混凝土結構設計相關問題探討

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

摘要：我國的混凝土結構設計，限于條件和具體工作環(huán)境狀況，存在一些設計方面的質(zhì)量問題，為了使設計人員在混凝土結構設計中更好地貫徹執(zhí)行向關設計規(guī)范等，做到安全適用、經(jīng)濟合理、技術先進并確保質(zhì)量，本文從實用的角度出發(fā)，探討混凝土設計工作中的常見問題及解決方法，作為技術交流供同行參考。

小清新：混凝土結構；結構設計；問題；解決方法 一、引言 19世紀下半期開始，鋼筋混凝土作為結構材料在工業(yè)文明的潮流下廣泛得到應用，由于其本身的材料特性比其他結構材料更優(yōu)越，因此在房屋建筑和土木工程中得到了空前的應用和發(fā)展，然后相繼在材料、設計方法、制作工藝以及施工技術等方面也大顯身手。目前，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市面貌的日新月異，一棟棟高樓大廈拔地而起?；炷烈惨呀?jīng)成為我國工程建設中最主要的結構材料之一 。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，使得工程設計越來越復雜，但是目前的設計周期普遍偏短，在設計中普遍存在一些質(zhì)量問題，因而在混凝土結構設計過程中，設計人員必須重視一些影響混凝土質(zhì)量的問題[1]。 二、混凝土結構的優(yōu)缺點： （一）優(yōu)點 1、材料利用合理：鋼筋和混凝土的材料強度可以得到充分發(fā)揮，結構承載力與剛度比例合適，基本無局部穩(wěn)定問題，單位應力價格低，對于一般工程結構，經(jīng)濟指標優(yōu)于鋼結構。 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，適用于各種形狀復雜的結構，如空間薄殼、箱形結構等等。 3、耐久性和耐火性較好，維護費用低：鋼筋有混凝土的保護層，不易產(chǎn)生腐蝕，而混凝土的強度隨時間而增長；混凝土是不良熱導體，30mm厚混凝土保護層可耐火2個多小時，使鋼筋不致因升溫過快而喪失強度。  4、現(xiàn)澆混凝土結構的整體性好，且通過合適的配筋，可獲得較好的延展性，適用于抗震、抗爆結構；同時防振性和防輻射性能較好，適用于防護結構。 5、剛度大、阻尼大，有利于結構的變形控制。 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 1、自重大：不適用于大跨度、高層結構。  2、抗裂性差：普通RC結構，在正常使用階段往往帶裂縫工作，環(huán)境較差(露天、沿海、化學侵蝕)時會影響耐久性；也限制了普通RC用于大跨結構，高強鋼筋無法應用。 3、承載力有限：作為重載結構和高層建筑底部結構，構件尺寸太大，減小使用空間。 4、施工復雜，工序多（支模、綁鋼筋、澆筑、養(yǎng)護），工期長，施工還受季節(jié)、天氣的影響。 5、混凝土結構一旦破壞，其修復、加固、補強比較困難。 三、地基與基礎設計問題 “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，在進行混凝土結構設計時，首要考慮的是地基與基礎設計問題，對于設計師而言，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。 　  柱下獨立基礎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，設計師在設計時不能忽視這種附加應力的影響。如果沒有這種附加應力,對底板而言是很不安全的，很有可能導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，其實這相當于在地下室和持力層之間加一層保護帶，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，地下水的結節(jié)性變化是影響地下室底板的主要原因。當?shù)叵滤惠^高時，底板的防水設計很重要。此時室外地坪之下的結構部分，外輪廓形狀要盡量簡潔，這樣有利于建筑防水的施工。對于具體的設計策略，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、上部結構設計中存在的問題 在上部結構設計時，框剪結構，剪力墻在設計上容易出現(xiàn)布置不均勻，單肢剛度過大的剪力墻，會造成應力的過度集中，剪力墻的部分破壞。同時，在上部結構設計階段，與之相關聯(lián)的結構構件，比如連梁等構件的設計難度也很大。 可以采用延性設計和連梁設計來解決這樣的問題。在上部結構設計階段，需要考慮建物的抗震功能，遇到中震時，我們應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?shù)谝患墑e的剪力墻進入塑性階段后，為了保證建筑物在震動作用下不至于過度變形而引起災害，在剪力墻設計時應該進行多道設防。如果遇到大震，小級別的剪力墻在進入塑性階段后，建筑物基本已經(jīng)破壞了。這是，我們應該通過設計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、混凝土結構設計中存在的其他問題分析 （一）混凝土結構耐久性和防腐蝕設計存在的問題 對于混凝土結構設計，混凝土耐久性以及防腐蝕性設計也很重要。建筑物在外界環(huán)境下，會長期受到雨水、風沙的侵蝕，這種氣候環(huán)境將導致建筑物產(chǎn)生硅碳化反應，甚至出現(xiàn)開裂，最終鋼筋受到嚴重腐蝕等現(xiàn)象。在對鋼筋混凝土設計時注重混凝土的耐久性以及防腐蝕性設計，就能有效的使建筑物避免這些風險，延長建筑的使用壽命?；炷聊途眯栽O計包括抗凍融設計、抗碳化設計以及抗腐蝕設計等等。我國目前混凝土耐久性設計存在的主要問題包括配比環(huán)節(jié)設計不良、僅停留在對單個環(huán)境以及物理因素影響的獨立分析層面，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)生較大的拉應力，如果這種應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會出現(xiàn)開裂。所以，設計人員可以在混凝土設計中通過加入粉煤灰、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）混凝土結構設計中的裂紋問題分析 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。有關混凝土的實驗也證實了在沒有受荷載的混凝土以及鋼筋混凝土結構中會存在一些微裂紋，包括骨料裂紋、骨料與水泥石粘結面上的粘結裂紋以及水泥漿中的裂紋等等[5]。 混凝土結構的裂紋控制方法主要是基于“抗”的思想，可以分別應用傳統(tǒng)力學和斷裂力學來分析傳統(tǒng)裂紋控制方法。 從傳統(tǒng)力學觀點來看，由于預先給混凝土梁施加了預壓應力，使混凝土梁受到外部荷載，拉應力全部（或部分）被抵消，所以可以避免（或者推遲）混凝土出現(xiàn)裂紋，這其實相當于改善了梁中混凝士的抗拉性能，以此達到充分利用高強材料的目的。 從斷裂力學的觀點來看，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先施加一對軸向壓力，可以認為裂紋端部的應力強度因子為負值。如果外部荷載在裂紋端部產(chǎn)生的應力強度因子與非均布壓應力產(chǎn)生的應力強度因子大小相等時，裂紋端部的應力強度因子就為零。這時裂紋就不會失穩(wěn)擴展。也就是說，由于預先對混凝土梁施加了預壓應力，從而減小了外載作用下裂紋端部的應力強度因子，從而避免或是推遲了混凝土出現(xiàn)裂紋。 六、結論 混凝土結構設計的質(zhì)量關系到整個工程的最終質(zhì)量，關系到人民生民財產(chǎn)的安全，所以對于設計人員，責任重大。因此，在進行混凝土結構設計時，一定要根據(jù)相關的制度、法規(guī)，并根據(jù)實際工程，做出科學的合適的設計，這樣才能提高建筑質(zhì)量，造福人民。   參考文獻： 【1】 韋學陸，黃杰.混凝土結構設計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)行混凝土結構設計【J】．2010（16） 【3】淺析混凝土結構設計的常見問題與方法【J】.河北建筑設計研究院有限責任公司，2010. 【4】混凝土結構設計的一些常見問題分析【J】.科技創(chuàng)新導報，2009（22）. 【5】谷建義，F(xiàn)RP裂增強的有限元分析與實驗研究【D】.重慶交通大學，2008