混凝土结构的优化设计之浅析

吕秋平

【摘 要】本文以混凝土结构优化设计为例，首先分析了混凝土结构设计的基本原则及主要内容，同时重点论述了混凝土结构优化设计的注意事项，以利于提高设计的质量。保证结构的安全。

【关键词】混凝土；结构设计；基本原则；主要内容；注意事项

前言

当前，在混凝土结构设计中需要注意的重点内容以及细节还有很多，因此，在建筑混凝土结构设计中充分考虑到建筑具有的力学材料特性，并对混凝土结构的设计过程进行优化，在众多实践的基础上加强建筑混凝土结构设计，以便于减少建筑在日后可能发生的各种不同程度的危害，最大限度的减少建筑对人们正常生活的影响。进而确保建筑混凝土结构的安全设计要求，同时确保对建筑的质量以及舒适度要求。

1、混凝土结构设计的基本原则

目前，随着人们对建筑质量的安全要求越来越高，钢筋混凝土结构的应用也逐渐趋向于广泛化。而混凝土结构在应用中必须面临的一项问题就是其设计要达到相应的技术规范标准的要求，而要想达到该要求，在混凝土结构的设计中就必须遵循相应的技术原则，从而对建筑结构的使用维护以及施工设计加以保证。我国建筑设计规范中明确规定，混凝土的结构设计必须满足建筑对安全性、耐久性以及舒适性的设计要求。

所谓混凝土设计的安全性原则指的是混凝土结构可以承受在规定年限内可能发生的各种突发的状况，并且，如果在合理的使用年限范围内出现突发事件，混凝土的结构必须有一定的稳定性；而混凝土结构的耐久性指的是以混凝土结构为主的建筑在其规定的使用年限之内，该建筑的结构必须具有一定的耐久性，至少要大于或等于建筑的使用年限；而混凝土结构设计的适用性则指的是以混凝土结构为主的建筑应该在其规定的合理使用的年限之内，满足用户对建筑的使用要求，即对混凝土结构的抗振、抗裂缝或者抗变形的性能有较高的要求。

2、混凝土结构设计的主要内容

2.1 计算地震作用。规范中要求规则结构不计算扭转耦联的时候，平行于地震作用力方向的两边要乘以放大系数，一般较短边乘以1.15的系数，长些的边乘以 1.05 的系数，扭转刚度小时要按大于或等于1.3采用，地震作用计算要考虑扭转耦连产生的影响；质量、刚度不对称分布的结构要计入双向水平方向的地震作用扭转影响。

2.2 计算质量系数。一般工程采用不少于 9 的质量系数，如果是2层结构采用6个，一般是取3的倍数，每层有3个自由度。计算的时候要检查质量振型参数，要保证不能小于90%，如果不够的情况，将导致设计的结构不够安全。

2.3 计算最小地震剪重比。规范强制要求各楼层剪重比不小于规范给出的标准，当不满足要求时要检查质量系数，有效的质量系数不够要增加振型数的计算；有效质量系数能够满足时可能结构设计不合理，要合理分布结构质量和刚度。

2.4 计算结构的位移、周期。周期比要控制在大震下扭转振型不靠前，用楼层竖向最大位移限制层间最大位移，位移比取最大和平均位移比值。

2.5 计算柱长度。进行框架结构P-Δ效应计算时不再需要计算框架柱的计算长度L0，规范第6.2.20条第2款表6.2.20-2中框架柱的计算长度L0主要用于计算轴心受压框架柱稳定系数φ，以及计算偏心受压构件裂缝宽度的偏心距增大系数时采用。

2.6 确定柱配筋的方式。单偏压方式是按规范公式计算的，双偏压则是用数值积分法，整体计算建议使用单偏压方式，得出具体结果时再用双偏压复核。

3、混凝土结构优化设计的注意事项

3.1 柱的优化设计

①框架柱的截面设计。在钢筋混凝土结构中，柱的截面尺寸从下到上逐渐缩小，以节约投资，使设计更合理。柱截面尺寸减小的间隔层数为3～5层，如果间隔太密，会造成模板浪费、施工不便；太疏又起不到节约投资、降低造价的目的。每次每侧减小的尺寸以100～150为宜，如减得太多，有可能导致结构竖向刚度突变。另外，柱的最小截面尺寸应符合《混凝土结构设计规范GB50010-2010》第l1.4.11条的规定：抗震等级为四级或层数不超过2层时，其最小截面尺寸不宜小于300mm，一、二、三级抗震等级且层数超过2层时不宜小于400mm；圆柱的截面直径，抗震等级为四级或层数不超过2层时不宜小于350mm，一、二、三级抗震等级且层数超过2层时不宜小于450mm。

②框架柱的箍筋肢距。《混凝土结构设计规范GB500l0-2010》第l1.4.15条规定"柱箍筋加密区内的箍筋肢距：一级抗震等级不宜大于200mm；二、三级抗震等级不宜大于250mm和20倍箍筋直径中的较大值；四级抗震等级不宜大于300mm。此处的"箍筋肢距" 的定义，规范没有明确的说明。按一般的理解，箍筋肢距应为每肢箍筋的水平距离。因此不少设计人员在设计时将箍筋肢距一律按均匀分布且不大于200mm（以一级抗震等级为例）。这样将使混凝土的浇捣发生困难。因为混凝土在浇捣时，是不允许从高處直接坠落的，必须使用导管，将混凝土引导到根部，然后逐渐向上浇灌。如果箍筋肢距过小，将无法使用导管。笔者认为"箍筋肢距" 应理解为"柱纵向钢筋的箍筋拉接点之间的距离"由此可以采用箍筋形式，这样既便于施工，对柱钢筋的拉接，也符合要求。

2.2 梁的优化设计

①框架梁的负筋只需按计算配够，不必增加配筋量。在框架结构的计算中，由于地震作用、风荷载等水平力的作用，往往使得框架梁的粱端负弯距远大过跨中正弯距。为了避免框架梁负筋过多过密，往往都将框架梁的负弯距乘以一个0.85左右的调幅系数进行调幅，使梁端负弯距减少，并相应增加跨中正弯距，使梁的上下配筋均匀一些。

②梁侧纵向钢筋的配置。梁侧纵向钢筋包括梁侧纵向构造钢筋和梁侧抗扭纵筋。新混凝土设计规范规定梁腹板高度hw≥450mm梁侧应沿高度配纵向构造钢筋，且间距不大于200mm。梁侧纵向构造钢筋对防止梁侧面的开裂具有非常重要的作用。

梁侧纵向钢筋的直径不应太大，一般以φ12～φ16为宜。在实际设计中，常常见到梁侧抗扭纵筋很大的情况，这是由于电算结果显示抗扭纵筋的面积较大。对这种情况应在计算和设计上做一些调整：A由于目前电算程序在结构构件分析时尚不能考虑现浇楼板对梁扭转的影响，而是由程序给出一个梁扭距折减系数，合理选用梁扭距折减系数对控制梁的扭距是很重要的，一般情况可取0.4～0.6。B对跨度较大的次粱支承于主梁上时，次梁的支承端会对主梁产生较大的扭距，这时可在电算程序中指定该次梁的端支座为绞接。这种方法对解决粱在受剪扭情況下的超筋超限是非常有效的。C有时虽然做了以上调整，但梁的抗扭纵筋面积仍然较大。此时应将抗扭纵筋面积分摊一部分到粱的四根角筋其余部分面积按梁侧腰筋设置，梁腰筋直径仍以φ12～φ16为宜。

2.3 基础优化设计

①基础垫层与保护层。混凝土基础垫层的作用：一可方便施工，保证基础混凝土的浇筑质量，二可兼作混凝土保护层，对钢筋起保护作用。设计时，配有钢筋的柔性基础宜考虑设置垫层。垫层的厚度通常取70-100mm。在基本积极条件较好时，也可以不设垫层，但应注意施工时确保钢筋的保护层厚度满足要求。按规定，有垫层时，最小混凝土保护层厚度为40mm，无垫层时则为70mm。如果设置的垫层伸出基础四边，其伸出长度与垫层厚度相同。

②基础宽度或面积的计算。在计算基础宽度或面积的时，往往由于力学模型不明确或考虑问题不周详，使得基础宽度或面积不足：

情况一：墙体上作用有较大的集中力。当墙体上有较大的集中力作用时，通过墙体和基础可将此集中力向地基扩散，但这种扩散是有一定范围的，并且基底土反力并非均匀分布。如果设计时用该集中力除以墙段长度得到的平均线荷载来计算基础宽度，则可能造成局部基础宽度不足。

情况二：纵横墙体相交处，存在着基础面积重叠问题，由于地基受力面积的重复使用，造成地基应力加大。在四墙相交的十型节点处，三墙相交的口型节点处应力集中最为显著。因此，必须调整局部某局部基础宽度以满足地基承载力的要求。上文提出了采用局部调整系数调整基础宽度的方法。

情况三：柱下单独基础与墙下条形基础混用，在框架结构中，有时为了减小柱基所受压力而设置墙下条形基础以承受底层墙体的重量。此时，由于地圈梁的作用，实际仍有一部分墙重难以计算，设计时往往忽略，从而导致柱下基础面积偏小。因此，笔者认为设计时应尽可能地使得计算模型简化和明朗化，从而避开由于结构模型模糊造成的隐患。

4、结束语

总之，由于混凝土结构的特点及其复杂性，使得混凝土在结构设计中存在一些问题，因此在工程中执行人员要做到安全适用，技术先进，确保施工质量，落实混凝土结构设计的新规范。

参考文献：

[1] 纪福宏，郭惠琴，混凝土结构设计中若干问题的探讨[J]，山西建筑，2010，（11）

[2] 贾旭伟，混凝土结构温度裂缝成因及控制措施[J]，山西建筑，2008（1）：141