混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計之淺析

呂秋平

【摘 要】本文以混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計為例，首先分析了混凝土結(jié)構(gòu)設計的基本原則及主要內(nèi)容，同時重點論述了混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的注意事項，以利于提高設計的質(zhì)量。保證結(jié)構(gòu)的安全。

【關(guān)鍵詞】混凝土；結(jié)構(gòu)設計；基本原則；主要內(nèi)容；注意事項

前言

當前，在混凝土結(jié)構(gòu)設計中需要注意的重點內(nèi)容以及細節(jié)還有很多，因此，在建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計中充分考慮到建筑具有的力學材料特性，并對混凝土結(jié)構(gòu)的設計過程進行優(yōu)化，在眾多實踐的基礎上加強建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計，以便于減少建筑在日后可能發(fā)生的各種不同程度的危害，最大限度的減少建筑對人們正常生活的影響。進而確保建筑混凝土結(jié)構(gòu)的安全設計要求，同時確保對建筑的質(zhì)量以及舒適度要求。

1、混凝土結(jié)構(gòu)設計的基本原則

目前，隨著人們對建筑質(zhì)量的安全要求越來越高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應用也逐漸趨向于廣泛化。而混凝土結(jié)構(gòu)在應用中必須面臨的一項問題就是其設計要達到相應的技術(shù)規(guī)范標準的要求，而要想達到該要求，在混凝土結(jié)構(gòu)的設計中就必須遵循相應的技術(shù)原則，從而對建筑結(jié)構(gòu)的使用維護以及施工設計加以保證。我國建筑設計規(guī)范中明確規(guī)定，混凝土的結(jié)構(gòu)設計必須滿足建筑對安全性、耐久性以及舒適性的設計要求。

所謂混凝土設計的安全性原則指的是混凝土結(jié)構(gòu)可以承受在規(guī)定年限內(nèi)可能發(fā)生的各種突發(fā)的狀況，并且，如果在合理的使用年限范圍內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)事件，混凝土的結(jié)構(gòu)必須有一定的穩(wěn)定性；而混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性指的是以混凝土結(jié)構(gòu)為主的建筑在其規(guī)定的使用年限之內(nèi)，該建筑的結(jié)構(gòu)必須具有一定的耐久性，至少要大于或等于建筑的使用年限；而混凝土結(jié)構(gòu)設計的適用性則指的是以混凝土結(jié)構(gòu)為主的建筑應該在其規(guī)定的合理使用的年限之內(nèi)，滿足用戶對建筑的使用要求，即對混凝土結(jié)構(gòu)的抗振、抗裂縫或者抗變形的性能有較高的要求。

2、混凝土結(jié)構(gòu)設計的主要內(nèi)容

2.1 計算地震作用。規(guī)范中要求規(guī)則結(jié)構(gòu)不計算扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的時候，平行于地震作用力方向的兩邊要乘以放大系數(shù)，一般較短邊乘以1.15的系數(shù)，長些的邊乘以 1.05 的系數(shù)，扭轉(zhuǎn)剛度小時要按大于或等于1.3采用，地震作用計算要考慮扭轉(zhuǎn)耦連產(chǎn)生的影響；質(zhì)量、剛度不對稱分布的結(jié)構(gòu)要計入雙向水平方向的地震作用扭轉(zhuǎn)影響。

2.2 計算質(zhì)量系數(shù)。一般工程采用不少于 9 的質(zhì)量系數(shù)，如果是2層結(jié)構(gòu)采用6個，一般是取3的倍數(shù)，每層有3個自由度。計算的時候要檢查質(zhì)量振型參數(shù)，要保證不能小于90%，如果不夠的情況，將導致設計的結(jié)構(gòu)不夠安全。

2.3 計算最小地震剪重比。規(guī)范強制要求各樓層剪重比不小于規(guī)范給出的標準，當不滿足要求時要檢查質(zhì)量系數(shù)，有效的質(zhì)量系數(shù)不夠要增加振型數(shù)的計算；有效質(zhì)量系數(shù)能夠滿足時可能結(jié)構(gòu)設計不合理，要合理分布結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度。

2.4 計算結(jié)構(gòu)的位移、周期。周期比要控制在大震下扭轉(zhuǎn)振型不靠前，用樓層豎向最大位移限制層間最大位移，位移比取最大和平均位移比值。

2.5 計算柱長度。進行框架結(jié)構(gòu)P-Δ效應計算時不再需要計算框架柱的計算長度L0，規(guī)范第6.2.20條第2款表6.2.20-2中框架柱的計算長度L0主要用于計算軸心受壓框架柱穩(wěn)定系數(shù)φ，以及計算偏心受壓構(gòu)件裂縫寬度的偏心距增大系數(shù)時采用。

2.6 確定柱配筋的方式。單偏壓方式是按規(guī)范公式計算的，雙偏壓則是用數(shù)值積分法，整體計算建議使用單偏壓方式，得出具體結(jié)果時再用雙偏壓復核。

3、混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的注意事項

3.1 柱的優(yōu)化設計

①框架柱的截面設計。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，柱的截面尺寸從下到上逐漸縮小，以節(jié)約投資，使設計更合理。柱截面尺寸減小的間隔層數(shù)為3～5層，如果間隔太密，會造成模板浪費、施工不便；太疏又起不到節(jié)約投資、降低造價的目的。每次每側(cè)減小的尺寸以100～150為宜，如減得太多，有可能導致結(jié)構(gòu)豎向剛度突變。另外，柱的最小截面尺寸應符合《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB50010-2010》第l1.4.11條的規(guī)定：抗震等級為四級或?qū)訑?shù)不超過2層時，其最小截面尺寸不宜小于300mm，一、二、三級抗震等級且層數(shù)超過2層時不宜小于400mm；圓柱的截面直徑，抗震等級為四級或?qū)訑?shù)不超過2層時不宜小于350mm，一、二、三級抗震等級且層數(shù)超過2層時不宜小于450mm。

②框架柱的箍筋肢距?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB500l0-2010》第l1.4.15條規(guī)定"柱箍筋加密區(qū)內(nèi)的箍筋肢距：一級抗震等級不宜大于200mm；二、三級抗震等級不宜大于250mm和20倍箍筋直徑中的較大值；四級抗震等級不宜大于300mm。此處的"箍筋肢距" 的定義，規(guī)范沒有明確的說明。按一般的理解，箍筋肢距應為每肢箍筋的水平距離。因此不少設計人員在設計時將箍筋肢距一律按均勻分布且不大于200mm（以一級抗震等級為例）。這樣將使混凝土的澆搗發(fā)生困難。因為混凝土在澆搗時，是不允許從高處直接墜落的，必須使用導管，將混凝土引導到根部，然后逐漸向上澆灌。如果箍筋肢距過小，將無法使用導管。筆者認為"箍筋肢距" 應理解為"柱縱向鋼筋的箍筋拉接點之間的距離"由此可以采用箍筋形式，這樣既便于施工，對柱鋼筋的拉接，也符合要求。

2.2 梁的優(yōu)化設計

①框架梁的負筋只需按計算配夠，不必增加配筋量。在框架結(jié)構(gòu)的計算中，由于地震作用、風荷載等水平力的作用，往往使得框架梁的粱端負彎距遠大過跨中正彎距。為了避免框架梁負筋過多過密，往往都將框架梁的負彎距乘以一個0.85左右的調(diào)幅系數(shù)進行調(diào)幅，使梁端負彎距減少，并相應增加跨中正彎距，使梁的上下配筋均勻一些。

②梁側(cè)縱向鋼筋的配置。梁側(cè)縱向鋼筋包括梁側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋和梁側(cè)抗扭縱筋。新混凝土設計規(guī)范規(guī)定梁腹板高度hw≥450mm梁側(cè)應沿高度配縱向構(gòu)造鋼筋，且間距不大于200mm。梁側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋對防止梁側(cè)面的開裂具有非常重要的作用。

梁側(cè)縱向鋼筋的直徑不應太大，一般以φ12～φ16為宜。在實際設計中，常常見到梁側(cè)抗扭縱筋很大的情況，這是由于電算結(jié)果顯示抗扭縱筋的面積較大。對這種情況應在計算和設計上做一些調(diào)整：A由于目前電算程序在結(jié)構(gòu)構(gòu)件分析時尚不能考慮現(xiàn)澆樓板對梁扭轉(zhuǎn)的影響，而是由程序給出一個梁扭距折減系數(shù)，合理選用梁扭距折減系數(shù)對控制梁的扭距是很重要的，一般情況可取0.4～0.6。B對跨度較大的次粱支承于主梁上時，次梁的支承端會對主梁產(chǎn)生較大的扭距，這時可在電算程序中指定該次梁的端支座為絞接。這種方法對解決粱在受剪扭情況下的超筋超限是非常有效的。C有時雖然做了以上調(diào)整，但梁的抗扭縱筋面積仍然較大。此時應將抗扭縱筋面積分攤一部分到粱的四根角筋其余部分面積按梁側(cè)腰筋設置，梁腰筋直徑仍以φ12～φ16為宜。

2.3 基礎優(yōu)化設計

①基礎墊層與保護層。混凝土基礎墊層的作用：一可方便施工，保證基礎混凝土的澆筑質(zhì)量，二可兼作混凝土保護層，對鋼筋起保護作用。設計時，配有鋼筋的柔性基礎宜考慮設置墊層。墊層的厚度通常取70-100mm。在基本積極條件較好時，也可以不設墊層，但應注意施工時確保鋼筋的保護層厚度滿足要求。按規(guī)定，有墊層時，最小混凝土保護層厚度為40mm，無墊層時則為70mm。如果設置的墊層伸出基礎四邊，其伸出長度與墊層厚度相同。

②基礎寬度或面積的計算。在計算基礎寬度或面積的時，往往由于力學模型不明確或考慮問題不周詳，使得基礎寬度或面積不足：

情況一：墻體上作用有較大的集中力。當墻體上有較大的集中力作用時，通過墻體和基礎可將此集中力向地基擴散，但這種擴散是有一定范圍的，并且基底土反力并非均勻分布。如果設計時用該集中力除以墻段長度得到的平均線荷載來計算基礎寬度，則可能造成局部基礎寬度不足。

情況二：縱橫墻體相交處，存在著基礎面積重疊問題，由于地基受力面積的重復使用，造成地基應力加大。在四墻相交的十型節(jié)點處，三墻相交的口型節(jié)點處應力集中最為顯著。因此，必須調(diào)整局部某局部基礎寬度以滿足地基承載力的要求。上文提出了采用局部調(diào)整系數(shù)調(diào)整基礎寬度的方法。

情況三：柱下單獨基礎與墻下條形基礎混用，在框架結(jié)構(gòu)中，有時為了減小柱基所受壓力而設置墻下條形基礎以承受底層墻體的重量。此時，由于地圈梁的作用，實際仍有一部分墻重難以計算，設計時往往忽略，從而導致柱下基礎面積偏小。因此，筆者認為設計時應盡可能地使得計算模型簡化和明朗化，從而避開由于結(jié)構(gòu)模型模糊造成的隱患。

4、結(jié)束語

總之，由于混凝土結(jié)構(gòu)的特點及其復雜性，使得混凝土在結(jié)構(gòu)設計中存在一些問題，因此在工程中執(zhí)行人員要做到安全適用，技術(shù)先進，確保施工質(zhì)量，落實混凝土結(jié)構(gòu)設計的新規(guī)范。

參考文獻：

[1] 紀福宏，郭惠琴，混凝土結(jié)構(gòu)設計中若干問題的探討[J]，山西建筑，2010，（11）

[2] 賈旭偉，混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫成因及控制措施[J]，山西建筑，2008（1）：141