混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)之淺析

呂秋平

【摘 要】本文以混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，首先分析了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則及主要內(nèi)容，同時(shí)重點(diǎn)論述了混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，以利于提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量。保證結(jié)構(gòu)的安全。

【關(guān)鍵詞】混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；基本原則；主要內(nèi)容；注意事項(xiàng)

前言

當(dāng)前，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的重點(diǎn)內(nèi)容以及細(xì)節(jié)還有很多，因此，在建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮到建筑具有的力學(xué)材料特性，并對混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行優(yōu)化，在眾多實(shí)踐的基礎(chǔ)上加強(qiáng)建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便于減少建筑在日后可能發(fā)生的各種不同程度的危害，最大限度的減少建筑對人們正常生活的影響。進(jìn)而確保建筑混凝土結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)要求，同時(shí)確保對建筑的質(zhì)量以及舒適度要求。

1、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

目前，隨著人們對建筑質(zhì)量的安全要求越來越高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也逐漸趨向于廣泛化。而混凝土結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中必須面臨的一項(xiàng)問題就是其設(shè)計(jì)要達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，而要想達(dá)到該要求，在混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中就必須遵循相應(yīng)的技術(shù)原則，從而對建筑結(jié)構(gòu)的使用維護(hù)以及施工設(shè)計(jì)加以保證。我國建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中明確規(guī)定，混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足建筑對安全性、耐久性以及舒適性的設(shè)計(jì)要求。

所謂混凝土設(shè)計(jì)的安全性原則指的是混凝土結(jié)構(gòu)可以承受在規(guī)定年限內(nèi)可能發(fā)生的各種突發(fā)的狀況，并且，如果在合理的使用年限范圍內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)事件，混凝土的結(jié)構(gòu)必須有一定的穩(wěn)定性；而混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性指的是以混凝土結(jié)構(gòu)為主的建筑在其規(guī)定的使用年限之內(nèi)，該建筑的結(jié)構(gòu)必須具有一定的耐久性，至少要大于或等于建筑的使用年限；而混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性則指的是以混凝土結(jié)構(gòu)為主的建筑應(yīng)該在其規(guī)定的合理使用的年限之內(nèi)，滿足用戶對建筑的使用要求，即對混凝土結(jié)構(gòu)的抗振、抗裂縫或者抗變形的性能有較高的要求。

2、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

2.1 計(jì)算地震作用。規(guī)范中要求規(guī)則結(jié)構(gòu)不計(jì)算扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的時(shí)候，平行于地震作用力方向的兩邊要乘以放大系數(shù)，一般較短邊乘以1.15的系數(shù)，長些的邊乘以 1.05 的系數(shù)，扭轉(zhuǎn)剛度小時(shí)要按大于或等于1.3采用，地震作用計(jì)算要考慮扭轉(zhuǎn)耦連產(chǎn)生的影響；質(zhì)量、剛度不對稱分布的結(jié)構(gòu)要計(jì)入雙向水平方向的地震作用扭轉(zhuǎn)影響。

2.2 計(jì)算質(zhì)量系數(shù)。一般工程采用不少于 9 的質(zhì)量系數(shù)，如果是2層結(jié)構(gòu)采用6個(gè)，一般是取3的倍數(shù)，每層有3個(gè)自由度。計(jì)算的時(shí)候要檢查質(zhì)量振型參數(shù)，要保證不能小于90%，如果不夠的情況，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不夠安全。

2.3 計(jì)算最小地震剪重比。規(guī)范強(qiáng)制要求各樓層剪重比不小于規(guī)范給出的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)不滿足要求時(shí)要檢查質(zhì)量系數(shù)，有效的質(zhì)量系數(shù)不夠要增加振型數(shù)的計(jì)算；有效質(zhì)量系數(shù)能夠滿足時(shí)可能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，要合理分布結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度。

2.4 計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移、周期。周期比要控制在大震下扭轉(zhuǎn)振型不靠前，用樓層豎向最大位移限制層間最大位移，位移比取最大和平均位移比值。

2.5 計(jì)算柱長度。進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)P-Δ效應(yīng)計(jì)算時(shí)不再需要計(jì)算框架柱的計(jì)算長度L0，規(guī)范第6.2.20條第2款表6.2.20-2中框架柱的計(jì)算長度L0主要用于計(jì)算軸心受壓框架柱穩(wěn)定系數(shù)φ，以及計(jì)算偏心受壓構(gòu)件裂縫寬度的偏心距增大系數(shù)時(shí)采用。

2.6 確定柱配筋的方式。單偏壓方式是按規(guī)范公式計(jì)算的，雙偏壓則是用數(shù)值積分法，整體計(jì)算建議使用單偏壓方式，得出具體結(jié)果時(shí)再用雙偏壓復(fù)核。

3、混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

3.1 柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

①框架柱的截面設(shè)計(jì)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，柱的截面尺寸從下到上逐漸縮小，以節(jié)約投資，使設(shè)計(jì)更合理。柱截面尺寸減小的間隔層數(shù)為3～5層，如果間隔太密，會(huì)造成模板浪費(fèi)、施工不便；太疏又起不到節(jié)約投資、降低造價(jià)的目的。每次每側(cè)減小的尺寸以100～150為宜，如減得太多，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度突變。另外，柱的最小截面尺寸應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》第l1.4.11條的規(guī)定：抗震等級為四級或?qū)訑?shù)不超過2層時(shí)，其最小截面尺寸不宜小于300mm，一、二、三級抗震等級且層數(shù)超過2層時(shí)不宜小于400mm；圓柱的截面直徑，抗震等級為四級或?qū)訑?shù)不超過2層時(shí)不宜小于350mm，一、二、三級抗震等級且層數(shù)超過2層時(shí)不宜小于450mm。

②框架柱的箍筋肢距。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB500l0-2010》第l1.4.15條規(guī)定"柱箍筋加密區(qū)內(nèi)的箍筋肢距：一級抗震等級不宜大于200mm；二、三級抗震等級不宜大于250mm和20倍箍筋直徑中的較大值；四級抗震等級不宜大于300mm。此處的"箍筋肢距" 的定義，規(guī)范沒有明確的說明。按一般的理解，箍筋肢距應(yīng)為每肢箍筋的水平距離。因此不少設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)將箍筋肢距一律按均勻分布且不大于200mm（以一級抗震等級為例）。這樣將使混凝土的澆搗發(fā)生困難。因?yàn)榛炷猎跐矒v時(shí)，是不允許從高處直接墜落的，必須使用導(dǎo)管，將混凝土引導(dǎo)到根部，然后逐漸向上澆灌。如果箍筋肢距過小，將無法使用導(dǎo)管。筆者認(rèn)為"箍筋肢距" 應(yīng)理解為"柱縱向鋼筋的箍筋拉接點(diǎn)之間的距離"由此可以采用箍筋形式，這樣既便于施工，對柱鋼筋的拉接，也符合要求。

2.2 梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

①框架梁的負(fù)筋只需按計(jì)算配夠，不必增加配筋量。在框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，由于地震作用、風(fēng)荷載等水平力的作用，往往使得框架梁的粱端負(fù)彎距遠(yuǎn)大過跨中正彎距。為了避免框架梁負(fù)筋過多過密，往往都將框架梁的負(fù)彎距乘以一個(gè)0.85左右的調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行調(diào)幅，使梁端負(fù)彎距減少，并相應(yīng)增加跨中正彎距，使梁的上下配筋均勻一些。

②梁側(cè)縱向鋼筋的配置。梁側(cè)縱向鋼筋包括梁側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋和梁側(cè)抗扭縱筋。新混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定梁腹板高度hw≥450mm梁側(cè)應(yīng)沿高度配縱向構(gòu)造鋼筋，且間距不大于200mm。梁側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋對防止梁側(cè)面的開裂具有非常重要的作用。

梁側(cè)縱向鋼筋的直徑不應(yīng)太大，一般以φ12～φ16為宜。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，常常見到梁側(cè)抗扭縱筋很大的情況，這是由于電算結(jié)果顯示抗扭縱筋的面積較大。對這種情況應(yīng)在計(jì)算和設(shè)計(jì)上做一些調(diào)整：A由于目前電算程序在結(jié)構(gòu)構(gòu)件分析時(shí)尚不能考慮現(xiàn)澆樓板對梁扭轉(zhuǎn)的影響，而是由程序給出一個(gè)梁扭距折減系數(shù)，合理選用梁扭距折減系數(shù)對控制梁的扭距是很重要的，一般情況可取0.4～0.6。B對跨度較大的次粱支承于主梁上時(shí)，次梁的支承端會(huì)對主梁產(chǎn)生較大的扭距，這時(shí)可在電算程序中指定該次梁的端支座為絞接。這種方法對解決粱在受剪扭情況下的超筋超限是非常有效的。C有時(shí)雖然做了以上調(diào)整，但梁的抗扭縱筋面積仍然較大。此時(shí)應(yīng)將抗扭縱筋面積分?jǐn)傄徊糠值搅坏乃母墙钇溆嗖糠置娣e按梁側(cè)腰筋設(shè)置，梁腰筋直徑仍以φ12～φ16為宜。

2.3 基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

①基礎(chǔ)墊層與保護(hù)層。混凝土基礎(chǔ)墊層的作用：一可方便施工，保證基礎(chǔ)混凝土的澆筑質(zhì)量，二可兼作混凝土保護(hù)層，對鋼筋起保護(hù)作用。設(shè)計(jì)時(shí)，配有鋼筋的柔性基礎(chǔ)宜考慮設(shè)置墊層。墊層的厚度通常取70-100mm。在基本積極條件較好時(shí)，也可以不設(shè)墊層，但應(yīng)注意施工時(shí)確保鋼筋的保護(hù)層厚度滿足要求。按規(guī)定，有墊層時(shí)，最小混凝土保護(hù)層厚度為40mm，無墊層時(shí)則為70mm。如果設(shè)置的墊層伸出基礎(chǔ)四邊，其伸出長度與墊層厚度相同。

②基礎(chǔ)寬度或面積的計(jì)算。在計(jì)算基礎(chǔ)寬度或面積的時(shí)，往往由于力學(xué)模型不明確或考慮問題不周詳，使得基礎(chǔ)寬度或面積不足：

情況一：墻體上作用有較大的集中力。當(dāng)墻體上有較大的集中力作用時(shí)，通過墻體和基礎(chǔ)可將此集中力向地基擴(kuò)散，但這種擴(kuò)散是有一定范圍的，并且基底土反力并非均勻分布。如果設(shè)計(jì)時(shí)用該集中力除以墻段長度得到的平均線荷載來計(jì)算基礎(chǔ)寬度，則可能造成局部基礎(chǔ)寬度不足。

情況二：縱橫墻體相交處，存在著基礎(chǔ)面積重疊問題，由于地基受力面積的重復(fù)使用，造成地基應(yīng)力加大。在四墻相交的十型節(jié)點(diǎn)處，三墻相交的口型節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中最為顯著。因此，必須調(diào)整局部某局部基礎(chǔ)寬度以滿足地基承載力的要求。上文提出了采用局部調(diào)整系數(shù)調(diào)整基礎(chǔ)寬度的方法。

情況三：柱下單獨(dú)基礎(chǔ)與墻下條形基礎(chǔ)混用，在框架結(jié)構(gòu)中，有時(shí)為了減小柱基所受壓力而設(shè)置墻下條形基礎(chǔ)以承受底層墻體的重量。此時(shí)，由于地圈梁的作用，實(shí)際仍有一部分墻重難以計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)往往忽略，從而導(dǎo)致柱下基礎(chǔ)面積偏小。因此，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地使得計(jì)算模型簡化和明朗化，從而避開由于結(jié)構(gòu)模型模糊造成的隱患。

4、結(jié)束語

總之，由于混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其復(fù)雜性，使得混凝土在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在一些問題，因此在工程中執(zhí)行人員要做到安全適用，技術(shù)先進(jìn)，確保施工質(zhì)量，落實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新規(guī)范。

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