建筑工程鋼筋混凝土結構設計要點探究

高正賢

甘肅宏圖建筑設計有限公司白銀分公司 甘肅 白銀 730900

鋼筋混凝土結構是建筑工程中常用的一種結構形式，具有承載能力強、耐久性好、施工方便等優點。在建筑工程設計中，鋼筋混凝土結構的設計至關重要。

1 結構設計的基本原理

1.1 構件受力原理

從力學角度講，構件的受力情況可以用梁、板、柱三種不同的基本構件來說明。梁是承受彎矩和剪力的基本構件。

梁的受力過程，1）彎曲變形階段，混凝土受拉區產生壓應力，這種應力可以抵消一部分彎矩，使受拉區混凝土產生壓應變。2）正截面工作階段，在最大彎矩附近，混凝土受拉屈服，產生裂縫。裂縫寬度隨荷載的增大而增大。3）斜截面破壞階段，混凝土產生了壓應變和拉應變，當正截面出現裂縫時，斜截面出現破壞[1]。

柱是承受剪力的基本構件，柱的受力過程，1）壓應力作用階段，在受壓區混凝土產生壓應變，將受壓區附近的彎矩傳遞給下面的鋼筋。2）正截面破壞階段，當受壓區混凝土達到極限壓應變時，正截面出現斜裂縫，鋼筋的應力和應變均急劇增加，鋼筋局部屈服而混凝土產生壓應變。

1.2 構件的選材原則

1.2.1 結構的安全性與耐久性

結構的安全性是指結構能夠承受正常使用時可能出現的各種作用。耐久性是指結構在正常使用時所需要的最低強度要求，通常指材料的最低強度，即強度設計值。強度設計值為材料最大可能應力，也就是構件所能承受的最大荷載。如果結構所承受的荷載大于最大可能應力，構件就會出現破壞，構件的破壞將導致整個建筑物失去承載能力甚至倒塌。

1.2.2 材料選擇

在混凝土的選擇上，應優先考慮強度高、耐久性好、變形小、和易性佳、無收縮特性的材料，確保混凝土結構的穩定性與長期性能。對于鋼筋，必須選擇品種齊全、規格適當、性能優異、強度高、良好延性的產品，承受各種應力和變形。鋼材方面，推薦使用高強度鋼材。

1.3 結構的荷載分析

在設計過程中，荷載是指作用在結構上的力和力矩。一般情況下，荷載的大小與結構所受荷載大小的變化情況成正比。對于一個平面整體框架來說，水平方向荷載可以分為：恒載（重力）、活載（活載）和偶然荷載（地震作用）。恒載是指柱、梁等豎向構件所承受的重力?；钶d是指由梁、柱等豎向構件所承受的重力和其他豎向荷載，如梁上所承受的梁彎矩和剪力等。偶然荷載是指由于偶然因素引起的結構上所產生的垂直于結構面或水平面、平面內或平面外作用在結構上的力和力矩，如地震作用、風荷載等。

2 設計方法

2.1 彈性設計方法

彈性設計方法是根據結構在荷載作用下產生的彈性變形來進行結構設計。主要特點是在確定結構構件內力時考慮實際變形（即彈性變形）；傳統機械設計方法是將結構構件的實際變形按照一定的規則進行分配，然后再進行內力計算。彈性設計方法具有以下優點：1.利用計算機對結構進行非線性分析；2.充分發揮材料強度和鋼材性能，使結構在各種荷載作用下都能得到合理的計算結果；3.能克服傳統機械設計方法的不足，將不同材料、不同性能的構件組合在一起，滿足多種結構類型、多種荷載組合及多個不同部位的計算要求[2]。

2.2 極限承載能力設計方法

在鋼筋混凝土結構中，除了梁和板等主要構件之外，還包括柱、基礎、連接構件等次要構件。

應分析構件的受力性能，如構件是否存在強度或剛度不足等問題，如果存在則應進行補強處理。對于柱來說，可采用內力平衡法進行計算；對于板來說，可采用強度折減法進行計算；對于梁和桁架來說，可采用結構分析法或材料力學方法進行計算。在設計時應綜合考慮各方面的因素，選擇合適的計算方法；對于框架結構，采用極限平衡法來分析框架結構的承載能力和變形能力。

對于結構或構件的承載能力而言，在正常使用極限狀態下應滿足兩方面要求：一是要滿足承載能力極限狀態下正常使用功能要求；二是要滿足承載能力極限狀態下局部變形與局部裂縫寬度限制要求。對于承載能力極限狀態下的局部變形和局部裂縫寬度的限制要求，主要是考慮鋼筋和混凝土強度、鋼材屈服強度以及構件截面尺寸等因素。

2.3 建筑信息模型(BIM)在結構設計中的應用

建筑信息模型（BIM）的高效、精確和協同的特性，為現代建筑工程的結構設計帶來了革命性的變革。一是在結構設計中，利用BIM技術，設計師可以精確模擬材料的力學性能和結構的承載能力，通過精確的數值分析和模擬測試，優化設計方案，提高結構的安全性和穩定性。二是BIM技術還極大地促進了各專業之間的協同工作，使得建筑、結構、機電等不同專業的設計師能夠在同一平臺上共享信息，實時更新設計變更，減少錯誤和沖突，提高設計效率。三是BIM技術還具備強大的信息管理能力，可以詳細記錄結構的每一個構件的尺寸、材料、連接方式等信息，為施工階段的精確施工和后期的維護管理提供了便捷的數據支持。

3 材料選擇

3.1 混凝土材料選擇

混凝土材料選擇在建筑工程結構設計中占據著十分重要的地位，其選擇的正確與否直接影響著整個建筑工程的質量。1）根據設計要求，對混凝土材料的各項性能指標進行準確計算。在計算時，應充分考慮環境因素對混凝土材料性能的影響。環境條件越復雜，則影響程度越大，應將環境因素考慮在內。2）對混凝土材料進行合理選擇。根據結構使用功能和強度等級、耐久性等要求進行合理選擇，將混凝土材料的強度等級盡可能提高到C60以上。3）結合設計要求和工程實際情況選擇合適的水泥品種和水泥用量。水泥用量越大，混凝土的強度越高，耐久性越好；水泥用量越少，混凝土的強度越低，耐久性就越差[3]。

3.2 鋼筋材料選擇

在建筑工程鋼筋混凝土結構設計中，鋼筋的選擇對于混凝土結構的可靠性和安全性有很大的影響。通常情況下，在建筑工程中常見的鋼筋有兩種，第一種是普通螺紋鋼，其規格型號較多，其中包括32mm和36mm兩種。第二種是優質碳素結構鋼，其規格型號相對較少，其中包括5mm和6mm兩種。

在實際選擇過程中，設計師需要綜合考慮各種因素，包括材料的供應情況、價格成本、施工工藝等，找到最經濟合理的鋼筋材料。一要考慮其力學性能，包括屈服強度、抗拉強度、延伸率等指標，這些指標直接決定了鋼筋在受力時的表現。二是鋼筋的化學成分和微觀結構也是選材時需要考慮的因素，影響著鋼筋的耐腐蝕性和焊接性能。三是根據工程的具體要求，如抗震設防烈度、環境類別等，選擇相應強度等級和耐腐蝕性能的鋼筋。例如，在地震多發區，應選擇具有較高屈服強度和良好延性的鋼筋，提高結構的抗震性能；在腐蝕環境中，應選擇具有較好耐腐蝕性能的鋼筋，保證結構的耐久性。

4 施工要求

4.1 施工工藝要求

1）在澆筑混凝土之前，務必徹底清除模板內的所有雜物以及鋼筋上的污垢，并澆水使模板充分濕潤。在澆筑過程中，要持續觀察模板、支架、鋼筋和預埋件的狀態，一旦發現任何變形或移位現象，采取相應措施進行修復和調整，確保澆筑質量和結構安全。

2）在建筑工程中，混凝土的攪拌是確保施工質量的關鍵環節。一是必須使用來源可靠、質量上乘的商品混凝土，在攪拌過程中嚴格控制水灰比和攪拌時間。二是定期檢查攪拌設備的運行狀態，確保混凝土攪拌均勻、無干縮裂縫，滿足施工的質量要求，為建筑工程的順利進行提供堅實基礎。

3）在進行混凝土澆筑時，必須采取分層澆筑的方法，每層澆筑厚度要適中，避免一次性澆筑過厚導致混凝土內部產生溫度裂縫。同時，每層澆筑后要及時進行振搗和養護，確保混凝土充分密實和硬化。通過科學合理的分層澆筑和細致的養護工作，可以有效提高混凝土結構的整體性和耐久性。

4）混凝土分層振搗時，嚴禁用振搗棒直接振動鋼筋和模板，免出現露筋現象。振搗上一層混凝土時，應將模板上的灰漿清理干凈；下一層混凝土前應先檢查模板的支撐情況，在其上鋪一層塑料薄膜或油毛氈等材料，保持新舊混凝土之間的潮氣。

5）混凝土的澆筑過程必須保持連續性，嚴禁間斷。為確?；炷两Y構的整體性和耐久性，一方面在混凝土初凝之前，必須按照施工方案或技術交底的要求，采取有效措施來預防或減少裂縫的產生。另一方面要密切監測模板、支架的狀態，一旦發現裂縫，應立即分析原因，采取相應措施進行修補，確保施工質量和安全[4]。

6）拆模是施工過程中的關鍵環節，必須謹慎操作，避免損傷或變形鋼筋和模板。拆模順序應根據結構特點和施工方案科學合理地確定，減少對結構的沖擊和振動。在拆模過程中，若發現鋼筋或模板有損傷，應及時采取修復或更換措施，確保施工質量和結構安全。拆模后還需要及時對結構進行檢查和評估，確認其穩定性和安全性。

7）大體積混凝土施工時，要特別注意防止因水化熱和溫度收縮引起的裂縫。應采取有效的溫控措施，如使用低熱水泥、降低混凝土入模溫度、合理設置施工縫等，確?；炷羶炔繙囟染鶆蚍植?，避免裂縫的產生。

8）冬季施工時，必須采取有效措施防止鋼筋凍結。在施工現場搭設保溫棚或使用加熱設備，保持鋼筋處于恒溫狀態。施工后澆帶和膨脹加強帶必須在氣溫高于5℃時才能拆模，確?；炷恋恼Ｓ不徒Y構的穩定性。在冬季施工中，要加強對混凝土的養護和保溫工作，避免混凝土受凍而影響其性能。

4.2 鋼筋布置和連接要求

1）柱的縱向鋼筋應在柱頂附近匯交，一般位置宜接近角點，在柱頂附近形成三角形匯交。在柱頂附近匯交時，應盡量減少鋼筋的交叉，減少接頭數目，盡量使不同鋼筋的交角大于90°。對有抗震設防要求的柱，縱向鋼筋不宜采用光圓鋼筋搭接。在構造上，除受拉柱外，鋼筋與柱縱筋應在距柱邊一定距離內匯交。當柱高大于4m時，應采用短向加筋柱；當柱高度小于4m時，可采用帶箍的短向加筋。此外，還應注意：當箍筋直徑大于10mm或有間距時，應增加加密箍筋的數量；當截面高度大于4m時，應增加雙向箍的數量。

2）梁縱向受力鋼筋宜采用直螺紋套筒連接。當采用焊接或綁扎連接時，應符合下列規定：①鋼筋的接頭位置宜在受力較小處；②同一截面內接頭面積百分率不應大于50%；③有抗震設防要求時，縱向受力鋼筋的接頭應有可靠的抗裂措施。

3）在板縱向受力鋼筋的布置中，必須嚴格遵循最小配筋率的規定。當板長度小于250mm時，最小配筋率不得小于0.5%，確保板的承載能力；而當板長度大于250mm時，最小配筋率也不得低于0.3%，維持結構的穩定性和安全性。這些規定是基于結構力學的原理和工程實踐經驗而制定的，必須嚴格執行。

4）柱縱向受力鋼筋宜一次與框架梁相交。當不能一次與框架梁相交時，應采取適當措施保證柱縱向受力鋼筋的錨固長度滿足規范要求。當柱頂設置圈梁時，柱頂和柱邊縱向受力鋼筋的錨固長度不應小于0.8d（d為柱截面高度）。

5）在結構設計中，如果使用的混凝土強度等級為C20及以下，那么板的縱向受力鋼筋應優先采用直螺紋套筒連接。這種連接方式具有可靠的機械性能和施工便捷性，能夠有效提高結構的整體性能。當采用綁扎連接時，為確保連接的牢固性和穩定性，建議將梁、柱、剪力墻中的負筋彎起部分全部綁扎連接，避免出現松動或滑移現象。

6）一、二級抗震等級時框架梁的縱向受力鋼筋應采用直螺紋套筒連接；三級抗震等級時框架梁的縱向受力鋼筋可采用綁扎連接。當框架梁兩端與柱相交且有柱箍時，當按規定將箍筋加密處理時，框架梁可采用直螺紋套筒連接?？拐鸺墳槿壍目蚣芰嚎刹捎媒壴B接。

7）受拉鋼筋與受壓混凝土之間應設置足夠數量和有效長度的搭接接頭。當采用綁扎連接時，搭接接頭在受拉區不得小于構件最大內力值的50%；在受壓區不得小于構件最小內力值的40%。

8）梁端縱向受力鋼筋的錨固長度是確保結構安全的關鍵參數之一。根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中7.2.2條的規定，必須保證錨固長度足夠，充分發揮鋼筋的承載能力。在實際施工中，應嚴格按照規范要求進行操作，確保錨固長度的準確性和可靠性，為結構的安全性和穩定性提供有力保障[5]。

4.3 混凝土養護要求

1）對于大體積混凝土，澆筑完成后應迅速啟動養護工作，這對其長期性能至關重要。常用的養護方法包括覆蓋塑料薄膜以及使用草袋或麻袋進行覆蓋。在養護過程中，必須確保薄膜的密封性，保持混凝土表面持續濕潤，防止水分過早蒸發，確?；炷脸浞钟不?，達到設計強度。

2）混凝土澆筑完畢后，為了避免表面水分的過快蒸發和確?；炷脸浞钟不?，應該使用塑料布覆蓋、澆水，或使用草簾、麻袋、海綿等保濕材料進行保濕養護。一是在養護過程中，要確保每一處都被覆蓋，不得有遺漏。二是澆水的次數應根據實際情況進行調整，保持混凝土表面始終處于濕潤狀態，確保養護水具有適宜的溫度和濕度，促進混凝土的硬化過程。

3）對于大體積混凝土，在拆除模板后，其表面仍需進行特別的保濕養護。除了覆蓋草簾、麻袋或海綿等材料外，還應保證混凝土具有足夠的溫度和濕度環境，預防干縮裂縫的產生。

5 結束語

建筑工程鋼筋混凝土結構設計要點的探究涉及結構設計的基本原理、設計方法、材料選擇和施工要求等方面。通過合理的受力分析和計算，選擇合適的材料和設計方法，嚴格按照施工規范要求進行施工，可以保證鋼筋混凝土結構的穩定性、安全性和使用性能。同時，建筑信息模型(BIM)技術的應用也能提高設計效率和質量。