混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題探討

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摘要：我國的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，限于條件和具體工作環(huán)境狀況，存在一些設(shè)計(jì)方面的質(zhì)量問題，為了使設(shè)計(jì)人員在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中更好地貫徹執(zhí)行向關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范等，做到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)并確保質(zhì)量，本文從實(shí)用的角度出發(fā)，探討混凝土設(shè)計(jì)工作中的常見問題及解決方法，作為技術(shù)交流供同行參考。

小清新：混凝土結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題；解決方法 一、引言 19世紀(jì)下半期開始，鋼筋混凝土作為結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)文明的潮流下廣泛得到應(yīng)用，由于其本身的材料特性比其他結(jié)構(gòu)材料更優(yōu)越，因此在房屋建筑和土木工程中得到了空前的應(yīng)用和發(fā)展，然后相繼在材料、設(shè)計(jì)方法、制作工藝以及施工技術(shù)等方面也大顯身手。目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市面貌的日新月異，一棟棟高樓大廈拔地而起。混凝土也已經(jīng)成為我國工程建設(shè)中最主要的結(jié)構(gòu)材料之一 。隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑功能的不斷豐富，新穎的造型，使得工程設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，但是目前的設(shè)計(jì)周期普遍偏短，在設(shè)計(jì)中普遍存在一些質(zhì)量問題，因而在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員必須重視一些影響混凝土質(zhì)量的問題[1]。 二、混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)： （一）優(yōu)點(diǎn) 1、材料利用合理：鋼筋和混凝土的材料強(qiáng)度可以得到充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)承載力與剛度比例合適，基本無局部穩(wěn)定問題，單位應(yīng)力價格低，對于一般工程結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。 2、可模性好：混凝土可根據(jù)需要澆筑成的各種性質(zhì)和尺寸，適用于各種形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如空間薄殼、箱形結(jié)構(gòu)等等。 3、耐久性和耐火性較好，維護(hù)費(fèi)用低：鋼筋有混凝土的保護(hù)層，不易產(chǎn)生腐蝕，而混凝土的強(qiáng)度隨時間而增長；混凝土是不良熱導(dǎo)體，30mm厚混凝土保護(hù)層可耐火2個多小時，使鋼筋不致因升溫過快而喪失強(qiáng)度。  4、現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的整體性好，且通過合適的配筋，可獲得較好的延展性，適用于抗震、抗爆結(jié)構(gòu)；同時防振性和防輻射性能較好，適用于防護(hù)結(jié)構(gòu)。 5、剛度大、阻尼大，有利于結(jié)構(gòu)的變形控制。 6、易于就地取材：混凝土所用的大量砂、石，易于就地取材，近年來，已經(jīng)有工地利用現(xiàn)場工業(yè)廢料來制造人工骨料，或作為水泥的外加成分，改善混凝土的性能。 （二）缺點(diǎn) 1、自重大：不適用于大跨度、高層結(jié)構(gòu)。  2、抗裂性差：普通RC結(jié)構(gòu)，在正常使用階段往往帶裂縫工作，環(huán)境較差(露天、沿海、化學(xué)侵蝕)時會影響耐久性；也限制了普通RC用于大跨結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)鋼筋無法應(yīng)用。 3、承載力有限：作為重載結(jié)構(gòu)和高層建筑底部結(jié)構(gòu)，構(gòu)件尺寸太大，減小使用空間。 4、施工復(fù)雜，工序多（支模、綁鋼筋、澆筑、養(yǎng)護(hù)），工期長，施工還受季節(jié)、天氣的影響。 5、混凝土結(jié)構(gòu)一旦破壞，其修復(fù)、加固、補(bǔ)強(qiáng)比較困難。 三、地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題 “萬丈高樓平地起”這一俗語道出了地基工程在建筑工程中的重要性。地基的好壞決定著一個工程的最終質(zhì)量，所以，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，首要考慮的是地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題，對于設(shè)計(jì)師而言，這一階段是決勝局，因此，在這個階段，任何錯誤與問題都不允許。 　  柱下獨(dú)立基礎(chǔ)會受到建筑物上部整體重力的作用。在共同里的作用下，地基容易沉降變形。因此，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時不能忽視這種附加應(yīng)力的影響。如果沒有這種附加應(yīng)力,對底板而言是很不安全的，很有可能導(dǎo)致地下室底板承載能力不足而開裂。對于采用天然地基，此時的影響則更為顯著。因此，我們要根據(jù)不同程度的沉降量的工程，采取不同的措施。對于總沉降量較小的工程，可以在地下室底板與持力層之間采取褥墊的方法處理，其實(shí)這相當(dāng)于在地下室和持力層之間加一層保護(hù)帶，這樣可以防止地下室底板因受力過度而發(fā)生開裂或沉降。  對于有地下室的建筑，地下水的結(jié)節(jié)性變化是影響地下室底板的主要原因。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，底板的防水設(shè)計(jì)很重要。此時室外地坪之下的結(jié)構(gòu)部分，外輪廓形狀要盡量簡潔，這樣有利于建筑防水的施工。對于具體的設(shè)計(jì)策略，則是采用統(tǒng)一的地下室底板，具體做法是：在地下室內(nèi)部做濾水層和覆土等地面做法。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是，使得基槽地模形狀簡單，方便施工，縮短施工時間，并且也能保證地下室的施工質(zhì)量[2]。 四、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題 在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，框剪結(jié)構(gòu)，剪力墻在設(shè)計(jì)上容易出現(xiàn)布置不均勻，單肢剛度過大的剪力墻，會造成應(yīng)力的過度集中，剪力墻的部分破壞。同時，在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，與之相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，比如連梁等構(gòu)件的設(shè)計(jì)難度也很大。 可以采用延性設(shè)計(jì)和連梁設(shè)計(jì)來解決這樣的問題。在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需要考慮建物的抗震功能，遇到中震時，我們應(yīng)考慮第一級別的剪力墻 （即比值小于2的墻肢），且墻肢數(shù)最少是4肢，當(dāng)?shù)谝患墑e的剪力墻進(jìn)入塑性階段后，為了保證建筑物在震動作用下不至于過度變形而引起災(zāi)害，在剪力墻設(shè)計(jì)時應(yīng)該進(jìn)行多道設(shè)防。如果遇到大震，小級別的剪力墻在進(jìn)入塑性階段后，建筑物基本已經(jīng)破壞了。這是，我們應(yīng)該通過設(shè)計(jì)有選擇地讓那些連接兩片剪力墻，在中震或大震的作用下會首先開裂，起到耗能作用，從而保持建筑物延性的連梁破壞，從而保證柱子的完整性[3]。 五、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的其他問題分析 （一）混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和防腐蝕設(shè)計(jì)存在的問題 對于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，混凝土耐久性以及防腐蝕性設(shè)計(jì)也很重要。建筑物在外界環(huán)境下，會長期受到雨水、風(fēng)沙的侵蝕，這種氣候環(huán)境將導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生硅碳化反應(yīng)，甚至出現(xiàn)開裂，最終鋼筋受到嚴(yán)重腐蝕等現(xiàn)象。在對鋼筋混凝土設(shè)計(jì)時注重混凝土的耐久性以及防腐蝕性設(shè)計(jì)，就能有效的使建筑物避免這些風(fēng)險，延長建筑的使用壽命?；炷聊途眯栽O(shè)計(jì)包括抗凍融設(shè)計(jì)、抗碳化設(shè)計(jì)以及抗腐蝕設(shè)計(jì)等等。我國目前混凝土耐久性設(shè)計(jì)存在的主要問題包括配比環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不良、僅停留在對單個環(huán)境以及物理因素影響的獨(dú)立分析層面，沒能形成綜合的協(xié)同影響因素分析。在現(xiàn)場施工中，水泥用量過多就會使水灰比較大，此時混凝土就會發(fā)生自收縮甚至是干縮變化，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如果這種應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會出現(xiàn)開裂。所以，設(shè)計(jì)人員可以在混凝土設(shè)計(jì)中通過加入粉煤灰、減水劑，來控制水灰比，此時水泥的用量也會大大減少，不僅節(jié)約了材料，還使得水灰比控制在 0.4 以內(nèi)[4]。 （二）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的裂紋問題分析 固體材料中的某種不連續(xù)現(xiàn)象，也就是我們常說的裂紋，這種現(xiàn)象在固體材料中是普遍存在的。有關(guān)混凝土的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了在沒有受荷載的混凝土以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中會存在一些微裂紋，包括骨料裂紋、骨料與水泥石粘結(jié)面上的粘結(jié)裂紋以及水泥漿中的裂紋等等[5]。 混凝土結(jié)構(gòu)的裂紋控制方法主要是基于“抗”的思想，可以分別應(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，使混凝土梁受到外部荷載，拉應(yīng)力全部（或部分）被抵消，所以可以避免（或者推遲）混凝土出現(xiàn)裂紋，這其實(shí)相當(dāng)于改善了梁中混凝士的抗拉性能，以此達(dá)到充分利用高強(qiáng)材料的目的。 從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)來看，混凝土材料內(nèi)部存在許多微缺陷和微裂紋，而且這些微缺陷和微裂紋會在外部荷載作用下不斷演化、發(fā)展，最終形成宏觀裂紋。如果在混凝土梁兩端預(yù)先施加一對軸向壓力，可以認(rèn)為裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子為負(fù)值。如果外部荷載在裂紋端部產(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)度因子就為零。這時裂紋就不會失穩(wěn)擴(kuò)展。也就是說，由于預(yù)先對混凝土梁施加了預(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，從而避免或是推遲了混凝土出現(xiàn)裂紋。 六、結(jié)論 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量關(guān)系到整個工程的最終質(zhì)量，關(guān)系到人民生民財(cái)產(chǎn)的安全，所以對于設(shè)計(jì)人員，責(zé)任重大。因此，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，一定要根據(jù)相關(guān)的制度、法規(guī)，并根據(jù)實(shí)際工程，做出科學(xué)的合適的設(shè)計(jì)，這樣才能提高建筑質(zhì)量，造福人民。   參考文獻(xiàn)： 【1】 韋學(xué)陸，黃杰.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工圖中的常見問題之我見【J】．中國房地產(chǎn)業(yè)，2011（5） 【2】 王旭東. 現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【J】．2010（16） 【3】淺析混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問題與方法【J】.河北建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，2010. 【4】混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些常見問題分析【J】.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009（22）. 【5】谷建義，F(xiàn)RP裂增強(qiáng)的有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究【D】.重慶交通大學(xué)，2008