2.5 协同工作在概念设计中的运用

协同工作在概念设计中占有举足轻重的地位，熟练地应用协同工作概念可以加深对规范条文的理解，而且在建筑结构设计中也大有裨益。

1.协同工作与标准规范

高层建筑箱形、筏形、桩箱、桩筏基础多呈碟形沉降，中部沉降多，周边沉降少，除非上部结构为刚度很大的全剪力墙或桩（为支承于基岩的端承桩）。这种碟形沉降导致基础的整体弯矩和上部结构次内力增大，安全度降低。采用增大板厚、增加桩径、桩长、桩数等措施加以解决往往事倍功半。为了解决上述问题，《建筑桩基技术规范》第3.1.8条提出了以减小差异变形和材料消耗为目标，以上部结构—承台—桩—土共同工作分析为基础的变刚度调平设计。该方法通过调整桩土的刚度分布、合理利用上部结构和基础抵抗差异变形，充分发挥土的承载力，可实现控制差异变形、节约材料、降低基础内力与上部结构次应力的目的。实践证明，应用该方法于高层建筑桩筏基础设计，技术经济效益良好。因此，结构体系的设计应该从地基基础与上部结构共同工作相互作用的整体出发考虑。

当具有相对柔性和轻型的建筑物建于坚硬的地基上时，传统做法往往假定基础为刚性，即以刚性基础模型对结构反应进行分析和计算，这一假定对于中低层建筑基本上符合实际情况，但是随着高层及超高层建筑的大量涌现，这类建筑具有很大的刚度和重量，而地基则往往显得相对柔性，这时，刚性地基假设不再合理，必须计入土—结构动力相互作用的影响。实际上，除了建筑物直接建造在整体性良好的基岩上，地基可以近似认为是刚性的情况外，结构与地基和基础的相互作用总是存在的。理论分析和试验研究都表明，结构―地基动力相互作用使体系的动力特性和地震反应与刚性地基上的结构不同，一般表现为：自振周期延长，阻尼增加；内力及弹性位移反应改变；地基运动特性改变等。近30年来，国内外就结构―地基相互作用对结构地震反应的影响已进行了多方面的研究，取得了一些进展，许多国家抗震设计规范中对结构―地基相互作用问题做了一定程度的考虑；我国规范采用把建筑工程的设计地震分为三组，且根据土层的剪切波速对场地土进行分类等措施来近似的考虑这种相互作用。在采用钢筋混凝土框架体系的结构中，隔墙和非承重墙采用砌体墙时，这些刚性填充墙将在很大程度上改变结构的动力特性，对整个结构抗震性能带来一些有利和不利的影响，应该在工程设计中予以考虑。

2.协同工作与结构体系

对于结构体系，协同工作的概念即是要求结构内部的各个构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件在承载能力极限状态下能共同受力，协同工作，同时达到极限状态，还要求它们能有共同的设计使用年限。结构的协同工作表现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为一个有机的整体，不能把两者割裂开来处理。例如，对砌体结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体，而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱的设置，都必须围绕这个中心。对协同工作的理解，还在于当结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。在结构方案设计时，要求尽可能避免出现短柱（图2.8），其主要的目的是使同层各柱在相同的水平位移时，能同时达到最大承载能力，而非短柱提前发生破坏。

如地震区的框架结构，在线弹性阶段，地震剪力在同层各柱间按侧向刚度值分配。当某层柱出现个别短柱时，短柱承担的地震剪力比例较其他柱大。由于地震剪力在一层内沿柱高是常量，短柱内每一处混凝土单元体的剪应力大于同层内非短柱混凝土单元体的剪应力；混凝土单元体剪应力越大，则主拉应力越大，因而短柱全高范围内混凝土会很快开裂，使短柱侧向刚度、抗剪和抗压承载力迅速退化，甚至完全丧失抗震能力。因此，在混凝土框架结构中，为了避免形成短柱，除了结构布置时，优先选用框架-剪力墙或框架-支撑的结构形式外，应采取必要的措施：①柱采用高强混凝土，减小柱截面尺寸；②对于车库与楼面错层处梁，采取加腋处理措施。地下室顶板与室内楼板通常因高差较大不能连续而形成错层及短柱，此时应采取在室内（外）一侧梁设置加腋或室内外两侧梁均设置加腋的构造措施以避免楼板错位形成短柱的不利影响，同时室内外高差处的纵向梁宜为一整体梁（宽度不小于350mm）并按深梁设计，构造参见图2.9。室内外梁加腋重合部分的竖直高度不宜小于300mm，加腋坡度宜大于1:2，不应超过1:1，以利于力的平缓过渡。在室外的地下室梁顶进行加腋时应注意在梁顶与室外地坪中间留出充足的建筑空间，以保证建设备管道的正常设置，不致其露出室外地面。当条件受限无法设置加腋时，应对此段短柱进行受剪承载力验算并采取措施提高其延性；③对于楼梯，可将层间梯梁通过梯柱支承在楼面框梁上，避免楼梯间框架柱成为短柱；④短柱应采取箍筋全高加密措施。

对于框架梁，《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010（以下简称《抗规》）要求跨高比不宜小于4。普通梁和短梁在同一榀框架中并存，抗震极为不利。短梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大，其配筋全部由水平力决定，竖向荷载基本不起作用，甚至于梁端正弯矩钢筋也会出现超筋现象，同时，由于梁的剪力增大，也会使支承柱的轴力大幅增大，这种设计是不符合协同工作原则的。但在实际工程中，短跨框架梁的应用很普遍，特别是内走廊式建筑，其疏散走道位于房屋的中间，形成内廊，两侧设置办公室或宿舍。走道最小净宽度一般在1.8m（办公）～2.2m（宿舍），两侧的办公室或宿舍的进深多在7.5m以上。这样就形成了长短跨相邻的框架结构。对于这种框架结构，如按照一般框架梁跨高比选择截面，由于截面高度较小，往往造成超筋。但如果加大中间短跨框架梁截面高度，将使其线刚度大幅增加，分配到的梁端弯矩也会增加，即使配筋率能够满足要求，梁端的配筋率一般仍在2%以上，造成钢筋布置过密，加大了施工难度，如图2.10所示。另一方面，短跨框架梁截面高度的增加，将使其跨高比小于4，不满足《抗规》对普通框架梁的要求。另外，按照《混凝土设计规范》GB 50010—2010（以下简称《混规》）规定，当梁跨高比小于5时，应该按照深梁受弯构件设计。对公寓楼通过调整柱网尺寸，以保证相邻框架梁跨度相差不大（图2.11），使结构配筋合理。

3.协同工作与优化设计

从理论上讲，结构优化设计就是在给定约束条件下，按某种目标（如重量最轻、成本最低、刚度最大等）求出最好的设计方案，也称结构最优设计。结构设计优化并不是降低结构的安全储备，而是追求最合理地利用材料的性能，使各构件或构件中各几何参数得到最好的协调。设计人员通过进行多方案比较、反复计算以及构造等方面的把控而得到一个安全、经济、合理的设计成果，找到其中安全、经济的平衡点。优化的过程着眼于结构体系和布置的合理性以及新技术的应用。通过减轻重量、合理分配刚度、增大延性等措施使结构更趋合理。有些设计人员在从事结构工程设计时认为，梁截面越大、柱子越粗、楼板越厚、结构构件配筋越多，结构就越安全，这是一种不正确的认识和做法。如当主楼和裙房连为一体时，加大裙房基础的尺寸，会使裙房的沉降减小，从而加大了主楼和裙房的沉降差，反而导致结构不安全；梁截面如果太大，无法保证“强柱弱梁”设计原则的实现，导致地震时柱先于梁破坏，使结构倒塌，这也是四川汶川大地震时，框架结构倒塌的原因之一；楼板越厚，楼盖自重越大，将使梁、柱和基础的安全度下降；柱截面适当增大，对提高结构安全度可能是有利的，但也应该看它们的位置，柱和剪力墙布置的位置比单单加大截面更重要、更有效率。次要位置的柱和剪力墙加大截面，往往会使结构刚度的分布更为不合理并增加了结构自重，反而降低了结构安全度。从结构抗震角度考虑，材料用量越多，结构自重越大，地震作用也越大，如果增加的材料没有用到必要的地方，那么将导致结构抗震性能的降低。合理的选用结构材料是必须的，更重要的另一方面就是经济合理的结构形式，以充分发挥材料的性能与强度潜力，达到用最小用料发挥最大效能的目的。一般情况下，构件轴向受力优于受弯，轴向受拉优于轴向受压；空间结构优于平面结构；组合结构优于单一结构。

4.某住宅小区地下车库顶板结构方案比选

在目前房地产开发项目中，住宅所占比重最大，而地下停车库是住宅小区必备的附属设施。在国家大力推广绿色建筑的今天，一个高品质的地下车库，不仅要能够实现建筑需要的功能需求，更要具有良好的经济性。其中，地下室顶板的建造成本约占整个地下部分建造成本的40%～50%，因此地下室顶板体系选择显得非常重要。住宅小区地下车库顶面通常进行小区绿化，种植树木，因此顶板厚度一般较大，按照规范要求，普通地下室顶板厚度不宜小于160mm，作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构，楼板厚度不宜小于180mm，种植屋面防水层应满足一级防水等级设防要求，防水混凝土结构厚度不应小于250mm，还有些大板结构厚度达到了350mm。设计如此厚重的顶板，很容易造成材料浪费，成本控制失衡。结合规范要求，经济合理的顶板体系的选择一般与如下几个因素有关：

（1）顶板厚度 不同的顶板厚度对应不同的顶板结构体系，板越厚，其平面外刚度越大，在体系中可承担的荷载就越大。当板达到一定厚度，如不小于250mm厚时，不应忽略板的作用，应考虑楼板与梁变形协调，共同承担上部荷载。这种楼板体系通常有无梁楼盖结构、加柱帽大板结构和大板结构。

（2）柱网尺寸 地下车库大柱网尺寸一般取8.1m×8.1m左右，小柱网尺寸取5.4m×6.1m左右，通常大柱网地下车库空间开阔，典型柱跨内上面覆土荷载较大，各种结构体系都可作为备选方案。对于小柱网车库，由于跨度较小，不建议采用加柱帽的无梁楼盖结构。

（3）地下车库层高 车库的层高是车库净高及结构层高度之和，而车库净高为汽车总高加上0.5m的安全距离。停放各种类型的小轿车的地下车库净高在车位处应不小于2.2m，通道处不小于2.4m，加上结构高度及设备（消防喷淋管、电线、灯具、风管）高度。因此停入小轿车的地下车库层高一般为3.9m，若停放中、大型客车，则层高相应增大。

（4）不同结构体系

1）梁板式结构体系。主次梁结构体系为传统的顶板结构体系，根据梁的布置情况可分为单次梁结构、双次梁结构、十字梁结构和井字梁结构等。由于主框架梁截面较高，通常达到900mm左右，适用于开间不大及空间净高比较高的车库，如图2.12所示。

2）无梁楼盖体系。对于要求大空间及净空与层高限制较严格的建筑物经常采用无梁楼盖的形式。无梁楼盖是一种双向受力的板柱结构，目前常用的有大板结构（图2.13）和带柱帽双向密肋空腔楼盖等（图2.14）。空腔楼盖中包含组合模盒，在跨度内设置的现浇钢筋混凝土框架暗梁或明梁，组合模盒间隔形成的各个方向的密肋。这几个组成部分通过协调配合形成一种空心楼盖网状正交的“工”字形暗肋框架梁形式的结构体系，这种组成传力途径明确、结构自重轻、整体刚度大，增强了结构的承载能力和抗震性能。

（5）结构形式的适用范围

1）单向次梁、十字梁、井字梁。在柱网不大于8.1m、荷载不大于24kN/m ² 的情况下，地下车库顶板采用单向次梁或十字梁的结构形式比较经济。当荷载较大，采用上述两种形式不能满足要求时，宜采用井字梁结构形式。但由于井字梁次梁较多，其综合造价比较高。

2）加腋整间大板。覆土较厚、承受荷载比较大的地下室或人防地下室采用大板结构具有很大的优点。由于加腋大板不设次梁，无论是模板安装，还是制作、绑扎钢筋等工序都省时省工，施工方便快捷，综合造价比较低，所以地下车库工程应优先采用加腋大板的结构形式。

3）无梁楼盖。当地下室净高要求较高时，多采用无梁楼盖这种结构形式，它可以较大地降低地下室的层高，减少地下室结构的总埋深，减少土方开挖量。实际上整个地下室工程的经济性分析应充分考虑地下室的层高、埋深、基坑的开挖支护等各项工程的综合造价，确定合理经济的结构形式。总而言之，在地下室结构选型设计的过程中，要最大限度地遵循增加净高度以及地下室空间的原则，还要考虑到管道布置等诸多因素，最大限度地降低地下室的埋置深度，根据实际情况，选择能够优化和改良地下室结构的选型方案。 hWjyUkLl/3rYmD7CIi4iLxkm74AF05E6sWdsqaVM8X8sKyGYpbxHRcWaLjjGCnuB