結構工程設計中的一些常見問題分析

【摘要】隨著建筑行業現代化的快速發展，工程安全事故頻發，工程質量問題越來越被人們所關注。結構設計是保障工程質量的重要前提，其設計安全性直接關系到工程的使用壽命及使用功效，因此加強結構安全性設計顯得極其重要。安全有效的結構設計方案不僅可以降低安全事故的發生幾率，還能促進工程質量的提高，因而設計人員需要高度重視結構安全性設計對工程的重要性。

【關鍵詞】結構工程；設計；問題；分析

1、結構安全性設計的原則分析

結構安全性主要是指在外在因素的影響下，能防止出現倒塌或被破壞的性能，這也是結構質量的重要衡量指標。通常結構安全性設計過程中要遵循如下原則：①注重建筑結構的多重防護。對于設計而言，其安全設施要由多個部門相互合作，在建筑物中預留足夠的逃生和消防通道，對面積中的公共部分進行科學劃分。同時在設計中不能只關注結構的穩定性，還要注意外圍的安全設計，結合自身功能和結構來實現結構的功能與安全。②注重結構的統一及完整。建筑物的整體結構應具備完整性的特征，特別是大型地標性建筑的設計，應該高度注重結構的性能，當建筑物整體遭受破壞荷載時，要保證構件受力的科學性及主體結構的完整性，借助結構內部進行內部抵消、轉移、轉化等。③注重結構設計的剛柔并進。設計結構時要充分體現剛柔并進的原則，若結構過剛，則建筑物在較大的破壞力作用下會出現大面積坍塌，降低變形能力；而結構設計過柔，往往不能保證建筑物的穩定性，建筑物因過大的變形而出現傾覆現象。此外，結構設計過程中，必須要恰當選擇建材，尤其是韌性和彈力性能良好的材料，當發生地震災害時，借助建材自身的彈性與地震作用力相互作用，進而促進抗震性能的提升。值得注意的是，結構自身的設計要以實用性和安全性為主，盡量采用有一定彈性的結構形式。

2、結構設計中存在的常見問題及解決措施

2.1地梁中存在的問題

地梁普遍存在于一些結構形式之中，它對整個結構體系有著重要的影響，因此，相關設計人員在對地梁的處理過程中，一定要對其復核驗算，小心處理。地梁與基礎直接相連，不僅具有拉結作用，還可以解決一定程度上的不均勻沉降作用。另外，當基礎埋置較深時，往往還能降低框架柱的計算高度，有利于其他承重構件的優化設計。

地梁的設計問題往往得不到設計人員的重視，因此，對其設計方法也存在很多異議。目前，主要分為以下兩種：第一，將地梁全程參與基礎結構的設計過程，直接按實際的截面尺寸輸入到結構計算模型，參與基礎整體計算。這種設計方法具有一定的科學性，有利于在實際工程的應用。第二，直接將地梁分離出基礎來，并不參與基礎的內力計算，忽略地梁和上部結構的相互影響，取出一榀或幾榀地梁單獨計算。這種結構設計方法，在實際操作過程中存在相當大的安全隱患。

2.2 地基基礎設計問題

地基基礎的形式有很多種，其設計方法也不盡相同，結構設計人員應當根據建筑物所在地區具體地質條件綜合考慮，合理的選擇基礎。比較成熟的地基基礎形式的結構設計方法，目前問題較少，不再贅述，這里著重討論預應力混凝土管樁。預應力管樁作為高層的常用地基基礎形式，其可承樓層高度已達四五十層，其優點主要表現在兩個方面：首先，預應力管樁在工廠生產，其樁身強度高、質量好、可靠性大，對不同地質的適應能力很強、造價比較低廉。其次，在施工方面，穿透力強、施工速度快、吊裝方便。但是，該樁在實際應用中經常出現斷樁的情況，這主要是在設計時，預應力管樁的單樁承載力取值過高，對水平作用力的考慮明顯不足造成的。雖然單樁承載力極限值是根據實際工程的地質勘察報告，按照規范的通用公式計算得來，但如果管樁樁端的持力層為強風化巖層時，將樁身極限抗壓強度的上限作為樁的豎向承載力極限值，在上部有深厚的弱土層時，如此的取值只考慮了上部結構的豎向荷載，卻對底部水平向的剪力考慮不充分，容易造成預應力管樁基礎的水平剪切破壞。

2.3 框架柱的截面設計過小

通過調查研究發現，在設防烈度較低的部分區域普遍存在這種問題，一些結構設計人員在計算時為讓開發商錯誤的認為設計的建筑比較經濟，故意設置較小的截面，這樣就增大了梁柱的線剛度比，將梁簡化為了簡支梁，然后按照軸心受壓來考慮柱子的設計。但這樣的設計方法卻沒有考慮柱子的約束彎矩，從而直接影響到柱子的抗彎能力。因而，這需要結構設計從業人員一定要按照規范嚴格控制設計過程，不能忽略了結構的安全性問題。

2.4超長結構設計中的問題

混凝土的本身溫度性質和地基的不均勻沉降等問題，會導致超長結構的開裂，因而，應該設置伸縮縫來解決這一問題。混凝土規范中規定框架結構在室內或土中，建筑物的最大伸縮縫距離為55m，剪力墻結構在室內或土中，建筑物的最大伸縮縫距離為45m，框架-剪力墻結構的房屋伸縮縫間距，可根據結構的具體情況，取框架結構與剪力墻結構之間的數值，然后又指出當采用后澆帶施工方法時，如果能夠保證有專門的預加應力措施或能采用減小混凝土溫度變化的措施，如采用低收縮混凝土，或采取跳倉法、控制縫等施工方法時，伸縮縫的距離可以適當增大。對于結構設計人員，在實際工程中較難把握。實際工程中難以保證每超50米左右就設置伸縮縫，但采取后澆帶來增大設置間距時，應控制建筑物的長度是多少呢？

憑借作者長期的工程實踐經驗認為，這取決于每個地區的溫差和不同混凝土配比的收縮性能。在70m以內且當采用后澆帶等措施后，不再設置伸縮縫是完全可行的，至少，在大量的工程案例中證明并沒有出現嚴重的裂縫問題。但是，在概念上，應該預先在設計時，對建筑物梁、柱、板的配筋方式進行一些調整。第一，板的配筋應是雙層的，加強受彎矩最大的中間部位配筋，而且，在相連的梁柱上，應做加強筋，避免溫度帶來的推力影響。第二，超長結構的邊角部位很容易產生扭轉，因此，也應做相應加強。當超長結構的長度超出70m之后，應該對結構進行更加詳盡的分析，可采用施加預應力和添加膨脹劑等措施避免伸縮縫的設置，并應采用相應計算軟件計算溫度應力的影響。但效果可能不夠好，所以，作者還是建議按照規范要求在適當的位置設置伸縮縫。

2.5 鋼筋錨固中存在的問題

框架-剪力墻結構是現代高層中普遍采用的結構形式，在對剪力墻的設計過程中，往往因為剪力墻的厚度達不到要求，從而導致水平錨固的長度也達不到要求。而且由于設計、施工在工藝上的分離，往往得不到相關從業人員的重視，以至于現場工人不規范綁扎鋼筋以及不嚴格的進行混凝土澆搗。針對這一問題，結構設計人員應該在剪力墻中對暗梁或邊框柱進行分析設置，即將框架梁的縱向鋼筋錨進暗梁或邊框柱里，方可達到相關要求。

3、混凝土加固工程應用實際案例

3.1 案例工程

某現代建筑物位于市中心，地上共有18層，地下2層，占地總建筑面積10600m 2，初建于2002年。經過幾年的使用，受諸（下轉70頁）（上接68頁）多因素的影響，混凝土梁、框架柱、板均出現了不同程度的損壞，導致性能降低，結構的穩定性不斷下降，如不加以處理，可能會影響居民的正常生活和生命安全。經過一番實地現場勘察和多次商討，確定該建筑需要進行加固處理，工程于2011年3月開始設計，9月結束，2012年6月再次投入使用。

3.2框架柱加固

因為工程的空間較大，無需太過擔心占用空間情況，所以框架柱加固采用增加截面積法，框架柱的配筋量有所增多，橫截面積更大，剛度和承載力更強，可靠性和穩定性大幅提升。不僅如此，截面積增加后，框架柱的抗震性能也得到了增強。另外，增加截面的范圍不一樣，具體的操作方法也有差異，一般可采用單面加厚、雙面加厚、四周外包幾種。本工程采用四周外包法，先將原框架柱周圍的混凝土進行鑿除清理，然后按照要求整理新舊混凝土的接觸面，確保滿足施工條件。然后在原柱四周配置新的縱向受力鋼筋和箍筋，支設模板，采用細石微膨脹自密實混凝土澆筑。

接下來是質量檢測和驗收階段，邀請第三方負責，開展力學性能實驗。確定質量沒有問題后，開始全面驗收，效果良好，不僅是軸心受壓柱，小偏心受壓柱的承載力也得到了加強。該工程竣工至今已經5年有余，未出現任何質量問題。

3.3框架梁、板加固

本工程的框架梁、板采用增加截面積加固法，先對原構件的表層進行清理，掃除雜物灰塵，構件表面鑿毛，最好露出粗骨料，如此可使新舊混凝土黏結面足夠粗糙，方便施工。確保框架梁、板的平整度，將其不平度控制在允許范圍內，框架梁不得超過6mm，樓板不能超過4mm。同時，在澆筑面鑿出若干凹槽，將棱角部分處理掉，保證原構件沒有明顯的凹凸，并做整體清理，將殘余的雜質徹底清除。接觸面必須干凈，如果太臟，需反復沖洗、干燥，直至達到施工要求。除銹是很重要的環節，包括新舊兩部分鋼筋，都不能忽略。焊接工作需在卸載構件后開始，并嚴格按照程序進行焊接，以免出現質量缺陷，通常會遵循分區、分段作業的原則，以降低熱量對鋼筋的破壞。

結語：

結構設計的安全性一直是人們關注的焦點，也是確保工程結構質量安全的關鍵。在結構設計過程中，必須要立足實際，注重多重防護、結構的完整統一、結構設計的剛柔并進，嚴格遵循國家的規定標準，提高建材質量及結構抗震性能，創新設計軟件，規范結構設計。這樣才能提高結構設計的安全性能，保障結構設計的合理性，有效避免安全事故的發生，促進工程的良性發展。

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作者簡介：

宋振明，東營筑城建筑設計有限公司。