建筑工程混凝土結構設計方法淺談

董大海

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摘要：根據建筑工程的特點，作為結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計，并能有正確意識地處理構件與結構、結構與結構的關系；介紹了混凝土結構具體的設計方法；從結構的安全性、抗震性、耐久性入手，闡明了結構優(yōu)化措施，以促進建筑工程中混凝土結構設計的優(yōu)化完善。

關鍵詞：混凝土結構；建筑工程；設計方法

一.建筑工程的混凝土結構的設計原則

多道防線必要的剛度、強度、穩(wěn)定性、延性及耗能能力；合理布置抗側力構件，減少地震作用下的扭轉效應結構剛度、強度（承載力）沿豎向宜均勻、連續(xù)分布，避免造成軟弱或薄弱部位。合理控制結構的塑性鉸區(qū)，掌握結構的屈服過程及屈服機制。構件抗震設計的4項基本準則：強節(jié)弱桿、強柱弱梁、強剪弱彎、強壓弱拉。嵌固部位（基礎或地下室），應具有足夠的整體剛度和承載能力。

二、建筑工程混凝土結構的具體設計方法

2.1 完善單元結構的布局設計

獨立的結構單元設計，是建筑工程中的主要結構設計內容，此結構設計工作適合采用簡單、規(guī)則的平面形式，但平面的整體長度與突出部分的長度應當控制于適宜的范圍，且具備均勻分布的承載力與剛度，同時，豎向結構適合采取均勻、規(guī)則的形式，以保證建筑的外挑與內收問題得到有效的控制。

為了實現這一目標，混凝土結構的設計者應在結構設計方案階段，以概念設計知識的想法作為參考，使建筑的適用性與美觀度等要求在得到滿足的基礎上，通過進行優(yōu)化設計，使其結構的平面與豎向布局盡可能地實現簡單、均勻與規(guī)則性，保證其結構剛度與承載力的合理分布，避免建筑獨立結構單元出現過于集中的塑性變形或應力。

2.2優(yōu)化高強的混凝土與鋼筋使用

建筑工程施工需要消耗較多的混凝土，鋼鐵和其他材料，如果混凝土和鋼筋的強度過大，勢必會造成建筑材料總成本超支，并增加其他組件的成本，從而降低了建筑施工的經濟效益。因此，混凝土的結構設計人員應當對高強度的混凝土與鋼筋的使用進行合理的優(yōu)化控制。

以軟土地基施工工程設計為例，高負荷的結構基礎，設計人員可以通過優(yōu)化高強度的混凝土以及鋼筋的使用，使建筑中各構件的截面尺寸得到合理優(yōu)化，從而減輕建筑的結構自重，使建筑的基礎工程建設難度得到大幅度的削減，降低工程的地基處理工作造價。

再以位于震區(qū)的建筑工程的結構設計為例，建筑的自重與地震作用程度成正比例關系，設計人員通過將高強度的混凝土與鋼筋的使用量減少，可以在減輕其梁、板、墻、柱等構件自重的基礎上，降低地震的作用力，進而保證建筑結構的安全程度，使建筑的整體安全度得以提升。

2.3合理設計剪力墻平面結構

建筑工程的結構設計人員對混凝土結構進行設計，還需要充分地重視剪力墻結構的平面布局問題，以保證建筑整體結構受力的均勻性，并使建筑在側向力的影響下出現的位移控制于允許狀態(tài)。具體來講，剪力墻平面結構的優(yōu)化設計主要為以下幾個方面：

1）對作為建筑的基礎功能的基本結構，在滿足功能的前提下，盡可能地使剪力墻的布置實現相對的集中化與均勻化，對具有較高的恒載或者平面形式變化較大的部位設計剪力墻，應當盡量縮小其間距。2）以建筑物或其他方向作為基準的主軸方向，對剪力墻雙向布置，且墻肢截面適合為具備較小的側向剛度的簡單規(guī)則的形式，在設計中還要盡量地減少對短肢剪力墻的使用。

2.4混凝土結構的干縮變形控制

在國家頒布相關建筑工程結構設計標準中明確指出：建筑室內現澆框架結構的伸縮縫間距，必須控制在55m以下，而現澆剪力墻結構的伸縮縫間距則要控制在45m以下。在室外環(huán)境中，混凝土結構的伸縮縫更加要注意嚴格控制，其具體設計要求如下：1）干縮裂縫：在現澆混凝土的凝固硬化過程中，經常會出現不同程度的收縮應力，而建筑結構中則會出現規(guī)則或不規(guī)則的干縮裂縫，建筑結構形式越長，干縮裂縫也越大，所以，在混凝土結構的設計中，必須嚴格控制結構形式的長度；2）結構控制：為了有效解決建筑工程混凝土結構的干縮變形問題，可以采取合理分布混凝土后澆帶的設計方案，即將大樓板的面積劃分為若干小區(qū)格，按照順序進行小區(qū)格的混凝土澆筑，待小區(qū)格內的混凝土干縮變形完全結束后，對于區(qū)格之間的預留區(qū)域進行混凝土澆筑，以有效解決混凝土結構的干縮變形問題。

2.5女兒墻的優(yōu)化設計

在建筑工程中，屋面女兒墻的作用是不容忽視的，其對于澆筑整體效果的影響也較大。尤其是在屋面高大女兒墻的設計中，由于難以直接參與建筑工程主體結構的研究，所以，必須進行嚴格、周密的計算，以得出準確的女兒墻自重。如果女兒墻的高度較低即可達到相關要求，對于建筑結構安全的影響較小。如果在女兒墻高度上升的過程中，地震荷載、風荷載效應的變化較為明顯，則有可能不同程度的影響到建筑結構的安全。在女兒墻較高的情況下，必須從采用科學的方法和專業(yè)的軟件計算出女兒墻承受的水平荷載，而對于配筋的計算則要借鑒支承于屋頂的懸臂板，并且運用雙層鋼筋。屋面女兒墻與建筑工程主體結構之間的關聯(lián)較大，與屋面女兒墻相連接的框架梁或墻必須滿足相應的強度要求。

三.建筑工程的混凝土結構具體設計措施

3.1結構安全性

3.1.1提高建筑結構設計人員對安全性的重視

在設計過程中，應結合工程建設的實際情況，做到對規(guī)范意義的深刻理解，細化設計每一個基本結構，善于總結經驗教訓，反思工作，為今后的建筑結構設計累積經驗。在對建筑物進行結構設計時，結構設計人員要發(fā)揮自身主導作用，轉換陳舊設計觀念，正確對待建筑結構設計安全度的重要性。

3.1.2提高構件的承載能力，保證構件的安全性

應充分研究各種設計荷載：如構件自重，建筑物樓屋面活載，風荷載，雪荷載在結構中產生的效應及各結構構件是否具有抵抗這些效應的能力。構件的承載能力狀態(tài)是進行結構設計的依據，結構只有滿足承載能力極限狀態(tài)的最大承載能力，才能使結構滿足安全性的要求

3.2抗震概念

在設計過程中，設計人員以抗震概念設計為基礎，通過結構抗震等級來抗震試驗，或者借鑒相似建筑的抗震設計經驗等，對建筑工程的結構體系、平立面設計、結構構件延展性等進行優(yōu)化設計，以使建筑的抗震能力得到有效的提升。

具體而言，在結構設計方面，設計人員應盡量選擇空間結構和平面布局這種簡單的規(guī)則形式，作為建筑的整體結構。同時，設計人員還要通過進行合理的布局，使建筑的質量與剛度實現均勻平衡的分布。

在立面設計上，設計師可以將墻體設置均勻對稱的形式從而提升爬樓梯或電梯的井筒等具備較高剛度的結構布置的集中性，將抗震墻設計為符合建筑結構整體抗震需求的形式，提高平面建筑結構抗震性能。而且，還要保持各轉換層結構在豎向剛度方面分布的接近，并使剪力墻的設計可以將墻面豎向持續(xù)地貫通到建筑底部。

3.3耐久性

3.3.1選擇的混凝土材料。

混凝土拌合物和易性要求，在水泥品種的選擇上也要認真進行分析，通常條件下，可以考慮使用普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥等品種，由于礦渣水泥在保水性能上相對普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥較差，其泌水性也相對較大，因此在高層建筑中通常不考慮選擇礦渣水泥。另外，高層建筑混凝土還不宜使用火山灰質的硅酸鹽水泥。為了滿足高層建筑對混凝土的要求，所選用的水泥必須滿足高層建筑混凝土對水泥在質量和性能上的要求，只有這樣，才能保證高層建筑的質量。

3.3.2 合理設計結構構造形式

設計人員應根據建筑物的環(huán)境類別與設計使用年限，控制混凝土構件的保護層厚度在20mm～70mm之間，并通過協(xié)調構件的截面積與表面積，避免侵蝕性物質集中停留區(qū)域的形成，同時注意高侵蝕度的環(huán)境，混凝土墻板的通風效果，并注意配筋間距的合理設計，以減少鋼筋銹蝕、保護層剝離等問題的出現。

四.結束語

由上可見，結構設計師必須掌握加強設計和分析的原理，根據設計原則和具體要求，從整個設計工作和設計等方面具體內容，采取有效的策略。從而優(yōu)化和完善混凝土結構的設計。