混凝土结构基本设计原则篇（1）

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

前言

混凝土桥梁桥具有施工速度快、行车安全、功能稳定等系统性优点，在桥梁建设市场中占据着相当大的份额，随着交通行业的发展，交通总量和荷载的不断增大，许多混凝土桥梁出现了耐久性不强的问题，所以必须在设计时期就展开专项的混凝土桥梁结构耐久性分析，从影响混凝土桥梁耐久性的设计原因入手，探寻出各种措施和方法有效提高混凝土桥梁的耐久性，在设计环节上确保混凝土桥梁长时间的安全和功能。

1混凝土桥梁设计中影响耐久性的原因

混凝土桥梁是一个系统，是由多个结构组件、功能部分构成的复杂体系，影响混凝土桥梁结构的耐久性来自于组件和部分的设计、施工和维护等各环节，其中设计是混凝土桥梁建设的初始，对于后续的施工和维护有着直接的影响，因此，对混凝土桥梁耐久性的分析应该从混凝土桥梁设计开始。当前混凝土桥梁耐久性出现失效和问题的主要方面在于设计结构和组件的过程中出现重视混凝土桥梁强度设计，而忽视混凝土桥梁的耐久性设计，这是当前混凝土桥梁耐久性不高的主要原因。其次，在混凝土桥梁结构和组件的设计中没有合理的防护和维护设计，导致混凝土桥梁在外部的影响下因风雨侵蚀、行车磨损、外力碰撞而导致耐久力的下降。其三，在混凝土桥梁设计过程中对于桥梁结构的材料、体系、构造和维护工作重视程度不足，片面重视混凝土桥梁结构强度的计算，认为只要结构上符合安全的需要，就可以做到万事大吉，这会出现混凝土桥梁计算图式的错误、受力路径的混淆，极容易造成混凝土桥梁局部组件和结构出现受力过大。最后，在混凝土桥梁设计中容易出现混凝土强度等级过低、钢筋直径过细、桥梁保护层厚度不足、桥梁构件截面积多小，这些不但会形成混凝土桥梁的病害隐患，而且容易产生对混凝土桥梁耐久性的影响。

2提高混凝土桥梁设计耐久性的原则

2.1结构合理原则

混凝土桥梁的桥跨结构和支撑结构的设计中，不论是横截面内(如受弯箱梁在弯矩平面内的传力路径主要是沿腹板传递，因此，其主筋应配置在靠近腹板的范围内为好等)还是细部构造(如拱上立柱与箱拱连接处横隔板沿立柱竖向设置较径向设置传力简捷；带挂孔的悬臂梁桥采用受拉型铰较传统受压型铰施工吊装方便、牛腿的受力与梁的受力吻合，细部构造优越等)，传力路径简捷、明快，是较好的形式。

2.2系统性原则

系统性原则是强调在混凝土桥梁设计中要突出桥梁的整体性、连续性和冗余性。合理的桥梁结构具有整体性好的特点，在桥梁构件体形的变化上表现出平顺的特征，这不仅是美观的要求，而且构件体形变化平顺、节点处或边界处过渡平顺、结构整体性强是力流平顺的必要条件，同时，也可提高结构的承载能力和刚度。整体性和冗余性可以保证桥梁在运营状态下具有良好的使用性能及对局部损伤和破坏具有适当的抵抗能力，这些特点有利于结构抵抗诸如超载、地震等荷载。由于桥梁的伸缩缝长期暴露在大气中，使用环境比较恶劣，是桥梁结构中最易遭到破坏而又较难以修补的部位。近年来，国外日益强调通过减少甚至取消桥梁接缝(伸缩缝)和支座来保证桥梁的整体性和适用性，同时可以减少后期的维护费用。美国等国家已经修建了一些没有支座和伸缩缝的整体式桥梁，使用情况良好。此外，已经有越来越多的人开始研究整体式桥梁的可行性。

2.4操作性原则

混凝土桥梁设计的操作性原则体现在设计工作的可检性、可修性和结构上的替换性，人们对于桥梁有着固定的思维，认为桥梁属于永久性建筑，它的设计基准期为100年，那么在100年内就不应该出现部件的损坏与更换。实际上桥梁整体结构的寿命和结构各个部件的寿命是不等的，如橡胶支座的寿命一般在20年左右，钢拉索的寿命约10年～50年，钢结构油漆保护寿命约为20年，因而对这些寿命期低于结构寿命期的部件必须做到可检查、可维修、可更换。原苏联对其桥梁各组成部件统计的平均服务年限，有的长达百年以上，有的仅数年。桥梁构件达到使用寿命期而损坏，管理单位就应进行正常的更换，不能因未及时更换而引起或加速主要承重构件的损坏而影响桥梁的整体耐久性。桥梁设计时就应该为此创造必要的条件，如为更换支座应在盖梁上预留有放置千斤顶等提升设备的空间，也应为工作人员留有操作平台；否则将大大增加后期维护的困难和费用。国内很多桥梁设计中没有考虑构件更换的需要，甚至没有设置检查所需的通道。

2.3防水性原则

提高混凝土桥梁的防水性是确保耐久性的基本要求，良好的构造措施是实现这一要求的根本。特别是对于我国北方利用撒盐进行桥面除冰的地区，应特别注意在桥梁设计中处理好桥梁防水、隔水的问题，以阻止可能引起钢筋严重锈蚀的盐水的侵蚀。在冬季，寒潮可以带来桥面的冻胀问题，如果桥梁积水不能及时排出将会对桥梁形成危害，进而导致桥梁出现各种问题，影响桥梁的耐久性。

结语

综上所述，对混凝土桥梁设计工作的加强有利于提高混凝土桥梁的耐久性，应该行形成混凝土桥梁设计的基本原则和方法，以可造作、可借鉴的混凝土桥梁设计指导形成混凝土桥梁耐久性的保证。诚然，设计工作中要想提高混凝土桥梁的耐久性还应针对具体的建设和环境，应该将重点放在原则的应用和实际情况的实际运用上，采用高度重视混凝土桥梁设计工作的态度，将混凝土桥梁耐久性作为设计工作的一个重点，加以着重的分析和考量。

参考文献:

[1]贺方平.铁路客运专线混凝土桥梁结构耐久性的关键施工技术控制[J].科技创新导报.2010(31)

[2]张惠萍.混凝土配合比对结构物的耐久性影响分析[J].公路交通科技(应用技术版).2009(07)

混凝土结构基本设计原则篇（2）

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

引言

混凝土结构一直是我们最常用的结构，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）修订反映我国近十年来混凝土结构学科的科研成果和工程建设中的新经验，标志着我国混凝土结构的计算理论和设计水平有了新的提高与发展。

1、钢筋的混凝土最小保护层厚度的调整

鉴于《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）中规定混凝土保护层最小厚度是指纵向受力钢筋的外表面至混凝土表面的距离，除长期干燥或永久置于水中的混凝土构件外，其他环境下的构件并不能满足设计使用年限内防止钢筋严重锈蚀的耐久性要求，并且为防止混凝土构件中最外侧箍筋和分布筋首先锈蚀并导致混凝土顺筋开裂和剥落，对其保护层厚度的要求应该与主筋相同，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）从混凝土碳化、脱钝和钢筋锈蚀的耐久性角度综合考虑，不再以纵向受力筋的外缘，而以最外层钢筋（包括箍筋、构造筋、分布筋等）的外缘计算混凝土保护层厚度，规定混凝土保护层最小厚度是指钢筋的外表面至混凝土表面的距离，很显然，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）规定的混凝土保护层最小厚度既保护了纵向受力钢筋，又保护了箍筋、分布筋，比《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）规定混凝土保护层最小厚度有所加大。对由纵向钢筋和箍筋组成的梁、柱构件，混凝土保护层最小厚度的调整使正截面设计中截面有效高度 h0=h-as( 若仅布置一排钢筋时，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）为 as=c+d纵/2，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）为 as=c+d箍+d纵/2，见图 1）有所减少；对由纵向受力钢筋和分布钢筋组成板构件而言，新旧混凝土结构设计规范规定的保护层厚度不变，不影响正截面设计中截面有效高度 h0=h-as。《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）除了修改对钢筋的混凝土最小保护层厚度定义外，还对结构构件所处耐久性环境类别进行了划分，对应环境等级修改，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）调整了混凝土最小保护层的最小厚度 c（mm），对一般情况下混凝土结构的保护层厚度稍有增加，而对恶劣环境下的保护层厚度则增幅较大。

2、钢筋锚固和连接方式的改进

我国钢筋强度不断提高，结构形式的多样性也使锚固条件有很大的变化，根据近几年系统试验研究及可靠度分析的结构并参考国外标准，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）提出 ιab即基本锚固长度，取代了原先的 ιa，从基本锚固长度的计算公式看，公式并没有改变，但改变 ft取值，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）提出当混凝土强度等级高于C60时，ft按C60取值，而《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）则是当混凝土强度等级高于 C40 时，ft按 C40 取值。这主要是根据实验研究表明，高强混凝土的锚固性能被低估，原先的最高强度等级取 C40 偏于保守，其实这也是为推广高强度钢筋，如果采用原先的公式计算，高强度钢筋的基本锚固长度有些长。另外，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）删除《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）中锚固性能差的刻痕钢丝，同时提出当混凝土保护层厚度不大于 5d 时，在钢筋锚固长度范围内配置构造钢筋的要求。当不考虑锚固长度修正时，取相同直径 d，采用《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）和《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算受拉钢筋锚固长度。

3、钢筋用量的分析

工程概况①：按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）计算，梁、柱、墙受力钢筋采用 HRB400 级，梁、柱箍筋和墙中构造筋以及板中钢筋均采用 HRB335 级。

工程概况②：按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算，梁、柱、墙受力钢筋采用 HRB400 级，梁箍筋和构造筋、墙构造筋以及板中钢筋均采用 HRB335 级。

工程概况③：按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算，梁、柱、墙受力钢筋采用 HRB500 级，梁箍筋采用 HRB400 级，墙构造筋及板中钢筋仍采用 HRB335 级。

通过中国建筑科学研究院研发的 PKPM 程序模拟计算，其计算结果如下：

3.1剪力墙结构

工况②与工况①比较：在钢筋强度等级相同的条件下，按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算的钢筋总用量（748.84t）比按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）计算的钢筋总用量（747.83t）略有增加，比值为 1.001；其中梁箍筋（HRB335 级）的用量因规范修订稿中受剪公式的改变有较明显增加，梁中受力主筋（HRB400 级）的用量因《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中裂缝宽度计算公式的改变有所减少；板和墙的钢筋用量受最小配筋率控制，基本无变化。工况③与工况①比较：工况③仍按新修订的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算，但梁中箍筋改为 HRB400 级，梁、板和墙中的受力主筋改为 HRB500 级。可以看出，钢筋总用量（742.23t）比按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）计算的钢筋总用量（747.83t）略有减少，比值为 0.993；其中梁箍筋用量仅略有增加，而梁中受力主筋的用量则减少明显，梁中钢用量合计减少约 5.6%；板和墙的钢筋用量仍受最小配筋率控制，变化不大。工况③与工况②比较：工况③和工况②均按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算，只是工况③提高钢筋强度等级，可看出两种工况下钢筋总用量基本相同，主要是因为板和墙的钢筋用量受最小配筋率控制变化不大，而梁中箍筋和受力主筋用量则有明显减少。

3.2框架结构

工况②与工况①比较：在钢筋强度等级相同的条件下，按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算的钢筋总用量（229.73t）比按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）计算的钢筋总用量（231.13t）略有减少，比值为 0.994；其中梁箍筋（HRB335 级）的用量因规范修订稿中受剪公式的改变有较明显增加，而梁中受力主筋（HRB400 级）的用量因规范修订稿中裂缝宽度计算公式的改变有所减少；板的钢筋用量受最小配筋率控制，基本无变化；柱的钢筋用量略有增加。工况③与工况①比较：工况③仍按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算，但梁和柱的受力主筋改为 HRB500 级。可以看出，钢筋总用量（217.35t）比按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）计算的钢筋总用量（231.13t）减少约 6%（比值为 0.940）；其中梁箍筋用量增加较明显，而梁中受力主筋的用量则减少明显，梁中钢用量合计减少约10.9%（比值为 0.891）；板和柱的钢筋用量仍受最小配筋率控制，变化不大。工况③与工况②比较：工况③和工况②均按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）计算，只是工况③梁和柱的受力主筋改为 HRB500 级。可看出提高受力主筋强度等级后钢筋总用量减少约 5.4%（工况③钢筋总用量为 217.35t，工况②钢筋总用量为 229.73t，比值为 0.946）。

结束语

在我国当前迅速发展的工程建设领域中，混凝土结构是我国工程建设中应用最广泛的一种结构形式之一，全面修订的混凝土结构设计规范在新材料应用、设计理论发展等方面有重大进步，对确保工程质量，促进我国钢筋混凝土结构设计水平，进一步提高及混凝土结构学科的发展起到有力的推动作用。

参考文献

混凝土结构基本设计原则篇（3）

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

随着经济建设的飞速发展，桥梁施工技术得到进一步发展，工程建设规模也不断扩大，大体积混凝土在桥梁工程结构中的应用越来越广泛。但是大体积混凝土会因为水化热问题而产生温度裂缝，轻者会影响混凝土的耐久性，重者会严重影响混凝土的力学性能。因而，必须根据大体积混凝土温度裂缝的产生原因，采取有针对性的温度裂缝控制措施。

1 工程概况

某桥梁主桥主墩承台结构尺寸为9.7m×9.2m×4m(顺桥向×横桥向×高)，体积为356.96m3，C30混凝土，属于大体积混凝土基础。本承台是高墩承台，施工及营运阶段其抗压强度、抗拉强度、抗剪切强度、抗冲切性能等都有较高要求，不允许出现有害裂缝。因此，施工时温度裂缝的控制是保证承台施工质量的关键。

2 承台大体积混凝土温度裂缝原因分析

(1)结构物在实际使用中承受各种荷载，当结构的抗拉强度不足以抵抗荷载作用时，结构可能出现裂缝。外荷载产生的直接应力和次应力、温度变化、收缩膨胀以及不均匀沉降等都会产生裂缝。造成结构裂缝的原因很复杂。但在大体积混凝土施工过程中，产生的结构裂缝主要是由水泥水化热引起的温度变化造成的。大体积混凝土工程水泥用量多，结构截面大，因此，混凝土浇筑后，水泥放出大量水化热，使混凝土温度升高。由于混凝土导热不良，体积过大，相对散热较小，混凝土内部水化热积聚不易散发，外部则散热较快。升温阶段，混凝土表面温度总是低于内部温度。依据热胀冷缩原理，中心部分混凝土膨胀的速度要比表面混凝土快，中心部分与表面质点间形成相互约束，中心属于约束膨胀，不会开裂；表面属于约束收缩，当表面拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面便产生裂缝。

(2)水泥水化硬化过程中，水是必备的前提条件，但混凝土为了满足施工和易性的要求，通常所加水量是水泥水化所需水量的数倍，多余的水为游离水，游离水容易蒸发，引起体积收缩(称为干缩)。干缩与混凝土降温产生的冷缩叠加增大了混凝土中的拉应力，加剧了混凝土中裂缝的产生。

混凝土产生温度裂缝，影响结构使用的耐久性、结构安全和正常使用。因此，大体积混凝土施工中的温度监控是控制裂缝产生的关键，也是确保桥梁施工质量的关键之一。现结合大桥主墩大体积混凝土承台在施工中对温度裂缝的控制加以说明。

3 承台大体积混凝土温度裂缝控制措施

由上述分析可知，由水泥水化热引起的温度变化是造成大体积混凝土温度裂缝产生的主要原因。因此，必须对从混凝土配合比设计至混凝土施工结束(混凝土达到设计强度)的全过程实施有效控制，避免温度裂缝产生。

3.1 大体积混凝土配合比设计

3.1.1 设计原则

设计原则:①考虑混凝土强度能达设计要求；②降低水化热。根据国家标准《混凝土结构工程施工及验收规范》GB50204—2002和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55—2000，以及有关建工系统混凝土的强度保证率(P)均采用95%，相应的概率度系数t=1.645，所得混凝土配制强度计算公式:fcu，o=fcu，k+1.645σ，其中，fcu为混凝土立方体抗压强度，计算所得结果作为参考，并经过多次试配、试验确定。同时在配制过程中对所选用的原材料考虑以下几点。

⑴粗骨料采用连续级配碎石，细骨料采用中粗砂。

⑵外加剂采用缓凝剂、减水剂；掺和料采用粉煤灰、矿渣粉等。

⑶大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下，应提高掺和料及骨料的含量，以降低单方混凝土的水泥用量。

⑷选用水化热低、凝结时间长的水泥，优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。

3.1.2 原材料选用

结合当地材料供应情况，并根据送检试验结果，在施工过程中确定采用:普通硅酸盐水泥P·O42.5；5～21.5mm连续级配碎石，含泥量小于0.8%；采用本水溪机制中砂，含泥量小于1.0%，细度模数3.3；采用聚羧酸泵送剂，水剂掺量2.2%；饮用水。缓凝时间10h。

3.2 基底处理

1)对石质地基，将松碴等清理干净；土质地基，应用打夯机进行夯实，并用触探法检查地基承载力≥0.15MPa(地基承载力0.15MPa，钢筋混凝土容重按26kN/m3计算，荷载分项系数取1.4)。否则应用片石换填1m并碾压密实。

若承台边缘悬空，则在悬空一侧砌筑M10浆砌片石，宽度2m，嵌岩0.5m，若不能嵌岩，则埋入土层≥2m。

上述处理是为了使地基有足够的承载力，避免因地基沉降而使混凝土产生裂缝。

2)在基底上铺筑10cm厚碎石，并浇筑20cm厚C20混凝土垫层。使基底滤水并能消除或减弱地基对承台混凝土的约束。

3.3 内排外保措施

施工前，考虑混凝土施工时的各种工况，对大体积混凝土施工进行热工计算，在自然养护条件下，各龄期的内外温差大，承台混凝土的最大收缩应力大于C30混凝土轴心抗拉强度，抗裂系数＜1.15时，将会出现温度收缩应力裂缝。为防止裂缝的出现，需加强内排外养护措施，使混凝土内部水化热尽快传递出来，降低混凝土内部最大水化热绝热温升值；并对混凝土表面实施覆盖保温等措施(使用麻袋和棉絮覆盖)，使混凝土内外温差＜25℃；从而降低综合温差，且有效控制混凝土温度升、降速率，最终降低混凝土降温所产生的收缩应力，从而控制承台混凝土裂缝出现。

在浇注前预先布设降温冷却水管，冷却水管采用内径φ50mm×3.8mm普通输水铁管焊接而成。冷却水管管路采用回形方式水平铺设，水平管间距100cm，共分3层，层间距100cm，各层间进出水管均独立。冷却水管安装牢固，且做通水试验，保证在0.5MPa压力下不渗漏。

混凝土浇注后或每层循环水管被混凝土覆盖并振捣完成后，即可在该层水管内通水，要求连续通水10～12d，通过水循环，带走混凝土内部热量，使混凝土内部温度降到要求限度。控制冷却用水进、出水温度，控制循环冷却水进、出水的温差≤5℃。

3.4 水化热监测系统应用

混凝土结构基本设计原则篇（4）

中图分类号：TU972 文献标识码：A

对高层建筑混凝土结构优化设计不仅是提高高层建筑工程质量的重要举措，也是提高企业核心竞争力的必经之路。那么作为新时期背景下的建筑结构设计人员，在实际工作中应如何确保设计的优越性呢？

一、高层建筑混凝土结构设计需要考虑的相关因素浅析

安全始终是一切建筑工程建设的根本前提，尤其是高层建筑更是如此。而对高层建筑混凝土结构进行优化设计就是提高高层建筑工程安全性的重要举措。因而对高层建筑混凝土结构进行优化具有十分重要的意义。但在优化设计之前，笔者认为还应考虑以下相关因素，才能更好的确保设计的优越性，达到优化设计的目的[1]。

（一）充分考虑侧向力因素

所谓侧向力，就是建成之后的建筑物需要承受的各种外力，如垂直荷载、地震力、风力等外力。尤其是高层建筑需要承受的侧向力，会随着层数的增加而增大，而且侧向力对高层建筑结构的变形、工程造价以及结构内力等有着重要的影响，因而在高层建筑混凝土结构优化设计时必须考虑侧向力因素。

（二）充分考虑刚度因素

从胡克定律分析，相同材料刚度的大小主要取决于剪切模量，建筑塑性刚度取决于建筑的形状、构制。因而在高层建筑工程项目施工过程中，其高度是导致一切风险因素形成的原因，在包括侧向力因素的同时还包括侧向位移，同样随着层数的增加而增大，若水平力作用在高层建筑上，就应确保其侧向位移始终保持在一定的范围以内，而这就需要高层建筑具有充足的强度，并严格控制自振周期始终处于最佳范围之内。因而在高层建筑混凝土结构优化设计时必须考虑刚度因素，确保建筑具有合理的刚度。

（三）充分考虑延性因素

当不同高度的建筑同时遭受侧向力的作用时，高度越高的建筑越容易变形，而究其根源就是其柔性较大，抗变形能力差。因而在优化高层建筑混凝土结构设计时，在确保强度充足的前提下，还应考虑如何提高整体和局部结构的抗变形能力[2]。

二、探讨高层建筑混凝土结构的优化设计

分析了高层建筑混凝土结构优化设计应考虑的因素，那么在高层建筑混凝土结构优化设计中应采取哪些措施以达到优化的效果呢？笔者认为应采取以下几点优化设计措施。

（一）精心设计原材料选用方案

在高层建筑混凝土结构中，原材料是影响结构质量的关键因素之一。一般情况下，高层建筑混凝土结构原材料主要有钢筋和混凝土。其中，钢筋用量的多少对工程造价有着决定性的影响。基于此，为降低工程造价，减少钢筋用量，必须在将高强钢筋作为优先选用的材料。在高层建筑工程项目建设过程中，往往由于土地资源的缺乏和实际需要，而不得不建在软土地基上，不仅会提高工程造价，也会给工程带来难度。因而为了降低造价，减少施工难度，减轻建筑对地基的荷载，在选用高强钢筋的同时还应选用高强混凝土，并确保钢筋混凝土构件的界面尺寸得到有效的优化和合理的使用。通常情况下，地震对建筑物造成的破坏程度大小往往取决于建筑物自重的大小。因而尽可能的降低建筑物的自重是主要的减震措施，从而提高自身的安全系数。因而在设计诸如高强混凝土、钢筋时必须合理，才能快速有效地减少各构件截面尺寸，将少钢筋用量，降低建筑物的自重，在降低工程造价的同时提高建筑物的安全性能。

（二）合理设计独立单元结构，注重结构概念的设计

在高层建筑混凝土结构优化设计中，若整个混凝土结构是独立的单元结构。为确保设计的优化，首先应对平面结构性状进行优化设计，即做到简单规则、长度适中、凹凸部分大小适中、竖向体型均匀规则、外挑内收适中。在此基础上，各结构部分的刚度和承载力必须均匀分布，严禁采用竖向布置不规则的结构，而是采用侧向力上小下大、变化均匀的刚度结构。与此同时，在整个混凝土结构优化设计中，虽然能达到上述的各种标准，但是美观性和适用性又降低了，针对这一情况，作为设计人员必须注重结构概念设计，且在整个设计过程中始终以概念设计为底线，在尽可能确保满足外观和适用的建筑结构的原则下，平面和竖向布局应简洁、均匀、规则，以确保各结构部分承载力刚度分布的均匀合理性。

（三）不断优化剪力墙平面布置

对于剪力墙平面布置的优化，笔者认为应采取以下优化措施：第一，布置剪力墙应采取顺周边均匀且集中布置且对建筑原有功能不损坏的基本布置原则，因而建筑剪力墙通常布置在电梯间、楼梯间处和恒载大、平面形状变化大的地方；第二，对于剪力墙的墙肢截面，采取简单规则的原则，且剪力墙结构的侧向刚度较强，但也不能过大；第三，应避免出现过多的短肢剪力墙，尤其是全部均为短肢剪力墙更应避免，这是由于一旦设计过多或全部为短肢剪力墙，其联合剪力效果不佳，抗剪性能差，容易导致结构破裂[3]。

（四）不断优化高程建筑混凝土结构抗震性能

在抗震设计过程中，必须注意混凝土筒体的承载力和延性。对于高程建筑混凝土结构，出于抗震的需要，不同高度的建筑物，型钢柱的设置位置与设置方法是不一样的，型钢柱设置于筒体四角，建筑物高度一般低于130m，并且抗震设防等级多为7级；筒体四角和楼面钢梁与型钢混凝土梁的交接处设置型钢柱，建筑物的高度一般高于130m，同时抗震设防等级为7、8、9级。以此增强框架的刚度及承载力。通过刚性连接框架平面内柱与梁的方法可达到增强框架的刚度和水平承载力的目的。具体可采取如下措施：第一，设置外伸桁架加强层；第二，分段拼装外伸桁架与筒体剪力墙的刚接的方法可以被采用；第三，贯通性的刚接桁架与抗侧力墙体应均匀分布。这样就可以很好地避免楼层在水平力作用下的侧移。

三、结语

综上所述，探讨探讨高层建筑混凝土结构的优化设计具有十分重要的意义。作为新时期背景下的高层建筑结构设计人员，必须以客户需求为导向，以实际情况为基本，在日常工作中不断积累经验和教训，加强自身的学习和锻炼，不断提高自身的专业技术水平，切实做好高层建筑混凝土结构的优化设计工作，以不断提高优化设计效果，提升混凝土结构的稳固性，最终确保工程质量提高，创造更多效益，实现可持续发展。

参考文献：

混凝土结构基本设计原则篇（5）

引言

随着我国城镇化建设的飞速发展，商品混凝土在建设中越来越广泛的使用。所以在建筑过程中对商品混凝土的研究，显得尤为重要和必要。建设中为了获得具有一定要求特性的混凝土选择好的原材料只是第一步，而第二步则是配合比的设计要使各原材料之间能够正确地组合相配。虽然现代科学有一整套完整的技术原则来指导配合比设计，但由于一些现实情况也可以认为混凝土的配合比设计并不全部是一门科学。不过，因为配合比设计对于混凝土的造价和性能有相当大的影响，所以混凝土工作者在选定或者审批混凝土配合比时，应对配合比的基本设计原则和程序有所熟悉。

一、配合比设计的意义和目的

普通混凝土拌合物的配合比设计，也称配合比设计或配比设计，是一种使水泥、骨料、水、掺合料和外加剂能够按照指定的规范得到正确组合相配的方法。虽然有人对于这个方法未能简化到一组精确数字的东西而感到很不适应。但是在对基本原则有所了解并有一些实践经验后，混凝土配合比设计的技术是不难掌握的。如果能够很好地用这个技术在工程建设中就会有很好的效益。因为配合比设计对于混凝土的造价以及新拌混凝土和硬化混凝土的多种主要性能的影响是非常之大的。

混凝土配合比设计的目的之一，是要获得其性能符合某种预定要求的制品。其中最基本的要求是新拌混凝土的工作性以及硬化混凝土在指定龄期时的强度。工作性是决定混凝土拌合物在浇筑，捣实以及抹面时难易程度的一种性质。另外还有一种耐久性也是一种重要性质，但一般认为在通常的暴露条件下。如果该混凝土拌合物能够达到必要的强度，则其耐久性也不会有问题，当然在恶劣的条件下：例如，冻融循环接触硫酸、盐水时。在混凝土配合比设计时就需要对耐久性专门予以考虑。

配合比设计的另外一个目的，是要在尽可能最低的造价下获得性能满足要求的混凝土拌合物。这就要在选定组成材料时不仅必须适用，而且要有合理的价格。所以混凝土配合比设计总的目的可综合为：在常用的材料中选择合适的组成材料，并决定出其特性能够满足一定的要求的同时又是最低经济的组成比例。

混凝土工程技术工作者为了达到这个目的，所能够使用的措施是有限制的。在配合比混凝土设计中一个明显的约束因素，就是在一个固定的体积内，你不可能改变一种组分而不影响其他，混凝土配合比设计的任务又相当复杂，因为改变一个特定的变数，可能会使混凝土的某些要求性能受到相反的影响。例如，在给定水灰比的刚硬混凝土拌合物中掺加水，可使新拌混凝土流动性改善，但同时会使强度下降，实际上工作性本身就包含着两个主要的组成部分（即流动度和粘聚性），当在稳定的混凝土拌合物中加水时，这两个组成部分即趋向于受到相反的影响。所以混凝土配合比设计的过程归结起来又是要将上述各种有所抵触的作用相互得到平衡的技术。

二、配合比设计应考虑的原则

在部分混凝土工程中，混凝土工程技术人员在设计配合比时，通常应从以下几方面加以考虑。这也是混凝土配合比设计的原则问题。

1、经济效益原则

混凝土经济效益即成本问题需要考虑的是混凝土所用材料的选择，但也要考虑工程技术上可行。同时在经济成本方面要有优势，换句话说，当混凝土组分中某一种原材料可以从两个或更多个来源取得，当材料之间的价格又有明显差别时，通常认为选用其中较为便宜的一种材料作为拌制混凝土的组分。但也有可能，如果因为技术上的原因，拌制出的混凝土对工程不适用，则只有考虑选用另外一种材料作为混凝土组分。在实际工程建设中，即便当地各产区的骨料价格只有很小的差别。但对于一个大工程或混凝土搅拌站来说，一个大工程所需混凝土几万立方甚至十几万立方，一个搅拌站一年拌制几十万立方甚至上百万立方混凝土。总的节约混凝土成本在骨料上面还是非常可观的。

在实际工程建设中，有时一些传统的不正确观念，使某些混凝土工程技术人员。在混凝土拌制过程中还在使用较贵的，不必要的原材料，例如，在某些地区水泥碱含量较高，但该地区的骨料又不含对碱呈活性矿物时。如果一定要求使用低碱水泥，就会额外增加低碱水泥的运输费用，从而使混凝土成本提高，这个从经济效益上来说是不合算的。

在实际拌制混凝土前，即在考虑混凝土拌合物配合比设计所依据的许多原则，具有关键性的一点应该就是要考虑水泥的价格。因为在混凝土拌合物组分中，水泥的价格所占比重比骨料、外加剂、掺合物等等要高许多。所以在考虑混凝土经济效益成本时，所有配合比设计都应该是以减少混凝土拌合物中的水泥用量为前提。但同时不能牺牲混凝土的强度和耐久性等要求的性能。在现代混凝土配合比设计中，通常用胶凝性的工业副产品（例如粉煤灰或磨细炼钢高炉矿渣）替代部分水泥。就可以直接收到节约材料成本的效果，而且从未来看恰当的利用这些工业副产品而不是将其随意抛弃。是每一个国家都不得不从保护资源和减少污染方面所获得的间接节约效果来考虑的现实问题。

2、混凝土工作性原则

混凝土的各组成材料按一定比例配料，经搅拌均匀后称为混凝土拌合物，也称为新拌混凝土。新拌混凝土的工作性包括流动性、粘聚性和保水性三方面，同时这三个方面决定着该拌合物是否易于施工，不会产生有害的离析泌水现象

如果新拌混凝土的工作性不好，混凝土拌合物造成工程建设中难以浇筑和捣实，不仅要增加施工费用而且也会使混凝土强度、耐久性和外观质量变差。同样易于离析、泌水的混凝土拌合物就需要较多的表面抹平及表面处理费用，而且所得混凝土的耐久性也较差，所以混凝土工作性既要影响混凝土的造价又会影响其质量。

工作性是混凝土的一项重要性质，主要取决于混凝土配合比设计。可是从另外一方面讲，工作性这个名词代表着很多难以定量测定的变化多端的特性。因此，应设计一个符合拌合物工作性要求的配比。但由于混凝土工作性本身尚缺乏一个相当明确的定量方式。所以工作性一词仍然是技艺与科学的结合。这就是要求混凝土技术工作者，不仅仅要了解混凝土配合比设计的方法步骤，还应懂得混凝土配合比设计的基本原理。在设计混凝土配合比时，应考虑混凝土的工作性，其工作性所依据的指导原理：第一，新拌混凝土的稠度应符合工程浇筑、捣实和抹面的需要；第二，给定新拌混凝土稠度的用水量主要依赖于骨料特征，所以为了改善或提高混凝土的粘聚性和抹面性，在可能的条件下，提高混凝土的砂率；第三，对于设计大流动的混凝土配合比，应考虑掺入高性能减水剂。

3、混凝土强度

在混凝土设计和质量控制中，混凝土强度是设计者和质量控制者认为最有价值的性质。这是因为与其他大部分性质相比较，强度比较容易验证。再者，混凝土的许多性质，诸好弹性模量。密实性或抗渗性，包括抗风化性，均直接与强度有关。混凝土强度又与混凝土组分中起胶结作用的水泥石结构有直接关系。由于混凝土结构建筑物主要是用以承受荷载或抵抗其他各种作用力，所以混凝土强度是反映混凝土质量最直接的指标。因此在实际工作中大家都是以混凝土强度来评定和控制混凝土质量。

混凝土的强度包括抗压强度、抗折强度、抗拉强度、抗剪强度等等，但由于在同一种混凝土中混凝土抗压强度比其他几种强度都要大很多。而且混凝土建筑物主要利用抗压强度来承受荷载，所以在混凝土配合比设计中，通常以抗压强度为主要设计参数。

4、混凝土耐久性

在混凝土工程结构中，设计者们多数对混凝土强度有较高的要求，以保证建筑结构中混凝土能承受必要的荷载，使结构安全。同时设计者们还应考虑混凝土建筑物所处的自然环境及使用条件下经久耐用的性能，即混凝土耐久性，其性能保证结构物在设计年限正常使用，减少建筑物维修工作量，提高经济效益和社会效益。

混凝土耐久性指其对风化作用、化学侵蚀、磨耗或任何其他破坏过程的抵抗能力，影响混凝土的耐久性大致有两种因素：第一，建筑物所处的环境因素，即外在因素；第二，混凝土的内在因素。外在因素，就好比风化作用、磨损、电能作用、工业废水、废气的侵蚀作用等等，内在因素主要是混凝土浇筑振捣的密实程度，孔隙的构造，以及在一定条件下起碱骨料反应的混凝土碱含量或骨料中的活性矿物质。

混凝土耐久性不是固定不变的，其与周围环境相互作用，混凝土的微观结构性质随时间会改变。当混凝土在使用条件下，其性质遭受破坏到一定程度，假使该混凝土如果继续使用将会不安全或不经济。则可认为该混凝土已达到其使用寿命。混凝土工程技术设计人员，就是在设计时，千方百计，让其耐久性提高，其使用寿命长些再长些。

结语：

混凝土配合比设计是一个科学的技术活，但设计者也应结合工程实际来加以考虑，广大混凝土技术工作者在设计配合比时应对工程结构充分熟悉，对混凝土原材料掌握透彻，只有充分考虑了工程的经济性与安全性，才能设计出适合此工程的最佳混凝土配合比。

参考文献

[1] 梁兴文，史庆轩.混凝土结构设计[J].中国建筑工业出版社. 2009-04-01.

混凝土结构基本设计原则篇（6）

【 abstract 】 : according to China's present "railway bridge design basic rules" (TB10002.1-2005), and "the railway bridge reinforced concrete and prestressed concrete structure design rules" (TB10002.3-2005) and the concrete structure design rules "(GB50010-2010), such as design specification, to design basic principles, the flexural members, eccentric loading capacity calculation method, component structure requirement, applied in engineering practice, refers for the colleague.

【 key words 】 : concrete structure, Bridges, building structure

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

一、涵身结构

（1）结构形式：采用平行四边形结构，单孔为变截面框架，双孔为变截面连续框架。

（2）施工方法：按就地灌注法施工。

（3）截面尺寸的设计：

a、截面尺寸确定的原则及方法：框架各构件截面高度经技术经济比较按下述原则确定：

填土高较低的涵节（高边墙涵洞填土高较小的两级及中、底边墙涵洞）主要以控制设计截面上混凝土σw≤［σb］及主拉应力σz≤［σtp-2］为条件进行设计（［σb］、［σtp-2］分别为混凝土弯曲受压及偏心受压时的压应力与无箍筋及斜筋时主拉应力的容许值）。

填土高较高的涵节（高边墙涵洞填土高较大的两级）因顶底板梗胁起始截面处剪力较大，则按配置箍筋及斜筋设计，截面尺寸经比选后选定，截面尺寸以2cm为模数。

b、截面最小尺寸的拟定：考虑施工时，质量易于保证，本图各孔径的顶、底板及边中墙截面最小厚度定为16cm，双孔涵洞中墙厚度一般与边墙一致。

（4）加腋：为改善角隅部分的应力状态，在角隅处设计直线形梗胁。

三、结构承受的荷载：

（1）恒载：包括结构自重、填土引起的竖向及水平力、路面铺装等。

a、结构自重：钢筋混凝土容重按25KN/m计算，加腋部分自重在加腋范围内简化为均布荷载。

b、顶板上路基填方的竖向压力按《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-2005）第4.2.3条规定计算：

p=KγH(kPa)

式中γ为填料容重，H为轨底至板顶填土高，K为系数，本设计将该竖向力分成填方重(γH)与附加竖向力((K-1)γH)两部分考虑,并将前者视为主力,后者视为附加力进行组合。

c、路基填方作用于边墙的水平压力按《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-2005）第4.2.3条规定计算：

e=ξγH1 (kPa)

式中γ为填料容重，H1为轨底至涵洞计算截面处的填土高，ξ为系数，系数采用0.25。

d、填土容重按18KN/m计算。

（2）活载：中－活载，按《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-2005）第4.3.4条规定计算：

a、活载作用于涵洞的竖向压力：

qh= (kPa)

式中h为轨底以下深度；

b、活载引起的水平压力：e=ξqh（kpa）

侧压系数ξ=0.25，不计动力影响。

c、线数：根据填土高视不利情况分别按单、双线计算，双线线间距以5m计。

d、活载冲击力：中－活载的动力系数按《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-2005）4.3.5计算。

e、不计制动（牵引）力及长轨作用力。

（3）其它荷载：

a、涵内水压力：静水压力按主加附设计。

b、本设计不考虑地震力的影响。

四、结构内力计算：

（1）本图涵身结构计算图式按垂直于线路方向截取单宽1m，计算跨径按平行线路方向的框架宽度，计算边墙宽度为平行于线路方向墙厚计算，其轴线为构件混凝土截面中心线。

（2）地基反力按直线分布考虑。

（3）结构内力计算采用平面杆系有限单元法，单元设为等截面直杆，对于梗胁部分单元则按其两杆端有效高度（按1：3的坡线计算）

以单孔框架为例，控制截面位置如下：

五、截面配筋计算

（1）截面设计按容许应力法进行。框架顶底板按受弯构件计算，不考虑轴向力影响，边墙、中墙按偏心受压构件计算。

（2）顶、底板按照受弯构件进行受力分析，强度按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005）第5.2.5条各式计算，

a.混凝土压应力

b.钢筋的拉应力

式中钢筋弹性模量与混凝土变形模量之比n按其它结构项取值（C35混凝土为10）。HRB335钢筋容许应力按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005）第5.2.2条取值。

（3）边墙按照偏心受压构件进行受力分析，强度按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005）第5.2.6条各式计算，并按该规定计算主拉应力。

（4）梗胁范围截面的剪应力计算按照受弯构件变高度梁剪应力的计算方法考虑截面高度变化的影响。按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005）第5.2.5条计算。

（5）钢筋的配置根据弯距包络图及剪应力图进行。当构件某截面主拉应力（主力或主力加附加力组合下）超过《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005）表5.2.1[σtp-2]值时,则该截面所在的半跨范围内按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005）第5.3.14条要求设置开口箍筋及斜筋。

以单孔框架为例，弯矩及配筋包络图如下：

（6）梗胁部分斜向钢筋一般按构造布置，但当顶板梗胁下缘受拉时，则据其最不利竖向截面的强度和裂缝宽度的要求设计，其配筋率不小于钢筋混凝土最小配筋率要求。

（7）裂缝宽度计算按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3-2005）第5.2.8条进行，其容许值为主力时［δf］=0.20mm，为主＋附时，［δf］=0.24mm。

（8）设计涵节长度顺涵轴方向3～5m，纵向辅助钢筋间距一般为20cm设置，在钝角处顶板顶面及底板底面设加强钢筋，加强范围约为跨长的1/5。出入口涵节按涵身一致配筋，其长度在斜交角35度及以下用2.5m，在斜交角35度以上采用3.0m。涵节端面边墙仍采用斜面。

（9）钢筋布置，钢筋骨架沿涵轴每1/cosα米配置8或10排，钢筋保护层厚度由结构所处环境，按《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005-2010）确定，纵向钢筋构造布置。

六、设计注意事项

1、若采用顶进法施工，纵向钢筋配筋率不小于3%，并应检算顶进部位局部应力，边、中墙根剪应力等，且在底板前后端做局部加强设计。

2、对于双线或多线路基下涵洞，其线路下涵节长度宜设计为5m，沉落缝宜布置在线间中央附近，以免由单独一节涵身承受活载横向分布线重叠部分的力。

3、同一涵节应避免设在软硬相差甚大的两种地基上。

参考文献

1、《铁路桥涵设计基本规范》TB 10002.1-2005

2、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》TB 10002.3-2005

混凝土结构基本设计原则篇（7）

中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：

一、高层建筑钢筋混凝土结构设计原则

钢筋混凝土结构平面设计要尽量使平面规则、简单、对称、长宽比适当，这样可以使平面刚度、承载力、质量分布均匀，质量中心与刚度中心接近重合，提高钢筋混凝土结构的抗震能力。具体应遵循以下原则：尽量采用规则的高层建筑结构，保证建筑平面、立面及结构布置对抗震有利；具备合理的传力途径，使作用在上部结构的水平力和竖向力能够直接、不间断地传递到基础，避免中断和迂回；具有整体的可靠性和牢固性，当高层建筑结构受到作用力使部分结构构件损坏造成局部倒塌时，不能导致整体的承载力丧失致使整个结构的倒塌；确定构件与构件之间、结构与结构之间，该彻底分离的绝不似分非分，该牢固连接的绝不似接非接；处理好结构单元与结构构件承载能力之间的关系，尽量设置多道抗震防线，增强结构的抗震能力。

二、优化高层建筑中混凝土结构的具体方法

1.高强度混凝土和高强钢筋的合理使用。建筑的总造价包括上部结构的材料、基础及施工等费用，构件的截面尺寸和用钢量对造价的影响很大，设计中合理使用高强钢筋（如梁、板筋采用三级钢）可有效降低用钢量，节约成本。如果高层建筑位于深厚软弱地基上，由于作用于地基上的荷载很大，合理使用高强度混凝土和高强钢筋，可优化构件截面尺寸，减轻结构自重，将会降低基础施工的难度和造价，取得显著的经济效果。同时，对于地震区的高楼，地震作用的大小几乎与建筑自重成正比，减轻自重能够减小结构的地震荷载，有利于提高结构的安全度。在设计中合理的使用高强度混凝土和高强钢筋，能快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸，降低用钢量，减轻建筑自重，最终达到降低造价的目的。

2.确保建筑结构设计均匀。在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大；高层建筑的竖向体型宜规则均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。相信大部分的结构工程师都曾遇过类似情况：当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀，那么其各项指标的校验验算会很容易满足规范的要求，反之，则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人，单位面积重量严重超标，不仅造价上去了，而且还影响部分建筑功能的使用。结构设计人员一定要注重概念设计，在建筑方案阶段就应积极介入，运用自己的专业知识提出建议，在满足美观、适用的前提下，尽可建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。这样一来，结构体系就会具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。只有这样，到扩初设计和施工图设计阶段的截面尺寸优化才会有实质性的意义。

三、采用新型的高层混凝土结构设计方法

1、高层钢筋混凝土柱的设计。随着建筑物向高层发展，单个柱子承受荷载必然加大，这样的结构导致高层建筑柱子截面尺寸加大，使得建筑的有效使用面积减少。另一方面，由于层高的限制，往往造成高层建筑的若干层柱出现短柱，短柱对抗震是不利的。

2、普通钢筋混凝土柱。采用普通钢筋混凝土柱，一般在30层左右的高层钢筋混凝土建筑中就很难避免出现短柱现象。为了增强短柱的延性，目前设计中主要采取箍筋加密和设置复合箍筋的办法。同时，为了尽量减小柱截面尺寸，需尽可能地提高混凝土强度等级。

3、密排螺旋箍筋柱。采用密排螺旋箍筋柱既可提高柱子的延性，又能提高柱核心混凝土的强度。由于施工方法同于普通钢筋混凝土柱，因此，较受欢迎。在设计中如采用高强混凝土和密排螺旋箍筋将进一步减少柱的截面寸。

4、高强混凝土。在我国C50以上混凝土称为高强混凝土。在国内已有一些高层建筑使用高强混凝土，得到可观的经济效应.但目前推广应用上遇到几种困难：首先施工量的控制，其次是开发商不愿意使用高强混凝土。其实其虽比普通混凝土价格贵一些。但由于柱子断面减小也带来的使用面积增大的经济效益。

5、钢管混凝土和型钢混凝土。钢管混凝土结构的研究在我国相对比较成熟，在高层建筑柱子的使用上有着广泛的前景，但目前还需加强两方面的工作：（1）在设计上尽量规范一些梁柱节点做法，最好有一本权威性的图集供设计人员参考：（2）是施工技术队伍的培养。型钢混凝土在我国已进行了大量的科学试验工作，但目前尚无统一的设计规程，已建的型钢混凝土柱的设计大都参照国外建筑的规范。

6、钢管混凝土和型钢混凝土。钢管混凝土结构的研究在我国相对比较成熟，在高层建筑柱子的使用上有着广泛的前景，但目前还需加强两方面的工作：（1）在设计上尽量规范一些梁柱节点做法，最好有一本权威性的图集供设计人员参考。

（2）是施工技术队伍的培养，型钢混凝土在我国已进行了大量的科学试验工作，但目前尚无统一的设计规程，已建的型钢混凝土柱的设计大都参照国外建筑的规范。

7、高层建筑与裙房之间的处理。目前高层建筑和裙房之间的处理有两种观点：（1）高层钢筋混凝土结构在主楼和裙房之间。由于受力差异大等原因，需设置变形缝；（2）认为设缝会带来地下室防水、上部建筑立面处理等一系列的困难。最好是采取其它办法取消变形缝。当高层建筑位于建筑物平面中部时，且建筑物不是太长，能不设缝，尽量不设。而当高层建筑位于建筑物的边部和角部时，尤其是位于角部，应当适当设置变形缝。

四、结语

高层建筑钢筋混凝土结构设计是—个复杂且又循环往复的过程，这就要求设计者严格按照设计规范进行设计。建筑结构设计质量密切关系到人民生命财产的安全，结构设计人员必须在工作中，不断地学习、总结，不断的进步与完善。

混凝土结构基本设计原则篇（8）

关键词：钢筋混凝土；结构设计；常见问题；优化措施

中图分类号：TV331文献标识码： A

前言：

钢筋混凝土结构具备强度高、延性好、整体性等优势，因此被广泛运用到建筑物的整体框架建设中，然而钢筋混凝土工程的施工需要运用到钢筋、混凝土、石料等多种施工材料，也需要应用拌和机、吊车、输送泵车等，还需要运用到钢筋绑扎、混凝土浇筑、模板安装等多种施工工艺，由此看来，钢筋混凝土结构的设计具有一定的难度，因而其中依然存在着诸多问题，采取有效措施予以解决，才能优化钢筋混凝土工程的施工。

一．钢筋混凝土结构设计的原则

1.1钢筋混凝土结构的实用性原则

设计的钢筋混凝土结构必须具有实用性，实用是钢筋混凝土结构的主要要求，只有突出钢筋混凝土结构的实用性，整个钢筋混凝土结构设计也才能适应市场的需要，也才能满足使用者的各类需求，钢筋混凝土结构的设计工作也才能找到实施的基础。

1.2钢筋混凝土结构的安全性原则

钢筋混凝土结构设计过程中应该突出安全，一方面要确保钢筋混凝土结构施工过程中安全目标的实现，要为钢筋混凝土结构施工创造一个安全的环境，这是进行钢筋混凝土结构设计的必要前提。另一方面要确保钢筋混凝土结构使用的安全，力争在建筑物和钢筋混凝土结构的使用寿命中做到对安全的保证，这是对建筑功能和使用者人身安全的重要基础。

1.3钢筋混凝土结构的整体性原则

应该将钢筋混凝土结构的设计工作进一步深化，使整体性原则得到进一步落实，让整个钢筋混凝土结构达到一个性能综合、结构连续的整体，在实现对建筑物功能维护的同时，确保整个工程的统一。

二．钢筋混凝土结构设计中存在的问题

2.1地基设计过程中存在的问题

在建筑工程的地基设计过程中，对于地下室底板设计中容易忽视附加应力的作用及影响，这种附加应力是由建筑物沉降而引起的，在实际的工程施工中，柱下独立基础与地下室底板在上部建筑物的重力载荷作用下，会发生一定程度的变形沉降，如果不将附加应力考虑进去，势必会影响地下室底板的安全性和稳定性。在采用天然地基的情况之下，附加应力的影响会更加显著，因此需要在地下室底板与持力层之间采取支护的保护措施，如果变形与总沉降的程度较小，可以在地下室底板与持力层之间采取褥垫处理措施。对于减小附加应力作用的各种办法的采用，需要根据具体的工程要求与地质、季节等客观因素来进行选择。

2.2上部结构设计中存在的问题

对于框剪结构来说，一些剪力墙的分布不够均匀，甚至出现单肢刚度过大的剪力墙，这就导致应力过于集中，为建筑结构的安全性和稳定性埋下安全隐患，一旦该单肢出现问题，其影响较大，波及的范围较大，最终对钢筋混凝土工程造成严重的损害。其次，与框剪结构相连接的一些基础性结构，如连梁等构件，其设计本身就具有一定的难度与专业性，如果剪力墙的布置不够均匀，出现刚度参差不齐的现象，就会增加与框剪结构连接的接触性结构的设计难度。对于框剪结构的设计需要明确多道设防的概念，它是指当建筑物遭遇中震时，在第一级别的剪力墙进入塑性之后，还需要有小级别的剪力墙对建筑物的整体框架结构维持，尽可能的降低其变形程度。如果遇到较大的地震时，小级别的剪力墙也会随着进入塑性阶段，此时建筑的整体结构基本已遭到较重程度的破坏，为了保证立柱的完整，需要进行一系列的设计，从而让梁来承担建筑物的载重力，以破坏梁为代价而维持柱的稳定性，在一定程度上可以延迟建筑物的倒塌时间，甚至避免建筑物倒塌。

2.3钢筋混凝土结构设计中的裂缝处理问题

在钢筋混凝土结构中裂缝的出现不可避免，或是由于施工要求人工造成的施工缝，或是因为施工操作不到位引起的裂缝，对裂缝的处理是钢筋混凝土结构设计中的关键组成部分。①构造裂缝。在钢筋混凝土结构中，一系列操作不规范和技术不到位的现象如混凝土浇筑时的振捣不充分、模板发生移动、水灰比错误等，都会造成钢筋混凝土结构中出现构造裂缝。②温度裂缝。在钢筋混凝土结构中，最常见的裂缝就是温度裂缝，引起温度裂缝的原因是外界温度变化较大，混凝土会随着温度的变化和差异发生热胀冷缩，从而引起温度裂缝，这种裂缝在建筑物的屋面层出现的几率较多。③收缩裂缝。收缩裂缝的出现原因是因为混凝土结构在化学反应中水分会进一步流失，从而造成混凝土收缩，除此之外，在混凝土结构的养护过程中，混凝土会发生硬化、碳化和脱水的情况，这本来属于混凝土的固有特性，也会造成钢筋混凝土结构出现收缩裂缝。④结构裂缝。在混凝土浇筑的过程中，由于各个构件具有不同的刚度，因此在钢筋混凝土的整体结构中会出现刚度较弱的部位，这就容易造成钢筋混凝土中出现裂缝，称之为结构裂缝。

三．优化钢筋混凝土结构设计的对策研究

3.1完善结构体系

一般来说，钢筋混凝土结构比较复杂，其复杂性也是造成其结构问题出现的原因之一，因此在钢筋混凝土结构设计中，需要将结构体系中比较繁琐且作用不大的部分进行删除或者合并，从而使复杂的结构体系变得简化。其次，在钢筋混凝土结构设计中，最容易忽略的是受力及变形的计算，因此在对配筋进行计算时，需要将受力和变形计算进去。除此之外，需要采用一定的有效措施，对钢筋混凝土结构中容易出现问题的部位，进行预防和控制。

3.2规范结构尺寸设计

在钢筋混凝土结构工程中，施工材料的变形以及温度的变化都会引起钢筋混凝土结构出现裂缝，钢筋混凝土结构越长，由于材料和温度变化引起的应力就会越大，从而裂缝出现的几率就会相应变大，这也是横向裂缝产生的原因。而通过笔者及建筑行业多年的研究及总结，发现钢筋混凝土结构的应力与其长度呈非线性的关系，这就表明钢筋混凝土结构的尺寸设计对其稳定性和安全性关系重大，如此以来，在钢筋混凝土结构的设计过程中，需要对其设计尺寸进行严格的控制，使其符合工程施工设计要求，从而降低各种裂缝出现的几率。

3.3优化结构布置及形状

在钢筋混凝土结构中，如果结构的布置和形状不规则，就会导致结构各部分的刚性不一致，从而就会致使结构各部分产生的变形也不尽相同，这就容易造成刚度比较薄弱的部位出现一系列问题，因此在对钢筋混凝土结构进行设计的时候，需要保证其结构布置及形状的规则性，从而使钢筋混凝土结构的各部分刚性一致，最终降低问题出现的几率，增强钢筋混凝土结构的稳定性和安全性。

3.4加大板类构件裂缝控制力度

对于钢筋混凝土结构中板类构件裂缝的控制，主要采取防治的措施。在钢筋混凝土结构中，屋面及楼面板构件相对容易出现裂缝，因此在结构设计中可以采用预应力混凝土浇筑的方式，并在楼面板预埋管线的过程中，利用设置支架的方式对管线进行固定，同时要在管线的交叉部位固定接线盒，以将钢筋混凝土板的刚度进行削弱，从而降低板类构件出现裂缝的几率，提高结构的整体稳定性和牢固性。

结论：

钢筋混凝土结构是现阶段我国建筑工程中最普遍的结构，因其具备多种优势而备受关注和重视，然而也因为施工难度大，涉及范围较广等因素，其设计中依然存在着诸多问题，只有积极采取有效措施优化钢筋混凝土结构设计，才能提高建筑工程的整体质量，促进我国建筑行业的繁荣与长期发展。

混凝土结构基本设计原则篇（9）

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）03-0019-02

1 引言

《建筑结构》是非土建类专业开设的专业基础课程，内容涵盖混凝土基本原理、钢筋混凝土结构设计、砌体结构、钢结构以及抗震设计，知识面广、内容全面。在"需求导向，能力为本，知行合一，重在创新"的人才培养理念指导下，《建筑结构》课程应紧密结合结构设计规范[1]，以结构设计基本原理为基础，以建筑结构发展最新动向为延伸，强调学生对基本概念和设计方法的掌握，培养学生发现问题、解决问题的能力。

2010年新修订的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[2]于2011年7月1日在全国范围内开始实施。新规范在总结今年来全国科研、高校和设计单位的科研成果和工程实践经验基础上，学习借鉴国外先进规范和经验，广泛征求国内有关单位意见，经过反复修订而成，代表了混凝土结构学科在现阶段的技术水平。而《建筑结构》课程体系中最重要的混凝土基本原理和钢筋混凝土结构设计必须遵循新版混凝土规范要求。因此，在新版混凝土规范出台之际，《建筑结构》课程教学应适时进行调整和完善，以确保学生能正确完成钢筋混凝土结构的设计，了解混凝土结构学科发展趋势。

2 《建筑结构》课程特点

《建筑结构》课程授课对象是非土建类学生，这一特殊的教学群体决定了该课程的主要特点：

（1）课程内容繁多。《建筑结构》以"混凝土基本原理"为基础，以"钢筋混凝土结构"、"砌体结构"、"钢结构"为应用，以"抗震设计"为补充，基本涵盖了土建类专业的大多数专业基础课。同时在《建筑结构》的教学环节中，涉及了工程材料、材料力学以及结构力学等多门课程内容，要求学生具备扎实的基础知识。

（2）课程课时少。《建筑结构》课程通常分两学期教学，总课时不足90学时，远低于土建类专业课时数。在内容多、课时少的背景下，必然要求对建筑结构教学内容进行合理分配，结合教学对象，针对专业特点，把握全局，突出重点。

（3）学生基础薄弱。非土建类学生数学、力学基础较差，面对《建筑结构》中大量公式的推导和应用，往往存在心有余而力不足的现象。尤其对一些理论性稍强的内容，学生普遍认为内容太难，无法完全掌握。

（4）学生思想不重视。学生往往只关注本专业的核心课程，不重视《建筑结构》课程，在学习过程中只求应付考试，不求真正掌握、灵活应用，所以即使老师反复强调，教学效果仍然不佳。

因此，《建筑结构》课程只有针对课程自身特点，结合非土建类专业学生基础，因材施教，才能真正实现课程教学目的。恰逢2010版混凝土规范修订，可通过对教学内容和教学方式的改进，突出新旧混凝土规范的差异，促进学生对混凝土规范的认识和理解，提高教学效果。

3 《建筑结构》教学内容改革

（1）采用高强高性能材料

新版混凝土规范提倡高强高性能材料，要求适当提高一般结构的混凝土强度等级，钢筋混凝土强度不应低于C20，采用强度级别400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25。同时废除23MPa5级钢筋，以300MPa级钢筋代替，新增500MPa级钢筋，大力推广400MPa级、500MPa级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋，并逐步限制335MPa级钢筋。

（2）统一受剪承载力计算公式

在2002版规范[3]中，均布荷载作用下的受弯构件箍筋抗剪承载力为1.25fyv（Asv/s）h0，受集中荷载作用的受弯构件箍筋抗剪承载力为1.0fyv（Asv/s）h0。新版混凝土规范统一了受弯构件抗剪承载力计算公式，均按1.0fyv（Asv/s）h0计算，修订后规范适当提高了斜截面受剪承载力的安全储备。

（3）提高最小配筋率

2002版混凝土规范规定受压构件全部纵向钢筋的最小配筋率取0.6，对400MPa级钢筋可减小0.1。新版混凝土规范中根据抗震设计要求，受压构件全部纵向钢筋的最小配筋率如表1所示，修订后受压构件全部纵向钢筋的最小配筋率有所提高。

表1 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中最小配筋率规定

受力类型 最小配筋率（%）

受压构件 全部纵向钢筋 0.50（500MPa级钢筋）

0.55（400MPa级钢筋）

0.60（300、335MPa级钢筋）

一侧纵向钢筋 0.2

受弯构件、偏心受拉、轴心

受拉构件一侧的受拉钢筋 0.2和45 中的较大值

表中：ft为混凝土抗拉强度设计值，MPa；fy为钢筋屈服强度设计值，MPa。

（4）调整裂缝宽度计算公式

新版混凝土规范中裂缝宽度计算公式形式保持不变，但对于三级裂缝控制等级的非预应力混凝土构件，最大裂缝宽度可按荷载准永久组合并考虑长期作用影响的效应计算。同时对于非预应力的受弯或偏心受压构件，受力特征系数αcr减小为1.9。修订后计算得到的裂缝宽度值有所减小，解决了采用高强钢筋受裂缝宽度限制的问题。

（5）完善了各种构件的构造要求

新版混凝土规范中对板、板柱结构、混凝土墙、钢筋锚固等构造要求进行了完善修订。包括：正式提出现浇空心楼板的最小板厚200mm；修改了锚固长度的修正系数，将锚固长度的下限值减低为0.6；完善装配式结构的构造要求，增补机械连接、浆锚接头等连接方式等等。

（6）提出新的设计原则

新版混凝土规范为提高结构抵御灾害的能力，提出了结构防倒塌概念设计，介绍了结构防倒塌定量设计方法的原则。同时为完善耐久性设计，针对既有建筑改造的迫切需要，提出了既有结构延长年限、安全复核、改变用途、扩建改造、修复加固的设计原则。

4 《建筑结构》教学方式改革

《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）在第六批规范课程研究的基础上，对"从截面计算到结构设计"、"增加结构防倒塌设计的原则"、"耐久性及既有结构再设计"、"提高安全度设置水平"、"采用高强-高性能材料"以及"技术进步标准协调国际接轨"六个方面进行了补充、完善、提高。新版混凝土规范的发展方向代表了混凝土结构领域的发展方向，体现了不断进步、紧密联系工程的精神。因此，作为《建筑结构》课程更应及时贯彻2010版混凝土规范精神，结合工程实践开展教学工作，具体可进行以下几方面的教学改革尝试。

（1）大量运用对比分析法

在众多《建筑结构》课程教改研究成果中，对比分析法可以通过比较，找出事物的相同点和不同点，加深学生对教学知识的理解和掌握[4]。在《建筑结构》课程教学过程中，可采用对比分析法对新旧混凝土规范内容进行举例说明，不仅要突出修订后的内容，也应介绍规范修订的背景、原则，让学生在记住专业知识的同时，也对混凝土学科发展方向有所了解。

（2）开展"现场"教学

《建筑结构》课程中的部分概念性知识，学生往往很难把握。为让学生拥有对混凝土结构的直观认识，可以带领学生参观结构试验大厅，逐一介绍钢筋、水泥、砂石、模板等基本材料；还可带领学生旁观土建类专业学生材料试验课和混凝土试验课，观察钢筋绑扎、混凝土浇筑、振捣以及适筋梁破坏试验。通过"现场"教学把抽象的事物、概念实体化，加深学生的理解，培养学生对《建筑结构》课程的学习热情。

（3）紧密结合工程实例

对于非土建专业学生，大量概念、公式、计算内容的讲授不免显得枯燥，因此需要在教学过程中不时通过生动的工程照片、实例、视频吸引学生注意、强化学生的感性认知，将有助于《建筑结构》课程教学效果的改善。

（4）教师不断自我培训

随着新技术、新工艺、新知识的不断发展，混凝土规范进行了再次修订和完善，以规范为根本的《建筑结构》课程也应紧跟发展趋势，不断自我完善。因此，任课教师必须及时更新知识结构、增长工程实践经验、及时掌握行业发展动向，积极参与课程相关的各项科研、教改研究，不断进行自我培训，提高自身素质。同时在教学环节中，以身作则给学生树立积极向上的榜样。

5 小结

本文以新版混凝土规范为背景，结合非土建类专业学生特点，初步探讨了《建筑结构》课程的教学改革。通过对教学内容和教学方法的改进和完善，以期实现课程教学目的，完成教学任务，达到教学效果，使学生在接受建筑结构设计相关理论知识的同时，了解行业发展方向，提高自身实践能力。

参考文献：

1.王文龙. 高职《建筑结构》课程的教改实践与探索[J]. 长江工程职业技术学院学报. 2006，23（1）：43-45.

混凝土结构基本设计原则篇（10）

Abstract: this paper analyses the causes of the reinforced concrete structure crack main reason, and its control measures are briefly introduced, and to be able to pay attention, ensure the reinforced concrete crack control in building construction standard can allow, within the scope of the maximum guarantee the people's life and property security.

Keywords: concrete, cracks, raw material, design, construction, maintenance, control measures

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

中国改革开放的30年，也是建筑施工行业飞速发展的30年，施工质量水平有了长足发展，但是，也暴露了很多问题，钢筋混凝土裂缝便是其中一个最常见的问题，是建筑行业的一个通病，长期困扰着建筑施工人员和设计人员。如不加重视往往会引起更严重的钢筋混凝土结构的破坏问题，对人民群众的生命财产安全造成重大损失。因此，本文简要介绍了造成钢筋混凝土裂缝的原因，以及如何采取有针对性的控制措施，以确保把钢筋混凝土裂缝控制在建筑施工规范可允许的范围内，最大限度的保障人民群众的生命财产安全。

一、造成钢筋混凝土结构裂缝的原因

钢筋混凝土裂缝问题是长期客观存在的，要想很好的解决这个问题,使其符合施工管理规范要求，就必须从裂缝形成的原因入手。造成裂缝的原因很多，本文介绍几种最主要最直接的原因。

1、原材料的因素造成的裂缝

1.1水泥、骨料（砂，石）、水等选材不当造成的混凝土裂缝。如选用一些活性高、颗粒细的、过期、受潮的水泥；骨料含泥量过大、碱性过高；施工用水水质差、含泥沙量大、有油污等。从而引起混凝土出现裂缝。

1.2水泥水化热引起的裂缝。在混凝土硬化初期，由水泥水化会放出大量热能，但混凝土又是热的不良导体，散热缓慢，这就形成了在混凝土表面温度散失快，表面积收缩，而内部的热量无法很快传递到表面，造成内部膨胀，使混凝土表面产生拉应力 当此拉应力大于混凝土抗拉极限强度时，就会产生裂缝。一些商家为满足施工工艺操作要求和节约用水,常掺加一些有延缓水泥水化物生长速度作用的外加剂,如减水剂、缓凝剂, 虽然这种延缓使水化物生长更加充分, 促使延长了混凝土凝结时间, 加快了混凝土入模后的水分挥发,而水分的挥发则会引起干缩裂缝。目前这种外加剂种类繁多，对水化热及收缩变形影响到底如何缺乏实验研究，反而会严重增加混凝土的收缩变形。

1.3骨料原因引起的裂缝。骨料粒径越细，含泥量越大，水灰比越大，砂率越高收缩就越大，配筋率越大收缩则越小，但配筋过大则会增加混凝土拉应力，也会引起裂缝。如果骨料中含碱量较高,则其中一些碱性离子能够与骨料发生化学反应，并吸收环境中的大量水分造成体积增大,产生龟裂状裂缝。进而导致混凝土结构发生裂缝。 通常这种裂缝在混凝土结构使用期间发生,这种裂缝一旦出现就很难修补。

2.设计不合理引起的裂缝

目前设计规范只注重强度,对于温差和混凝土收缩等因素考虑不足。只对混凝土强度进行控制，这就造成了在混凝土中使用较多的水泥和水。在单位混凝土中用水量越大，即增加了收缩又降低了混凝土的强度，增加了混凝土出现裂缝的可能性，水泥用量大会导致水化热，引起混凝土裂缝；设计采用预应力、支座位移、反变形法等手段提高钢筋混凝土结构刚度时, 应充分考虑这些方法对结构的不利影响, 否则易导致裂缝的出现，例如：平卧生产的钢筋混凝土建筑中,其侧向的刚度通常比较差,配筋少,很容易在弦、腹杆及两侧面的地方出现裂缝；还要考虑环境温度、土壤酸碱性、地基松软程度等环境等因素的影响，例如没有考虑到地基的松软而将结构构件建设在该地基上，结果导致产生沉降裂缝。

3. 施工工艺及养护等原因引起的裂缝。

3.1由于混凝土的各组分计量不准，为了保持混凝土的和易性随意增加水的用量，导致混凝土强度降低，随意增加水泥的用量，意味着增加了混凝土结构的内外温差，使温度应力增加，增加了裂缝产生的可能。

3.2混凝土搅拌不均匀，搅拌、运输时间过长，泵送时改变了配合比，浇筑顺序颠倒、浇筑过快、浇筑先后时间间隔比较长，等施工都会改变混凝土的质量，降低混凝土的性能，引起浇筑后混凝土结构或构件的裂缝；在施工过程中，振捣或插入不当，振捣棒直接搁在钢筋上进行振动，使得钢筋被扰动，也使浇筑完的混凝土过早受到振动，会影响混凝土的密实性和均匀性，诱导发生裂缝。

3.3模板的支撑不好，由于沉降使混凝土在未能发展足够强度支撑自身重量之前而产生裂缝；模板拆除过早，混凝土的干燥速度加快，构件干燥收缩产生的约束作用引起拉应力,在混凝土的抗拉强度不足时会产生裂缝。

3.4当钢筋的保护层厚度不足时，与混凝土的握裹作用减小，使得对混凝土变形开裂的约束作用减弱，易产生表面收缩裂缝；当钢筋保护层过大时，表面钢筋起不到约束混凝土表面收缩的作用，易在混凝土表面出现收缩裂缝。

3.5当养护不当时会引起裂缝。空气中的二氧化碳和水泥中的氢氧化钙化合，生成碳酸钙，即混凝土的碳化过程会引起表面裂纹，如果在钢筋附近出现炭化，钢筋便失去了保护条件，在二氧化碳及水作用下很容易被腐蚀，所以碳化将显著地增加混凝土的收缩；水泥的水化过程是在充水的混凝土毛细管中进行的，所以必须防止毛细管内的水分损失，同时，如果水分损失较快得不到及时补充，使得蒸发速度大于泌水速度，混凝土表面就会产生塑性收缩裂缝；

二、钢筋混凝土结构裂缝的控制措施

1.材料的控制

在选择的水泥、沙子、石子等材料时, 尽量采用粒径级配良好的石子及中粗砂，以减少混凝土的用水量，使混凝土的收缩和泌水随之减少，尽量选择旋窑生产的低水化热的普通硅酸盐水泥、矿渣水泥等；同时控制水泥、沙子、石子、水中的泥沙含量；外加剂的选择,要能够改善混凝土的性能,减少用水量,防止收缩。