地下室顶板及地下室外墙的配筋，建议纵向钢筋最小配筋率不宜小于0.5%，钢筋应尽可能选择直径较小的，一般10 到16 即可，间距尽量选择较密的，宜不大于150mm，细而密的钢筋分布对结构抗裂是有利的。当地下室结构超长过多，单靠设置后浇带不足以解决混凝土收缩和温度变化问题时，可以考虑采用补偿收缩混凝土，在适当位置设置膨胀加强带。采用这种方法，不仅可以进一步增大伸缩缝最大间距，而且可以用膨胀加强带取代部分施工后浇带，从而实现混凝土的连续浇筑即无缝施工。但应注意，采用膨胀加强带取代部分施工后浇带时，膨胀加强带的位置应设置在结构温度应力集中部位，并应制定严格的技术保障措施，保证混凝土原材料的质量和微膨胀剂的配合比准确，结构设计应对地下室结构各部位混凝土的限制膨胀率提出明确要求。对高层建筑主体与裙房之间是设置永久变形缝，还是在施工阶段设置沉降后浇带，应该根据建筑场地地基持力层土质情况、基础形式、上部结构布置等条件综合确定。当地基持力层土质较好，例如高层建筑基础做在基岩层或卵石层上，或采用桩基时，高层建筑沉降变形量较小，此时可考虑采用施工后浇带而不设置永久变形缝，将高层建筑与裙房基础（或地下室）连成整体。当地基持力层压缩性较高，且厚度较大，高层建筑主体与裙房之间的高差悬殊较大，高层建筑荷载较大，则由于高层建筑与裙房之间的差异沉降量较大，在采用天然地基的情况下，还是以设置永久变形缝将高层建筑与裙房彻底脱开为好。当高层建筑与相邻的裙房之间设置永久变形缝时，高层建筑的基础埋深一般应大于裙房基础埋深至少2 米，不满足此要求时应计算高层建筑的稳定性，并采取可靠措施防止高层建筑与裙房之间发生相互倾斜。笔者曾经参观过某工程，高层建筑地下一层，地上十六层，纯地下车库一层，与高层建筑地下室贯通，其间设置了沉降缝，基础埋深基本相同，沉降缝间采用硬质材料填充。由于没有解决好高层建筑与地下车库间的互倾问题，建筑投入使用后，发现沉降缝两侧墙体开裂，造成地下室渗漏。6. 钢筋混凝土设计精髓第一个特性决定钢筋混凝土构件是利用混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度，当有钢筋的抗拉强度来决定构件的承载力时，因其延伸率很大，而表现出延性破坏特征，反之即为脆性破坏。如抗弯适筋梁和超筋梁，大小偏心受压。而抗剪构件，在桁架受力模型中，不存在强度正比关系（抗弯尽管也不是严格意义上的正比关系，但基本接近正比），而只是双线性关系，所以，其适筋时的延性也不如抗弯适筋梁，只就是概念设计中的强剪弱弯的由来。第二个离散性较大的特性决定了为了满足相同的安全度，就需要更大的强度富裕（平均强度与设计强度之比），这一点在七四规范中反应在安全系数K 中（抗弯 1.4，抗压，抗剪是 1.55)，新规范在公式中已经不见，但可从背景材料的统计回归上找到。第三个特性即混凝土的蠕变性能是塑性内力重分布的条件之一，正如一位学者所说，合理设计的混凝土结构能按设计者的意图调节其内力。带裂缝工作的构件其塑性铰不是一点而是一个区域。在结构的概念设计中，有一条很重要，是在罕遇地震时，结构不存在强度的富裕而只有抵抗变形能力的好坏之分，即结构都要进入塑性变形阶段（或弹塑性阶段）。设计时，让塑性铰出现在什么地方；让多少构件适量破坏以吸收地震输入能量，而地震之后又容易修复；那些关键构件是最后防线等等，这才是抗震设计的精髓。根据这个思路，就不难理解抗震规范中的许多要求了。比如说，短柱有典型的剪切破坏特征，配箍率和轴压比直接影响到柱的延性。框支剪力墙结构因变形过于集中而影响到抗震性能，转换板结构刚度突变最大，在高烈度区尽量少用。7.钢结构设计的基本方法7.1 结构选型与结构布置在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是概念设计,它在结构选型与布置阶段尤其重要. 对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。 运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础，柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线。否则应考虑结构的扭转，结构的抗侧应有多道防线，比如有支撑框架结构,柱子至少应能单独承受1/4 的总水平力。框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。 7.2 预估截面结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H 型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/201/50 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b 限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。 确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比预估，通常50150, 简单选择值在100 附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H 型钢截面等。初学者需注意，对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同。 如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。 7.3 结构分析目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P-,p-。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件:典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。简单结构通过手算进行分析。复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。 7.4 构件设计构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn)，通常主结构使用单一钢种以便于工程管理，经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面，当强度起控制作用时,可选择Q345；稳定控制时，宜使用Q235。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000 等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。 但是，初学钢至少应注意两点： 7.4.1 软件在做构件(主要是柱)的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,结构师应该逐个检查。 7.4.2 当上面第(三)条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。(1) 强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度，其中,抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。(2) 变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。8. 混凝土高层结构设计的基本知识高层建筑结构要抵抗竖向和水平荷载，在地震区，还要抵抗地震作用。因此，在高层建筑结构设计时，不仅要求结构具有足够的强度，而且还要求有足够的刚度，高层建筑结构应具有足够的延性。这样才可以在满足使用条件下能达到既安全又经济的设计要求。8.1 高层建筑平面布置的合理性8.1.1 结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风力作用下则可适当放宽。抗震设防的高层建筑，平面形状宜简单、对称、规则，以减少震害。除平面形状外，各部分尺寸都有一定的要求。首先，平面的长度比不宜过大，L/B 一般宜小于6,以避免两端相距太远，震动不同步，由于复杂的振动形态而使结构受到损害。长矩形平面的尺寸目前一般在70-80M 以内。为了保证楼板在平面内有很大的刚度，也为了防止或减轻建筑物各部分之间振动不同步，建筑平面的外伸段长度C 应尽可能小。平面凹人后，楼板的宽度应予保证，Z 形平面的重叠部分应有足够长度。另外，由于在凹角附近，楼板容易产生应力集中，要加强楼板的配筋。在设汁中，L/R 的数值7 度设防时最好不超过4；8 度设防时最好不超过3,C/D 的数值最好不超过1.0.8.1.2 为了防止楼板削弱后产生过大的应力集中，楼电梯间不宜设在平面凹角部位和端部角区，但建筑布置上，从功能考虑，往往在上述部位设楼电梯间。如果确实非设不可 ,则应采用剪力墙筒体予以加强。8.1.3 在高层建筑周边设置低层裙房时，裙房可以单边、两边和三边围合设置，甚至高层主楼置于裙房内.当裙房面积较小，与主楼相比其刚度也不大时，上、下层刚度中心不一致而产生的扭转影响较小，可以采用偏置形式;当裙房面积较大，裙房边长与主楼边长之比大于1.5 时，宜采用内置式。8.1.4 高层建筑物设置了伸缩缝、沉降缝或防震缝后，独立的结构单元就是由这些缝划分出来的各个部分。各独立的结构单元平面形状和刚度对称，有利于减少地震时由于扭转产生的震害。平面不规则、刚度偏心的建筑物，在地震中容易受到较严重的破坏。因此，在设计中宜尽量减小刚度的偏心。如果建筑物平面不规则、刚度明显偏心，则应在设计时用较精确的内力分析方法考虑偏心的影响，并在配筋构造上对边、角部位予以加强。8.1.5 平面过于狭长的建筑物在地震时由于两端地震波输人有位相差而容易产生不规则振动，产生较大的震害，平面有较长的外伸时。外伸段容易产生局部振动而引发凹角处破坏。需要抗震设防的A 级高度钢筋混凝上高层建筑，其平面布置宜符合下列要求: 1)平面宜简单、规则、对称、减少偏心，否则应考虑扭转不利影响; 2)平面长度不宜过长，突出部分长度L不宜过大，凹角处宜采取加强措施。8.1.6 抗震设计的B 级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。8.1.7 角部重叠和细腰形的平面图形，在中央部位形成狭窄部分，在地震中容易产生震害，尤其在凹角部位，因为应力集中容易使楼板开裂、破坏。这些部位应采用加大楼板厚度，增加板内配筋设置集中配筋的边梁，配置45斜向钢筋等方法予以加强。当楼板平面过于狭长、有较大的凹人和开洞而使楼板有过大削弱时，应在设计中考虑楼板变形产生的不利影响。楼面凹人和开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半，楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30% ;在扣除凹人和开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5M。且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2M。8.1.8 抗震设计时，当建筑物平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较规则的结构时，宜设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元。8.2 高层建筑结构竖向布置的合理性8.2.1 历次地震震害表明:结构刚度沿竖向突变、外形外挑内收等，都会产生变形在某些楼层的过分集中，出现严重震害甚至倒塌。所以设计中应力求自下而上刚度逐渐、均匀减小，体型均匀不突变。1995 年阪神地震中，大阪和神户市不少建筑产生中部楼层严重破坏的现象，其中一个原因就是结构刚度在中部楼层产生突变。有些是柱截面尺寸和混凝土强度在中部楼层突然减小。有些是由于使用要求而剪力墙在中部楼层突然取消，这些都引发了楼层刚度的突变而产生严重震害。8.2.2 抗震设计的高层建筑结构。其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80 %。结构竖向抗侧力构件不宜不连续楼层的侧向刚度可取地震作用下该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。8.2.3A 级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的承载力不宜小于其上一层的80% ,不应小于其上一层的56.5%.B 级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的承载力不应小于其上一层的75% 。（楼层层间杭侧力结构承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。）8.2.4 抗震设计时，当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度与房屋高度H 之比大于0.2 时，上部楼层收进后的水平尺寸B1，不宜小于下部楼层水平尺寸B 的.75 倍.。当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B 不宜小于上部楼层水平尺寸的0.9 倍，且水平外挑尺寸A 不宜大于4M.8.2.5 结构刚度沿竖向突变、外形外挑或内收等，都会产生某些楼层的变形过分集中，出现严重展害甚至倒塌。所以设计中应力求使结构刚度自下而上逐渐均匀减小，体形均匀、不突变。8.2.6 顶层取消部分墙、柱而形成空旷房间时，其楼层侧向刚度和承载力可能比其下部楼层相差较多，是不利于抗震的结构，应进行详细的计算分析，并采取有效的构造措施。如采用弹性时程分析进行补充计算、柱子箍筋应全长加密配置、大跨度屋面构件要考虑：1)减小土的重量，降低地基的附加压力;2)提高地基土的承载能力;3)减少地震作用对上部结构的影响。9.结构设计优化与用钢量的关系大家一谈到设计优化，就一定要说结构用钢量的优化问题。其实这是一个误区。对于优化理论，应该是有以下几个方面：第一，功能不变，减少投入，这是一种优化；第二，投入不变，工程得到改善，是也是一种优化；第三，投入增加很少，工程得到大的改善，这也是一种优化；第四，功能减低很小，投入大大减少，这也是一种优化。所以优化是不同种类和形式的。所以设计优化不仅体现在结构方面，对于其他专业的技术条件，同样也是应该重要的内容。例如，建筑专业采用轻质维护结构，就可以减少结构的自重，结构用钢量就一定会减少。这就是整体设计优化的一个点。但会给设计优化带来突破。对于不同方面有不同的设计优化问题。对于开发商，最关心的设计优化问题之一。就是用钢量降低的问题；对于管理单位，最关心的设计优化问题是，日常使用和维护费用的减低问题；对于使用单位，最关心的设计优化问题是，使用功能的完善和使用舒适的问题。由于出发点不同，所要求的设计优化问题也不同。所以说，设计优化是一个系统问题。对于结构优化设计，主要问题之一就是降低用钢量的问题。对于用钢量这个问题，应该有三个部分组成。其一，是保证结构安全的结构设计的钢材。这部分只要结构方案不改变，是不能进行设计优化的部分。所以选择合理的设计方案，是关系到工程成本的大问题；其二，是保证结构构造要求的钢材。这部分同样是不能进行设计优化的部分；其三，是一些保证结构安全的附加钢材，这部分是可能进行设计优化的内容，往往有些设计者自身概念不清，又缺少实际工作经验，盲目的加大这部分用钢量。10.结构设计的简要过程10.1 看懂建筑图结构设计，就是对建筑物的结构构造进行设计，首先当然要有建筑施工图，还要能真正看懂建筑施工图，了解建筑师的设计意图以及建筑各部分的功能及做法，建筑物是一个复杂物体，所涉及的面也很广，所以在看建筑图的同时，作为一个结构师，需要和建筑，水电，暖通空调，勘察等各专业进行咨询了解各专业的各项指标。在看懂建筑图后，作为一个结构师，这个时候心里应该对整个结构的选型及基本框架有了一个大致的思路了.10.2 建模(以框架结构为例)（关键）当结构师对整个建筑有了一定的了解后，可以考虑建模了，建模就是利用软件，把心中对建筑物的构思在电脑上再现出来，然后再利用软件的计算功能进行适当的调整，使之符合现行规范以及满足各方面的需要.现在进行结构设计的软件很多，常用的有PKPM，广厦，TBSA 等，大致都差不多。这里不对软件的具体操作做过多的描述，有兴趣的可以看看，每个软件的操作说明书（好厚好厚的，买起来会破产）。每个软件都差不多，首先要建轴网，这个简单，反正建筑已经把轴网定好了，输进去就行了，然后就是定柱截面及布置柱子。柱截面的大小的确定需要一定的经验，作为新手，刚开始无法确定也没什么，随便定一个，慢慢再调整也行。柱子布置也需要结构师对整个建筑的受力合理性有一定的结构理念，柱子布置的合理性