建筑工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究

高正賢

甘肅宏圖建筑設(shè)計(jì)有限公司白銀分公司 甘肅 白銀 730900

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工程中常用的一種結(jié)構(gòu)形式，具有承載能力強(qiáng)、耐久性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。在建筑工程設(shè)計(jì)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理

1.1 構(gòu)件受力原理

從力學(xué)角度講，構(gòu)件的受力情況可以用梁、板、柱三種不同的基本構(gòu)件來說明。梁是承受彎矩和剪力的基本構(gòu)件。

梁的受力過程，1）彎曲變形階段，混凝土受拉區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，這種應(yīng)力可以抵消一部分彎矩，使受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)變。2）正截面工作階段，在最大彎矩附近，混凝土受拉屈服，產(chǎn)生裂縫。裂縫寬度隨荷載的增大而增大。3）斜截面破壞階段，混凝土產(chǎn)生了壓應(yīng)變和拉應(yīng)變，當(dāng)正截面出現(xiàn)裂縫時(shí)，斜截面出現(xiàn)破壞[1]。

柱是承受剪力的基本構(gòu)件，柱的受力過程，1）壓應(yīng)力作用階段，在受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)變，將受壓區(qū)附近的彎矩傳遞給下面的鋼筋。2）正截面破壞階段，當(dāng)受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)，正截面出現(xiàn)斜裂縫，鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)變均急劇增加，鋼筋局部屈服而混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)變。

1.2 構(gòu)件的選材原則

1.2.1 結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性

結(jié)構(gòu)的安全性是指結(jié)構(gòu)能夠承受正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用。耐久性是指結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)所需要的最低強(qiáng)度要求，通常指材料的最低強(qiáng)度，即強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為材料最大可能應(yīng)力，也就是構(gòu)件所能承受的最大荷載。如果結(jié)構(gòu)所承受的荷載大于最大可能應(yīng)力，構(gòu)件就會(huì)出現(xiàn)破壞，構(gòu)件的破壞將導(dǎo)致整個(gè)建筑物失去承載能力甚至倒塌。

1.2.2 材料選擇

在混凝土的選擇上，應(yīng)優(yōu)先考慮強(qiáng)度高、耐久性好、變形小、和易性佳、無收縮特性的材料，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與長(zhǎng)期性能。對(duì)于鋼筋，必須選擇品種齊全、規(guī)格適當(dāng)、性能優(yōu)異、強(qiáng)度高、良好延性的產(chǎn)品，承受各種應(yīng)力和變形。鋼材方面，推薦使用高強(qiáng)度鋼材。

1.3 結(jié)構(gòu)的荷載分析

在設(shè)計(jì)過程中，荷載是指作用在結(jié)構(gòu)上的力和力矩。一般情況下，荷載的大小與結(jié)構(gòu)所受荷載大小的變化情況成正比。對(duì)于一個(gè)平面整體框架來說，水平方向荷載可以分為：恒載（重力）、活載（活載）和偶然荷載（地震作用）。恒載是指柱、梁等豎向構(gòu)件所承受的重力?；钶d是指由梁、柱等豎向構(gòu)件所承受的重力和其他豎向荷載，如梁上所承受的梁彎矩和剪力等。偶然荷載是指由于偶然因素引起的結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的垂直于結(jié)構(gòu)面或水平面、平面內(nèi)或平面外作用在結(jié)構(gòu)上的力和力矩，如地震作用、風(fēng)荷載等。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 彈性設(shè)計(jì)方法

彈性設(shè)計(jì)方法是根據(jù)結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的彈性變形來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要特點(diǎn)是在確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力時(shí)考慮實(shí)際變形（即彈性變形）；傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法是將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際變形按照一定的規(guī)則進(jìn)行分配，然后再進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。彈性設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.利用計(jì)算機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析；2.充分發(fā)揮材料強(qiáng)度和鋼材性能，使結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下都能得到合理的計(jì)算結(jié)果；3.能克服傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法的不足，將不同材料、不同性能的構(gòu)件組合在一起，滿足多種結(jié)構(gòu)類型、多種荷載組合及多個(gè)不同部位的計(jì)算要求[2]。

2.2 極限承載能力設(shè)計(jì)方法

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，除了梁和板等主要構(gòu)件之外，還包括柱、基礎(chǔ)、連接構(gòu)件等次要構(gòu)件。

應(yīng)分析構(gòu)件的受力性能，如構(gòu)件是否存在強(qiáng)度或剛度不足等問題，如果存在則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。對(duì)于柱來說，可采用內(nèi)力平衡法進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于板來說，可采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于梁和桁架來說，可采用結(jié)構(gòu)分析法或材料力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面的因素，選擇合適的計(jì)算方法；對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，采用極限平衡法來分析框架結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力。

對(duì)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力而言，在正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)滿足兩方面要求：一是要滿足承載能力極限狀態(tài)下正常使用功能要求；二是要滿足承載能力極限狀態(tài)下局部變形與局部裂縫寬度限制要求。對(duì)于承載能力極限狀態(tài)下的局部變形和局部裂縫寬度的限制要求，主要是考慮鋼筋和混凝土強(qiáng)度、鋼材屈服強(qiáng)度以及構(gòu)件截面尺寸等因素。

2.3 建筑信息模型(BIM)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

建筑信息模型（BIM）的高效、精確和協(xié)同的特性，為現(xiàn)代建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了革命性的變革。一是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以精確模擬材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的承載能力，通過精確的數(shù)值分析和模擬測(cè)試，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。二是BIM技術(shù)還極大地促進(jìn)了各專業(yè)之間的協(xié)同工作，使得建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等不同專業(yè)的設(shè)計(jì)師能夠在同一平臺(tái)上共享信息，實(shí)時(shí)更新設(shè)計(jì)變更，減少錯(cuò)誤和沖突，提高設(shè)計(jì)效率。三是BIM技術(shù)還具備強(qiáng)大的信息管理能力，可以詳細(xì)記錄結(jié)構(gòu)的每一個(gè)構(gòu)件的尺寸、材料、連接方式等信息，為施工階段的精確施工和后期的維護(hù)管理提供了便捷的數(shù)據(jù)支持。

3 材料選擇

3.1 混凝土材料選擇

混凝土材料選擇在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)著十分重要的地位，其選擇的正確與否直接影響著整個(gè)建筑工程的質(zhì)量。1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)混凝土材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮環(huán)境因素對(duì)混凝土材料性能的影響。環(huán)境條件越復(fù)雜，則影響程度越大，應(yīng)將環(huán)境因素考慮在內(nèi)。2）對(duì)混凝土材料進(jìn)行合理選擇。根據(jù)結(jié)構(gòu)使用功能和強(qiáng)度等級(jí)、耐久性等要求進(jìn)行合理選擇，將混凝土材料的強(qiáng)度等級(jí)盡可能提高到C60以上。3）結(jié)合設(shè)計(jì)要求和工程實(shí)際情況選擇合適的水泥品種和水泥用量。水泥用量越大，混凝土的強(qiáng)度越高，耐久性越好；水泥用量越少，混凝土的強(qiáng)度越低，耐久性就越差[3]。

3.2 鋼筋材料選擇

在建筑工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼筋的選擇對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性有很大的影響。通常情況下，在建筑工程中常見的鋼筋有兩種，第一種是普通螺紋鋼，其規(guī)格型號(hào)較多，其中包括32mm和36mm兩種。第二種是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其規(guī)格型號(hào)相對(duì)較少，其中包括5mm和6mm兩種。

在實(shí)際選擇過程中，設(shè)計(jì)師需要綜合考慮各種因素，包括材料的供應(yīng)情況、價(jià)格成本、施工工藝等，找到最經(jīng)濟(jì)合理的鋼筋材料。一要考慮其力學(xué)性能，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等指標(biāo)，這些指標(biāo)直接決定了鋼筋在受力時(shí)的表現(xiàn)。二是鋼筋的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)也是選材時(shí)需要考慮的因素，影響著鋼筋的耐腐蝕性和焊接性能。三是根據(jù)工程的具體要求，如抗震設(shè)防烈度、環(huán)境類別等，選擇相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)和耐腐蝕性能的鋼筋。例如，在地震多發(fā)區(qū)，應(yīng)選擇具有較高屈服強(qiáng)度和良好延性的鋼筋，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能；在腐蝕環(huán)境中，應(yīng)選擇具有較好耐腐蝕性能的鋼筋，保證結(jié)構(gòu)的耐久性。

4 施工要求

4.1 施工工藝要求

1）在澆筑混凝土之前，務(wù)必徹底清除模板內(nèi)的所有雜物以及鋼筋上的污垢，并澆水使模板充分濕潤(rùn)。在澆筑過程中，要持續(xù)觀察模板、支架、鋼筋和預(yù)埋件的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)任何變形或移位現(xiàn)象，采取相應(yīng)措施進(jìn)行修復(fù)和調(diào)整，確保澆筑質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。

2）在建筑工程中，混凝土的攪拌是確保施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一是必須使用來源可靠、質(zhì)量上乘的商品混凝土，在攪拌過程中嚴(yán)格控制水灰比和攪拌時(shí)間。二是定期檢查攪拌設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保混凝土攪拌均勻、無干縮裂縫，滿足施工的質(zhì)量要求，為建筑工程的順利進(jìn)行提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3）在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，必須采取分層澆筑的方法，每層澆筑厚度要適中，避免一次性澆筑過厚導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫。同時(shí)，每層澆筑后要及時(shí)進(jìn)行振搗和養(yǎng)護(hù)，確?；炷脸浞置軐?shí)和硬化。通過科學(xué)合理的分層澆筑和細(xì)致的養(yǎng)護(hù)工作，可以有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。

4）混凝土分層振搗時(shí)，嚴(yán)禁用振搗棒直接振動(dòng)鋼筋和模板，免出現(xiàn)露筋現(xiàn)象。振搗上一層混凝土?xí)r，應(yīng)將模板上的灰漿清理干凈；下一層混凝土前應(yīng)先檢查模板的支撐情況，在其上鋪一層塑料薄膜或油毛氈等材料，保持新舊混凝土之間的潮氣。

5）混凝土的澆筑過程必須保持連續(xù)性，嚴(yán)禁間斷。為確?；炷两Y(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，一方面在混凝土初凝之前，必須按照施工方案或技術(shù)交底的要求，采取有效措施來預(yù)防或減少裂縫的產(chǎn)生。另一方面要密切監(jiān)測(cè)模板、支架的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)裂縫，應(yīng)立即分析原因，采取相應(yīng)措施進(jìn)行修補(bǔ)，確保施工質(zhì)量和安全[4]。

6）拆模是施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須謹(jǐn)慎操作，避免損傷或變形鋼筋和模板。拆模順序應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工方案科學(xué)合理地確定，減少對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊和振動(dòng)。在拆模過程中，若發(fā)現(xiàn)鋼筋或模板有損傷，應(yīng)及時(shí)采取修復(fù)或更換措施，確保施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。拆模后還需要及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查和評(píng)估，確認(rèn)其穩(wěn)定性和安全性。

7）大體積混凝土施工時(shí)，要特別注意防止因水化熱和溫度收縮引起的裂縫。應(yīng)采取有效的溫控措施，如使用低熱水泥、降低混凝土入模溫度、合理設(shè)置施工縫等，確?；炷羶?nèi)部溫度均勻分布，避免裂縫的產(chǎn)生。

8）冬季施工時(shí)，必須采取有效措施防止鋼筋凍結(jié)。在施工現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)保溫棚或使用加熱設(shè)備，保持鋼筋處于恒溫狀態(tài)。施工后澆帶和膨脹加強(qiáng)帶必須在氣溫高于5℃時(shí)才能拆模，確?；炷恋恼Ｓ不徒Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在冬季施工中，要加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)和保溫工作，避免混凝土受凍而影響其性能。

4.2 鋼筋布置和連接要求

1）柱的縱向鋼筋應(yīng)在柱頂附近匯交，一般位置宜接近角點(diǎn)，在柱頂附近形成三角形匯交。在柱頂附近匯交時(shí)，應(yīng)盡量減少鋼筋的交叉，減少接頭數(shù)目，盡量使不同鋼筋的交角大于90°。對(duì)有抗震設(shè)防要求的柱，縱向鋼筋不宜采用光圓鋼筋搭接。在構(gòu)造上，除受拉柱外，鋼筋與柱縱筋應(yīng)在距柱邊一定距離內(nèi)匯交。當(dāng)柱高大于4m時(shí)，應(yīng)采用短向加筋柱；當(dāng)柱高度小于4m時(shí)，可采用帶箍的短向加筋。此外，還應(yīng)注意：當(dāng)箍筋直徑大于10mm或有間距時(shí)，應(yīng)增加加密箍筋的數(shù)量；當(dāng)截面高度大于4m時(shí)，應(yīng)增加雙向箍的數(shù)量。

2）梁縱向受力鋼筋宜采用直螺紋套筒連接。當(dāng)采用焊接或綁扎連接時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：①鋼筋的接頭位置宜在受力較小處；②同一截面內(nèi)接頭面積百分率不應(yīng)大于50%；③有抗震設(shè)防要求時(shí)，縱向受力鋼筋的接頭應(yīng)有可靠的抗裂措施。

3）在板縱向受力鋼筋的布置中，必須嚴(yán)格遵循最小配筋率的規(guī)定。當(dāng)板長(zhǎng)度小于250mm時(shí)，最小配筋率不得小于0.5%，確保板的承載能力；而當(dāng)板長(zhǎng)度大于250mm時(shí)，最小配筋率也不得低于0.3%，維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。這些規(guī)定是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而制定的，必須嚴(yán)格執(zhí)行。

4）柱縱向受力鋼筋宜一次與框架梁相交。當(dāng)不能一次與框架梁相交時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)措施保證柱縱向受力鋼筋的錨固長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求。當(dāng)柱頂設(shè)置圈梁時(shí)，柱頂和柱邊縱向受力鋼筋的錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于0.8d（d為柱截面高度）。

5）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果使用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20及以下，那么板的縱向受力鋼筋應(yīng)優(yōu)先采用直螺紋套筒連接。這種連接方式具有可靠的機(jī)械性能和施工便捷性，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的整體性能。當(dāng)采用綁扎連接時(shí)，為確保連接的牢固性和穩(wěn)定性，建議將梁、柱、剪力墻中的負(fù)筋彎起部分全部綁扎連接，避免出現(xiàn)松動(dòng)或滑移現(xiàn)象。

6）一、二級(jí)抗震等級(jí)時(shí)框架梁的縱向受力鋼筋應(yīng)采用直螺紋套筒連接；三級(jí)抗震等級(jí)時(shí)框架梁的縱向受力鋼筋可采用綁扎連接。當(dāng)框架梁兩端與柱相交且有柱箍時(shí)，當(dāng)按規(guī)定將箍筋加密處理時(shí)，框架梁可采用直螺紋套筒連接?？拐鸺?jí)為三級(jí)的框架梁可采用綁扎連接。

7）受拉鋼筋與受壓混凝土之間應(yīng)設(shè)置足夠數(shù)量和有效長(zhǎng)度的搭接接頭。當(dāng)采用綁扎連接時(shí)，搭接接頭在受拉區(qū)不得小于構(gòu)件最大內(nèi)力值的50%；在受壓區(qū)不得小于構(gòu)件最小內(nèi)力值的40%。

8）梁端縱向受力鋼筋的錨固長(zhǎng)度是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵參數(shù)之一。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）中7.2.2條的規(guī)定，必須保證錨固長(zhǎng)度足夠，充分發(fā)揮鋼筋的承載能力。在實(shí)際施工中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，確保錨固長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性和可靠性，為結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性提供有力保障[5]。

4.3 混凝土養(yǎng)護(hù)要求

1）對(duì)于大體積混凝土，澆筑完成后應(yīng)迅速啟動(dòng)養(yǎng)護(hù)工作，這對(duì)其長(zhǎng)期性能至關(guān)重要。常用的養(yǎng)護(hù)方法包括覆蓋塑料薄膜以及使用草袋或麻袋進(jìn)行覆蓋。在養(yǎng)護(hù)過程中，必須確保薄膜的密封性，保持混凝土表面持續(xù)濕潤(rùn)，防止水分過早蒸發(fā)，確?；炷脸浞钟不?，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2）混凝土澆筑完畢后，為了避免表面水分的過快蒸發(fā)和確?；炷脸浞钟不?，應(yīng)該使用塑料布覆蓋、澆水，或使用草簾、麻袋、海綿等保濕材料進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。一是在養(yǎng)護(hù)過程中，要確保每一處都被覆蓋，不得有遺漏。二是澆水的次數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，保持混凝土表面始終處于濕潤(rùn)狀態(tài)，確保養(yǎng)護(hù)水具有適宜的溫度和濕度，促進(jìn)混凝土的硬化過程。

3）對(duì)于大體積混凝土，在拆除模板后，其表面仍需進(jìn)行特別的保濕養(yǎng)護(hù)。除了覆蓋草簾、麻袋或海綿等材料外，還應(yīng)保證混凝土具有足夠的溫度和濕度環(huán)境，預(yù)防干縮裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

建筑工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探究涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理、設(shè)計(jì)方法、材料選擇和施工要求等方面。通過合理的受力分析和計(jì)算，選擇合適的材料和設(shè)計(jì)方法，嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求進(jìn)行施工，可以保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和使用性能。同時(shí)，建筑信息模型(BIM)技術(shù)的應(yīng)用也能提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。