土木工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題解讀

馮安飛

摘要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，其材料和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響到住宅的使用壽命。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要涉及地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)問題以及上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。為有效地避免上述設(shè)計(jì)問題，本文介紹了鋼筋混凝土的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基礎(chǔ)與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題以及結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析等方面的問題。

關(guān)鍵詞：土木工程;鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)問題

一、土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

（一）安全第一

要明確建筑物的抗震設(shè)防烈度，根據(jù)建筑物類型、場(chǎng)地類型、建筑物高度等結(jié)構(gòu)類型確定建筑物抗震等級(jí)，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震措施。適用于土木工程的混凝土結(jié)構(gòu)形式一般有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和管道結(jié)構(gòu)。其中框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是建筑布局靈活、延性好、抗震性能好，但整體橫向剛度小，水平位移大。在高剛度、高空間完整性和水平力作用下，剪力墻結(jié)構(gòu)存在橫向變形小的特點(diǎn)，但存在著平面布置不靈活、結(jié)構(gòu)自重較大等缺點(diǎn)。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)的布置上較靈活、方便，同時(shí)還具有較高的剛性和較好的抗震性能。管道結(jié)構(gòu)包括框架-核心筒結(jié)構(gòu)、管內(nèi)管結(jié)構(gòu)和多管結(jié)構(gòu)。框架-核心筒結(jié)構(gòu)的主要反側(cè)力部分位于中間，由剪力墻包圍，其芯管相對(duì)于側(cè)力有較高的剛度和強(qiáng)度。四周為列間隔寬的框架。內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的外套管由密集圓柱和截面高度較大的側(cè)梁組成，具有良好的空間效果，橫向力的剛性和強(qiáng)度高。建筑物類型的選擇不僅關(guān)系到建筑物的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，還關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全。建筑類型應(yīng)根據(jù)建筑的高度、尺寸要求和建筑布局等綜合考慮。結(jié)構(gòu)物具有一定的承載能力、剛性、延性，避免了結(jié)構(gòu)件和構(gòu)件的局部破壞而使結(jié)構(gòu)物整體承載能力的喪失。

（二）經(jīng)濟(jì)性要求

土木工程的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也要注重保證滿足經(jīng)濟(jì)的基本需求，確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)正確實(shí)施，避免施工過程中出現(xiàn)資金不足、不能實(shí)施的問題，提高可行性。

（三）耐久性能要求

耐久性是指在正常的外界因素和維護(hù)條件下，混凝土結(jié)構(gòu)及其部件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持其最小性能要求的能力。其耐久性主要有抗?jié)B透性、抗侵蝕性、抗凍性。影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素概述混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性取決于混凝土條件（包括水泥、保護(hù)層厚度、集料、混和劑）以及外部環(huán)境（溫度、濕度、凍融、碳化等）。因外部因素的地區(qū)差異較大，各個(gè)地區(qū)的各種因素對(duì)建筑混凝土結(jié)構(gòu)的影響也存在明顯的差異。

（四）穩(wěn)定性要求

在正常使用條件下，土木工程應(yīng)有足夠的剛度，避免影響結(jié)構(gòu)支撐力、穩(wěn)定性及使用要求的過大位移。在建筑行業(yè)中，很多國(guó)家頒布了建筑基準(zhǔn)法，每個(gè)過程都要嚴(yán)格檢查。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上稍有不同，這主要是因?yàn)槭┕と藛T的素質(zhì)和隨后的建筑技術(shù)的不同。不管采用何種原材料和工藝進(jìn)行建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼筋混凝土必須滿足基本的穩(wěn)定性要求。它也是最基本的前提。從建筑結(jié)構(gòu)上看，鋼筋混凝土在大型商場(chǎng)、住宅等大型建筑中發(fā)揮著穩(wěn)定的作用，在以后的建筑中也起到了承上啟下的作用，穩(wěn)定也是保障施工人員安全的重要因素。

二、土木工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）恰當(dāng)運(yùn)用概念設(shè)計(jì)

在土木工程中合理應(yīng)用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)章、法規(guī)，并借鑒工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，吸收鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施和科學(xué)研究成果，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的。概念設(shè)計(jì)是我國(guó)當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，可有效保證土木工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠有效地滿足各方面的基本要求。在概念設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合理的分析與設(shè)計(jì)，以確定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力概念和變形特征。從結(jié)構(gòu)的特殊布局和形式分析，合理運(yùn)用概念設(shè)計(jì)，還能提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的審美效果，將某些新的建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)格運(yùn)用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使之達(dá)到美的效果。改進(jìn)其鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

（二）合理設(shè)置剪力墻

在土木工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，合理設(shè)置剪力墻結(jié)構(gòu)也是其中一個(gè)十分重要的方面。合理使用這種剪力墻，可以較好地提高建筑物的整體使用效果。一是從整體性的角度出發(fā)，對(duì)剪力墻進(jìn)行專門的研究。為保證在滿足結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)剪力墻的數(shù)量進(jìn)行改進(jìn)，提高其使用效果，過度抗震的問題也應(yīng)該能夠避免，這會(huì)導(dǎo)致成本過高。二是要嚴(yán)格控制剪力墻結(jié)構(gòu)的具體形式，結(jié)合土木工程的特殊特點(diǎn)，設(shè)置合適的剪力墻形狀。提高適應(yīng)性，保證了應(yīng)用效果。最后，對(duì)于相關(guān)連接，部分剪力墻適當(dāng)?shù)目刂坪吞幚硪彩翘岣哌B接穩(wěn)定性的必要條件。

（三）優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系

在土木工程中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化也是重要課題，對(duì)結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化主要是提高整體設(shè)計(jì)效果，可以增強(qiáng)土木工程整體的安全性和耐久性。具體地說，在該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化中，主要是為了提高穩(wěn)定性，需要對(duì)建筑物的剛性、支撐力、剪力等方面進(jìn)行綜合分析。

混凝土結(jié)構(gòu)受壓能力強(qiáng)，但抗拉能力弱，為提高結(jié)構(gòu)物的支撐力，將鋼筋和混凝土二者結(jié)合起來，充分發(fā)揮混凝土的壓縮性能和鋼筋的拉伸性能。除結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐火性能好外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還具有較低的工程造價(jià)，在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛應(yīng)用。砂石在混凝土結(jié)構(gòu)中的比重較大，水泥和鋼筋的比重較小。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較高的支撐力，可以代替鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)省鋼結(jié)構(gòu)用量。在混凝土中埋入鋼筋可以防止混凝土腐蝕，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)像木質(zhì)結(jié)構(gòu)一樣燃燒，也不會(huì)立即達(dá)到軟化溫度，像鋼結(jié)構(gòu)一樣被破壞。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可按要求注入任何形狀。現(xiàn)場(chǎng)澆筑或組裝的整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完整性好，剛度高。

（四）加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)

隨著地震問題不斷發(fā)生，建筑物的抗震性能受到廣泛關(guān)注。其中，土木工程的抗震性能比較突出，與土木工程結(jié)構(gòu)密切相關(guān)是抗震的主要原因。此外，從這一重要意義的觀點(diǎn)來看，通過合理的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)提高其抗震性能具有重要意義，因?yàn)榕c其安全、穩(wěn)定有著密切的關(guān)系。除對(duì)土木工程中特殊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和確定機(jī)械傳動(dòng)路徑外，還應(yīng)合理增加部分抗震裝置，以提高其整體抗震效果。

三、土木工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

隨著對(duì)工程質(zhì)量的要求在不斷提高，有些施工項(xiàng)目對(duì)質(zhì)量和工期要求很高。但若能掌握鋼筋混凝土建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，將有助于土木工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向更高層次發(fā)展。鑒于我國(guó)地域遼闊、地質(zhì)條件復(fù)雜，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及其他相關(guān)法規(guī)、政策均屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不能對(duì)所有部分作詳細(xì)規(guī)定。任何先進(jìn)的建筑技術(shù)和方案不可能在任何地方都適用，只能從實(shí)際情況出發(fā)才能獲得理想的效果。

（二）構(gòu)造措施要加強(qiáng)

土木工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“結(jié)構(gòu)對(duì)策”是重點(diǎn)，原先的結(jié)構(gòu)性對(duì)策本來是適用于當(dāng)時(shí)的情況，但現(xiàn)在隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，目前的結(jié)構(gòu)對(duì)策已經(jīng)不能達(dá)到預(yù)期的效果。其次，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們的經(jīng)濟(jì)和生活水平有了很大的提高，如果結(jié)構(gòu)對(duì)策不加強(qiáng)，市民的需求就不能得到滿足，間接影響了經(jīng)濟(jì)。結(jié)構(gòu)措施直接影響到未來建筑物的使用壽命和安全率。即便所指定的指標(biāo)之間差別很小，也需要進(jìn)行重做。要控制這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，需要通過以下環(huán)節(jié)來完成。第一，在大跨度柱網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)中，樓梯通風(fēng)的框架柱與樓梯通風(fēng)梁連接;列可能是短列，必須對(duì)該列的全長(zhǎng)進(jìn)行加密。高樓大廈建設(shè)中，樓梯、橫梁等環(huán)節(jié)容易被忽視。加強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如能如上，不僅能提高工程質(zhì)量和進(jìn)度，而且會(huì)促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。第二，如果框架結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度稍超過規(guī)范限度，并且建筑功能不允許在接合處，那么建議采用補(bǔ)償混凝土注入，以減少有害裂縫。因此，在土木工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，既要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，又要加強(qiáng)應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)自然災(zāi)害突如其來的時(shí)候，骨架不會(huì)立刻倒塌，而是非常持久。

（三）傳力設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單

由現(xiàn)狀分析，鋼筋混凝土建筑設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵是“傳力設(shè)計(jì)”。實(shí)際上，所有的工程都要經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算才能完成。傳力設(shè)計(jì)對(duì)鋼筋混凝土建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有決定性作用，可以說是其中的關(guān)鍵。為了避免未來不能承受過大的作用力而造成的結(jié)構(gòu)問題，需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的傳力方法。簡(jiǎn)潔明了并不意味著步數(shù)少，而是指采用一些簡(jiǎn)單的方法提高土木工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的支承強(qiáng)度。也就是說，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的力傳遞路徑越短、結(jié)構(gòu)的力越直接，結(jié)構(gòu)的工作效率越高，消耗的建筑材料也越少。若地面主力層內(nèi)沒有松軟的粘性土層，不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋或荷載相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房，沒有必要確定基礎(chǔ)的抗震性。盡管設(shè)計(jì)過程并非一件簡(jiǎn)單的工作，但可以通過實(shí)際檢查和局部地區(qū)考察來確定設(shè)計(jì)方法。

（四）計(jì)算分析

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的要求，在進(jìn)行建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮三個(gè)基本指標(biāo)：強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。通常采用彈性設(shè)計(jì)的方法。即建筑物在正常使用條件下，構(gòu)件處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的剛性較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要對(duì)此進(jìn)行初步計(jì)算和分析。

（五）框架柱配筋的調(diào)整

通常框架柱的配筋率通常很低，但在實(shí)際工程中，還需注意配筋薄弱環(huán)節(jié)。原因在于框架柱，尤其是角柱，在地震作用下，受雙向彎矩的影響，其約束較小，處于雙向偏心狀態(tài)。壓縮狀態(tài)地震在使用條件下引起的損傷大于內(nèi)柱。這種情況在非均勻質(zhì)量分布的框架中尤其明顯。必須選擇框架計(jì)算中最不利的方向。還可通過縱向和側(cè)向計(jì)算，比較同側(cè)鋼筋，取較大值，采用對(duì)稱鋼筋原理。針對(duì)框架柱在各種內(nèi)力復(fù)合作用下的強(qiáng)度要求。地震聯(lián)合作用下發(fā)生偏心張力時(shí)，必須對(duì)立柱的縱肋進(jìn)行配筋。加強(qiáng)框架柱的配筋，使之符合概念設(shè)計(jì)中的強(qiáng)、弱梁原理。為了加強(qiáng)對(duì)混凝土環(huán)筋的約束，框架柱的箍筋形狀應(yīng)該為菱形或楔形。采用二、三級(jí)框架焊接下柱上下層配筋材料的縱向配筋材料，當(dāng)柱體縱向配筋率超過3%時(shí)，箍筋的直徑不能減小。

（六）變形的分析

結(jié)構(gòu)變形過大會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的裂縫，一般是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛度不足的表現(xiàn)，并不能直接反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。引起結(jié)構(gòu)變形的因素有跨距、截面尺寸、支撐形狀、材料質(zhì)量、載荷等。建筑結(jié)構(gòu)變形是住宅安全性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。在對(duì)住宅進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮住宅的整體狀況。

結(jié)束語：

在目前施工階段，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在客觀上，建筑物的建造與鋼筋混凝土建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系。對(duì)于材質(zhì)，要根據(jù)結(jié)構(gòu)整體要求選擇，調(diào)整比例。對(duì)于建筑技術(shù)，需要根據(jù)建筑物的未來用途來選擇。在今后的建筑施工中，要掌握土木工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，避免因疏忽而造成重大安全損失。

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