結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中的一些常見問題分析

文/宋振明 東營(yíng)筑城建筑設(shè)計(jì)有限公司 山東東營(yíng) 257000

1、結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)的原則分析

結(jié)構(gòu)安全性主要是指在外在因素的影響下，能防止出現(xiàn)倒塌或被破壞的性能，這也是結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要衡量指標(biāo)。通常結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)過程中要遵循如下原則：①注重建筑結(jié)構(gòu)的多重防護(hù)。對(duì)于設(shè)計(jì)而言，其安全設(shè)施要由多個(gè)部門相互合作，在建筑物中預(yù)留足夠的逃生和消防通道，對(duì)面積中的公共部分進(jìn)行科學(xué)劃分。同時(shí)在設(shè)計(jì)中不能只關(guān)注結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還要注意外圍的安全設(shè)計(jì)，結(jié)合自身功能和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能與安全。②注重結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一及完整。建筑物的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)具備完整性的特征，特別是大型地標(biāo)性建筑的設(shè)計(jì)，應(yīng)該高度注重結(jié)構(gòu)的性能，當(dāng)建筑物整體遭受破壞荷載時(shí)，要保證構(gòu)件受力的科學(xué)性及主體結(jié)構(gòu)的完整性，借助結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)部抵消、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等。③注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛?cè)岵⑦M(jìn)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)要充分體現(xiàn)剛?cè)岵⑦M(jìn)的原則，若結(jié)構(gòu)過剛，則建筑物在較大的破壞力作用下會(huì)出現(xiàn)大面積坍塌，降低變形能力；而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過柔，往往不能保證建筑物的穩(wěn)定性，建筑物因過大的變形而出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須要恰當(dāng)選擇建材，尤其是韌性和彈力性能良好的材料，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，借助建材自身的彈性與地震作用力相互作用，進(jìn)而促進(jìn)抗震性能的提升。值得注意的是，結(jié)構(gòu)自身的設(shè)計(jì)要以實(shí)用性和安全性為主，盡量采用有一定彈性的結(jié)構(gòu)形式。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的常見問題及解決措施

2.1 地梁中存在的問題

地梁普遍存在于一些結(jié)構(gòu)形式之中，它對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系有著重要的影響，因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在對(duì)地梁的處理過程中，一定要對(duì)其復(fù)核驗(yàn)算，小心處理。地梁與基礎(chǔ)直接相連，不僅具有拉結(jié)作用，還可以解決一定程度上的不均勻沉降作用。另外，當(dāng)基礎(chǔ)埋置較深時(shí)，往往還能降低框架柱的計(jì)算高度，有利于其他承重構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

地梁的設(shè)計(jì)問題往往得不到設(shè)計(jì)人員的重視，因此，對(duì)其設(shè)計(jì)方法也存在很多異議。目前，主要分為以下兩種:第一，將地梁全程參與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，直接按實(shí)際的截面尺寸輸入到結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，參與基礎(chǔ)整體計(jì)算。這種設(shè)計(jì)方法具有一定的科學(xué)性，有利于在實(shí)際工程的應(yīng)用。第二，直接將地梁分離出基礎(chǔ)來，并不參與基礎(chǔ)的內(nèi)力計(jì)算，忽略地梁和上部結(jié)構(gòu)的相互影響，取出一榀或幾榀地梁?jiǎn)为?dú)計(jì)算。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際操作過程中存在相當(dāng)大的安全隱患。

2.2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題

地基基礎(chǔ)的形式有很多種，其設(shè)計(jì)方法也不盡相同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑物所在地區(qū)具體地質(zhì)條件綜合考慮，合理的選擇基礎(chǔ)。比較成熟的地基基礎(chǔ)形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，目前問題較少，不再贅述，這里著重討論預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。預(yù)應(yīng)力管樁作為高層的常用地基基礎(chǔ)形式，其可承樓層高度已達(dá)四五十層，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:首先，預(yù)應(yīng)力管樁在工廠生產(chǎn)，其樁身強(qiáng)度高、質(zhì)量好、可靠性大，對(duì)不同地質(zhì)的適應(yīng)能力很強(qiáng)、造價(jià)比較低廉。其次，在施工方面，穿透力強(qiáng)、施工速度快、吊裝方便。但是，該樁在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)斷樁的情況，這主要是在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)應(yīng)力管樁的單樁承載力取值過高，對(duì)水平作用力的考慮明顯不足造成的。雖然單樁承載力極限值是根據(jù)實(shí)際工程的地質(zhì)勘察報(bào)告，按照規(guī)范的通用公式計(jì)算得來，但如果管樁樁端的持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)，將樁身極限抗壓強(qiáng)度的上限作為樁的豎向承載力極限值，在上部有深厚的弱土層時(shí)，如此的取值只考慮了上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載，卻對(duì)底部水平向的剪力考慮不充分，容易造成預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)的水平剪切破壞。

2.3 框架柱的截面設(shè)計(jì)過小

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)防烈度較低的部分區(qū)域普遍存在這種問題，一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在計(jì)算時(shí)為讓開發(fā)商錯(cuò)誤的認(rèn)為設(shè)計(jì)的建筑比較經(jīng)濟(jì)，故意設(shè)置較小的截面，這樣就增大了梁柱的線剛度比，將梁簡(jiǎn)化為了簡(jiǎn)支梁，然后按照軸心受壓來考慮柱子的設(shè)計(jì)。但這樣的設(shè)計(jì)方法卻沒有考慮柱子的約束彎矩，從而直接影響到柱子的抗彎能力。因而，這需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從業(yè)人員一定要按照規(guī)范嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)過程，不能忽略了結(jié)構(gòu)的安全性問題。

2.4 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題

混凝土的本身溫度性質(zhì)和地基的不均勻沉降等問題，會(huì)導(dǎo)致超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的開裂，因而，應(yīng)該設(shè)置伸縮縫來解決這一問題?；炷烈?guī)范中規(guī)定框架結(jié)構(gòu)在室內(nèi)或土中，建筑物的最大伸縮縫距離為55m，剪力墻結(jié)構(gòu)在室內(nèi)或土中，建筑物的最大伸縮縫距離為45m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的房屋伸縮縫間距，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況，取框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)之間的數(shù)值，然后又指出當(dāng)采用后澆帶施工方法時(shí)，如果能夠保證有專門的預(yù)加應(yīng)力措施或能采用減小混凝土溫度變化的措施，如采用低收縮混凝土，或采取跳倉法、控制縫等施工方法時(shí)，伸縮縫的距離可以適當(dāng)增大。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，在實(shí)際工程中較難把握。實(shí)際工程中難以保證每超50米左右就設(shè)置伸縮縫，但采取后澆帶來增大設(shè)置間距時(shí)，應(yīng)控制建筑物的長(zhǎng)度是多少呢?

憑借作者長(zhǎng)期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，這取決于每個(gè)地區(qū)的溫差和不同混凝土配比的收縮性能。在70m以內(nèi)且當(dāng)采用后澆帶等措施后，不再設(shè)置伸縮縫是完全可行的，至少，在大量的工程案例中證明并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫問題。但是，在概念上，應(yīng)該預(yù)先在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)建筑物梁、柱、板的配筋方式進(jìn)行一些調(diào)整。第一，板的配筋應(yīng)是雙層的，加強(qiáng)受彎矩最大的中間部位配筋，而且，在相連的梁柱上，應(yīng)做加強(qiáng)筋，避免溫度帶來的推力影響。第二，超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的邊角部位很容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，因此，也應(yīng)做相應(yīng)加強(qiáng)。當(dāng)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度超出70m之后，應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加詳盡的分析，可采用施加預(yù)應(yīng)力和添加膨脹劑等措施避免伸縮縫的設(shè)置，并應(yīng)采用相應(yīng)計(jì)算軟件計(jì)算溫度應(yīng)力的影響。但效果可能不夠好，所以，作者還是建議按照規(guī)范要求在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置伸縮縫。

2.5 鋼筋錨固中存在的問題

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代高層中普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，在對(duì)剪力墻的設(shè)計(jì)過程中，往往因?yàn)榧袅Φ暮穸冗_(dá)不到要求，從而導(dǎo)致水平錨固的長(zhǎng)度也達(dá)不到要求。而且由于設(shè)計(jì)、施工在工藝上的分離，往往得不到相關(guān)從業(yè)人員的重視，以至于現(xiàn)場(chǎng)工人不規(guī)范綁扎鋼筋以及不嚴(yán)格的進(jìn)行混凝土澆搗。針對(duì)這一問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在剪力墻中對(duì)暗梁或邊框柱進(jìn)行分析設(shè)置，即將框架梁的縱向鋼筋錨進(jìn)暗梁或邊框柱里，方可達(dá)到相關(guān)要求。

3、混凝土加固工程應(yīng)用實(shí)際案例

3.1 案例工程

某現(xiàn)代建筑物位于市中心，地上共有18層，地下2層，占地總建筑面積10600m 2，初建于2002年。經(jīng)過幾年的使用，受諸多因素的影響，混凝土梁、框架柱、板均出現(xiàn)了不同程度的損壞，導(dǎo)致性能降低，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不斷下降，如不加以處理，可能會(huì)影響居民的正常生活和生命安全。經(jīng)過一番實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)勘察和多次商討，確定該建筑需要進(jìn)行加固處理，工程于2011年3月開始設(shè)計(jì)，9月結(jié)束，2012年6月再次投入使用。

3.2 框架柱加固

因?yàn)楣こ痰目臻g較大，無需太過擔(dān)心占用空間情況，所以框架柱加固采用增加截面積法，框架柱的配筋量有所增多，橫截面積更大，剛度和承載力更強(qiáng)，可靠性和穩(wěn)定性大幅提升。不僅如此，截面積增加后，框架柱的抗震性能也得到了增強(qiáng)。另外，增加截面的范圍不一樣，具體的操作方法也有差異，一般可采用單面加厚、雙面加厚、四周外包幾種。本工程采用四周外包法，先將原框架柱周圍的混凝土進(jìn)行鑿除清理，然后按照要求整理新舊混凝土的接觸面，確保滿足施工條件。然后在原柱四周配置新的縱向受力鋼筋和箍筋，支設(shè)模板，采用細(xì)石微膨脹自密實(shí)混凝土澆筑。

接下來是質(zhì)量檢測(cè)和驗(yàn)收階段，邀請(qǐng)第三方負(fù)責(zé)，開展力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。確定質(zhì)量沒有問題后，開始全面驗(yàn)收，效果良好，不僅是軸心受壓柱，小偏心受壓柱的承載力也得到了加強(qiáng)。該工程竣工至今已經(jīng)5年有余，未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

3.3 框架梁、板加固

本工程的框架梁、板采用增加截面積加固法，先對(duì)原構(gòu)件的表層進(jìn)行清理，掃除雜物灰塵，構(gòu)件表面鑿毛，最好露出粗骨料，如此可使新舊混凝土黏結(jié)面足夠粗糙，方便施工。確?？蚣芰?、板的平整度，將其不平度控制在允許范圍內(nèi)，框架梁不得超過6mm，樓板不能超過4mm。同時(shí)，在澆筑面鑿出若干凹槽，將棱角部分處理掉，保證原構(gòu)件沒有明顯的凹凸，并做整體清理，將殘余的雜質(zhì)徹底清除。接觸面必須干凈，如果太臟，需反復(fù)沖洗、干燥，直至達(dá)到施工要求。除銹是很重要的環(huán)節(jié)，包括新舊兩部分鋼筋，都不能忽略。焊接工作需在卸載構(gòu)件后開始，并嚴(yán)格按照程序進(jìn)行焊接，以免出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，通常會(huì)遵循分區(qū)、分段作業(yè)的原則，以降低熱量對(duì)鋼筋的破壞。

結(jié)語：

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，也是確保工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須要立足實(shí)際，注重多重防護(hù)、結(jié)構(gòu)的完整統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛?cè)岵⑦M(jìn)，嚴(yán)格遵循國(guó)家的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，提高建材質(zhì)量及結(jié)構(gòu)抗震性能，創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件，規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這樣才能提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性能，保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，有效避免安全事故的發(fā)生，促進(jìn)工程的良性發(fā)展。