混凝土结构设计相关问题探讨

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摘要：我国的混凝土结构设计，限于条件和具体工作环境状况，存在一些设计方面的质量问题，为了使设计人员在混凝土结构设计中更好地贯彻执行向关设计规范等，做到安全适用、经济合理、技术先进并确保质量，本文从实用的角度出发，探讨混凝土设计工作中的常见问题及解决方法，作为技术交流供同行参考。

小清新：混凝土结构；结构设计；问题；解决方法 一、引言 19世纪下半期开始，钢筋混凝土作为结构材料在工业文明的潮流下广泛得到应用，由于其本身的材料特性比其他结构材料更优越，因此在房屋建筑和土木工程中得到了空前的应用和发展，然后相继在材料、设计方法、制作工艺以及施工技术等方面也大显身手。目前，随着我国经济的飞速发展，城市面貌的日新月异，一栋栋高楼大厦拔地而起。混凝土也已经成为我国工程建设中最主要的结构材料之一 。随着我国建筑业的迅猛发展，建筑功能的不断丰富，新颖的造型，使得工程设计越来越复杂，但是目前的设计周期普遍偏短，在设计中普遍存在一些质量问题，因而在混凝土结构设计过程中，设计人员必须重视一些影响混凝土质量的问题[1]。 二、混凝土结构的优缺点： （一）优点 1、材料利用合理：钢筋和混凝土的材料强度可以得到充分发挥，结构承载力与刚度比例合适，基本无局部稳定问题，单位应力价格低，对于一般工程结构，经济指标优于钢结构。 2、可模性好：混凝土可根据需要浇筑成的各种性质和尺寸，适用于各种形状复杂的结构，如空间薄壳、箱形结构等等。 3、耐久性和耐火性较好，维护费用低：钢筋有混凝土的保护层，不易产生腐蚀，而混凝土的强度随时间而增长；混凝土是不良热导体，30mm厚混凝土保护层可耐火2个多小时，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。  4、现浇混凝土结构的整体性好，且通过合适的配筋，可获得较好的延展性，适用于抗震、抗爆结构；同时防振性和防辐射性能较好，适用于防护结构。 5、刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。 6、易于就地取材：混凝土所用的大量砂、石，易于就地取材，近年来，已经有工地利用现场工业废料来制造人工骨料，或作为水泥的外加成分，改善混凝土的性能。 （二）缺点 1、自重大：不适用于大跨度、高层结构。  2、抗裂性差：普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作，环境较差(露天、沿海、化学侵蚀)时会影响耐久性；也限制了普通RC用于大跨结构，高强钢筋无法应用。 3、承载力有限：作为重载结构和高层建筑底部结构，构件尺寸太大，减小使用空间。 4、施工复杂，工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），工期长，施工还受季节、天气的影响。 5、混凝土结构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。 三、地基与基础设计问题 “万丈高楼平地起”这一俗语道出了地基工程在建筑工程中的重要性。地基的好坏决定着一个工程的最终质量，所以，在进行混凝土结构设计时，首要考虑的是地基与基础设计问题，对于设计师而言，这一阶段是决胜局，因此，在这个阶段，任何错误与问题都不允许。 　  柱下独立基础会受到建筑物上部整体重力的作用。在共同里的作用下，地基容易沉降变形。因此，设计师在设计时不能忽视这种附加应力的影响。如果没有这种附加应力,对底板而言是很不安全的，很有可能导致地下室底板承载能力不足而开裂。对于采用天然地基，此时的影响则更为显著。因此，我们要根据不同程度的沉降量的工程，采取不同的措施。对于总沉降量较小的工程，可以在地下室底板与持力层之间采取褥垫的方法处理，其实这相当于在地下室和持力层之间加一层保护带，这样可以防止地下室底板因受力过度而发生开裂或沉降。  对于有地下室的建筑，地下水的结节性变化是影响地下室底板的主要原因。当地下水位较高时，底板的防水设计很重要。此时室外地坪之下的结构部分，外轮廓形状要尽量简洁，这样有利于建筑防水的施工。对于具体的设计策略，则是采用统一的地下室底板，具体做法是：在地下室内部做滤水层和覆土等地面做法。这种做法的优点是，使得基槽地模形状简单，方便施工，缩短施工时间，并且也能保证地下室的施工质量[2]。 四、上部结构设计中存在的问题 在上部结构设计时，框剪结构，剪力墙在设计上容易出现布置不均匀，单肢刚度过大的剪力墙，会造成应力的过度集中，剪力墙的部分破坏。同时，在上部结构设计阶段，与之相关联的结构构件，比如连梁等构件的设计难度也很大。 可以采用延性设计和连梁设计来解决这样的问题。在上部结构设计阶段，需要考虑建物的抗震功能，遇到中震时，我们应考虑第一级别的剪力墙 （即比值小于2的墙肢），且墙肢数最少是4肢，当第一级别的剪力墙进入塑性阶段后，为了保证建筑物在震动作用下不至于过度变形而引起灾害，在剪力墙设计时应该进行多道设防。如果遇到大震，小级别的剪力墙在进入塑性阶段后，建筑物基本已经破坏了。这是，我们应该通过设计有选择地让那些连接两片剪力墙，在中震或大震的作用下会首先开裂，起到耗能作用，从而保持建筑物延性的连梁破坏，从而保证柱子的完整性[3]。 五、混凝土结构设计中存在的其他问题分析 （一）混凝土结构耐久性和防腐蚀设计存在的问题 对于混凝土结构设计，混凝土耐久性以及防腐蚀性设计也很重要。建筑物在外界环境下，会长期受到雨水、风沙的侵蚀，这种气候环境将导致建筑物产生硅碳化反应，甚至出现开裂，最终钢筋受到严重腐蚀等现象。在对钢筋混凝土设计时注重混凝土的耐久性以及防腐蚀性设计，就能有效的使建筑物避免这些风险，延长建筑的使用寿命。混凝土耐久性设计包括抗冻融设计、抗碳化设计以及抗腐蚀设计等等。我国目前混凝土耐久性设计存在的主要问题包括配比环节设计不良、仅停留在对单个环境以及物理因素影响的独立分析层面，没能形成综合的协同影响因素分析。在现场施工中，水泥用量过多就会使水灰比较大，此时混凝土就会发生自收缩甚至是干缩变化，使得混凝土内部产生较大的拉应力，如果这种应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会出现开裂。所以，设计人员可以在混凝土设计中通过加入粉煤灰、减水剂，来控制水灰比，此时水泥的用量也会大大减少，不仅节约了材料，还使得水灰比控制在 0.4 以内[4]。 （二）混凝土结构设计中的裂纹问题分析 固体材料中的某种不连续现象，也就是我们常说的裂纹，这种现象在固体材料中是普遍存在的。有关混凝土的实验也证实了在没有受荷载的混凝土以及钢筋混凝土结构中会存在一些微裂纹，包括骨料裂纹、骨料与水泥石粘结面上的粘结裂纹以及水泥浆中的裂纹等等[5]。 混凝土结构的裂纹控制方法主要是基于“抗”的思想，可以分别应用传统力学和断裂力学来分析传统裂纹控制方法。 从传统力学观点来看，由于预先给混凝土梁施加了预压应力，使混凝土梁受到外部荷载，拉应力全部（或部分）被抵消，所以可以避免（或者推迟）混凝土出现裂纹，这其实相当于改善了梁中混凝士的抗拉性能，以此达到充分利用高强材料的目的。 从断裂力学的观点来看，混凝土材料内部存在许多微缺陷和微裂纹，而且这些微缺陷和微裂纹会在外部荷载作用下不断演化、发展，最终形成宏观裂纹。如果在混凝土梁两端预先施加一对轴向压力，可以认为裂纹端部的应力强度因子为负值。如果外部荷载在裂纹端部产生的应力强度因子与非均布压应力产生的应力强度因子大小相等时，裂纹端部的应力强度因子就为零。这时裂纹就不会失稳扩展。也就是说，由于预先对混凝土梁施加了预压应力，从而减小了外载作用下裂纹端部的应力强度因子，从而避免或是推迟了混凝土出现裂纹。 六、结论 混凝土结构设计的质量关系到整个工程的最终质量，关系到人民生民财产的安全，所以对于设计人员，责任重大。因此，在进行混凝土结构设计时，一定要根据相关的制度、法规，并根据实际工程，做出科学的合适的设计，这样才能提高建筑质量，造福人民。   参考文献： 【1】 韦学陆，黄杰.混凝土结构设计施工图中的常见问题之我见【J】．中国房地产业，2011（5） 【2】 王旭东. 现行混凝土结构设计【J】．2010（16） 【3】浅析混凝土结构设计的常见问题与方法【J】.河北建筑设计研究院有限责任公司，2010. 【4】混凝土结构设计的一些常见问题分析【J】.科技创新导报，2009（22）. 【5】谷建义，FRP裂增强的有限元分析与实验研究【D】.重庆交通大学，2008