建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的若干問題探討

鐘千云

【摘要】隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，混凝土已經(jīng)在廣泛的應(yīng)用于工程建設(shè)中去成為現(xiàn)代建筑的標(biāo)志?；炷恋氖褂?，提升了建筑結(jié)構(gòu)和使用性能的質(zhì)量，為我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展提供發(fā)展動力，也為城市建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。文章針對建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的若干問題進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】建筑混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計；問題；控制

引言

混凝土作為目前世界上最大的商品之一是因?yàn)榛炷辆哂休^好的延性和較高的強(qiáng)度，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中被廣泛使用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計環(huán)境要求選擇混凝土強(qiáng)度等級。由于在設(shè)計過程中設(shè)計人員的不同而導(dǎo)致設(shè)計風(fēng)格和理念有差異，因此在設(shè)計過程中會存在不同的設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也會有所差異。

1.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的裂紋問題及其控制

1.1 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的裂紋問題

裂紋是固體材料中的某種不連續(xù)現(xiàn)象。多年來，有關(guān)混凝土的現(xiàn)代試驗(yàn)完全證實(shí)了在尚未受荷的混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中存在微裂紋，主要有骨料與水泥石的粘結(jié)面上的粘結(jié)裂紋、水泥漿中的裂紋以及骨料裂紋。而根據(jù)斷裂損傷力學(xué)的觀點(diǎn)，所謂斷裂損傷是在廣義的外載作用下，使材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起微缺陷成胚、孕育、擴(kuò)展和匯通，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)宏觀性能的劣化，最終形成結(jié)構(gòu)宏觀開裂和破壞。因而混凝土結(jié)構(gòu)的破壞過程實(shí)際上是微裂紋的擴(kuò)展、貫通而形成的。近代的混凝土的微觀研究也表明：微裂紋的擴(kuò)展是材料破損程度的標(biāo)志，同時，微裂紋的存在也是一種材料本身固有的物理性質(zhì)。因而，裂紋在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的存在有其必然性。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的裂紋控制

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的裂紋控制方法主要是基于“抗”的思想，下面分別應(yīng)用傳統(tǒng)力學(xué)和斷裂力學(xué)來分析傳統(tǒng)裂紋控制方法：從傳統(tǒng)力學(xué)觀點(diǎn)來看，由于預(yù)先給混凝土梁施加了預(yù)壓應(yīng)力，使混凝土梁在外部荷載作用下梁體下緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力全部被抵消（或部分被抵消），因而可避免混凝土出現(xiàn)裂紋（或推遲出現(xiàn)裂紋），混凝土梁可以全截面參加工作（或增加參加工作的混凝土截面），這就相當(dāng)于改善了梁中混凝土的抗拉性能，而且可以達(dá)到充分利用高強(qiáng)材料的目的。從斷裂力學(xué)觀點(diǎn)來看，混凝土材料內(nèi)部存在許多微缺陷和微裂紋，這些微缺陷和微裂紋在外部荷載作用下會不斷演化、發(fā)展，最終形成宏觀裂紋。預(yù)先在混凝土梁兩端施加一對軸向壓力，相當(dāng)于在梁內(nèi)微裂紋面上作用了一對非均布壓應(yīng)力，這時可以認(rèn)為裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子為負(fù)值。當(dāng)外載在裂紋端部產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子與非均布壓應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大小相等時，裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子為零。這時裂紋并不會失穩(wěn)擴(kuò)展，只有隨著外載的增加，使裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到混凝土材料的斷裂韌性時，裂紋才會失穩(wěn)擴(kuò)展。因此，從斷裂力學(xué)角度來說，由于預(yù)先對混凝土梁施加預(yù)壓應(yīng)力，從而減小了外載作用下裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子，避免或是推遲了混凝土出現(xiàn)裂紋。

2.梁支座的結(jié)構(gòu)形式分析及其設(shè)計可靠性的實(shí)現(xiàn)策略

對于梁支座形式的選擇來說，如果剪力墻與框架梁垂直正面相交，同時剪力墻對梁的約束能力不強(qiáng)時，梁支座形式宜為鉸接。結(jié)構(gòu)計算是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，計算結(jié)果是結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，設(shè)計中選擇合適的計算假定、計算簡圖是得到正確計算結(jié)果的關(guān)鍵。當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計程序中往往把與剪力墻相交的框架梁支座看作固定支座，這種假定不是在任何情況下都是正確的。當(dāng)框架梁與剪力墻正面垂直相交，且剪力墻對梁的約束能力較弱時，很難實(shí)現(xiàn)固定支座的假定，此時宜將梁支座形式人為調(diào)成鉸接支座，否則計算結(jié)果將與實(shí)際不符。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對與剪力墻相交的框架梁，其支座形式要慎重對待，具體工程應(yīng)視框架梁與剪力墻的相對剛度及相交位置、方向，正確判斷剪力墻對梁的約束能力，近而較為準(zhǔn)確地確定框架梁支座形式。對于提高混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計可靠度，在材料強(qiáng)度等級不變的情況下會增加材料用量，增加造價，用高強(qiáng)材料替代低強(qiáng)材料，可有效地降低成本?；炷两Y(jié)構(gòu)中，水平受力構(gòu)件如梁、板，主要以鋼筋的抗力為主，提高鋼筋級別效益較好，設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先采用新規(guī)范提倡的主導(dǎo)鋼筋HRB400（III）級鋼筋；豎向受力構(gòu)件如墻、柱，主要以混凝土的抗力為主，提高混凝土等級效益較好

3.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中注意要點(diǎn)分析

3.1 概念設(shè)計

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗震性能的一種方法。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是要求建筑師和結(jié)構(gòu)師在建筑設(shè)計中應(yīng)特別重視規(guī)范、規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的各條規(guī)定，設(shè)計中不能陷入只憑計算的誤區(qū)。以下在結(jié)構(gòu)體系上，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的選型和平、立面布置的規(guī)則性，擇優(yōu)選用抗震和抗風(fēng)性能好且經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的傳遞地震力途徑，結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近。一般工程都僅進(jìn)行小震下的彈性設(shè)計，而用概念設(shè)計和構(gòu)造措施保證“中震可修，大震不倒”，但沒有驗(yàn)算和證實(shí)，那么建筑物是否真能做到“中震可修，大震不倒”，無人知曉。對抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)的特別重要建筑和超限建筑，審查專家往往會提出更具體的設(shè)計指標(biāo)：中震或大震不屈服設(shè)計；中震或大震彈性設(shè)計；要求設(shè)計單位確保實(shí)現(xiàn)“三水準(zhǔn)”的設(shè)計目標(biāo)。水平地震作用是雙向的，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用，應(yīng)使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力；結(jié)構(gòu)剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結(jié)構(gòu)剛度以減少地震作用效應(yīng)，但是也要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增大，過大的變形將會因p-δ效應(yīng)過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

3.2 結(jié)構(gòu)選型

（1）結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案?！币虼?，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作被動。結(jié)構(gòu)的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為a 級高度的建筑外，增加了b 級高度的建筑，因此，必須對結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為b 級高度建筑甚或超過了b 級高度，其設(shè)計方法和處理措施將有較大的變化。嵌固端的設(shè)置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面。

4.結(jié)語

新時期建筑行業(yè)的快速發(fā)展，無論施工方還是對于使用來說，對于建筑整體質(zhì)量都是非常重視，在建筑工程當(dāng)中，混凝土成為現(xiàn)代建筑發(fā)展的標(biāo)志，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的高低會影響到建筑質(zhì)量的水平高低，如何更好的進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高建筑整體質(zhì)量成為當(dāng)代建筑發(fā)展所要思考的問題，作為設(shè)計人員，一定要不斷提高 自身專業(yè)知識，一定要實(shí)踐和理論相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)問題要及時進(jìn)行糾正，不斷的探索研究，只有這樣，才能不斷的完善建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能提高建筑質(zhì)量。

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