谈建筑结构混凝土设计

文／蒋德建 广西冠宇电力有限公司 广西南宁 530000

引言：

结构设计是决定建筑工程质量、安全的重要因素，各种类型及规模的建筑工程中都需将结构设计放在首要位置，按照建筑结构需求选择恰当的结构类型，并优化设计路径。我国的建筑工程中，混凝土结构的建筑占比较高，虽在当前的条件下设计理论、方法等日渐成熟，但在具体的设计中依旧存在抗震、防火等设计方面的不足。未来针对各种类型的建筑工程，如采用混凝土结构，相关人员需根据建筑结构要求，规范设计路径与方式，提高混凝土结构性能。

1.建筑工程混凝土结构设计的主要内容

1.1 竖向承重结构

建筑工程混凝土结构中，如为竖向承重结构体系，其受力复杂，因为结构同步承受水平与竖向荷载，对结构强度、刚度有更为严苛的标准，实际上将整体结构承担的荷载转移了基础部分。因此，在面临这一结构设计任务时有关人员需加强受力分析，并综合项目所在地的地质水文等情况，选择合适的基础。总之，竖向承重结构体系下为保障混凝土结构性能，需设计框架与剪力墙结构，以分担一部分竖向荷载，与此同时也需分析空间设计要求，优化结构细部。另外，在有需要的情况下需在竖向结构基础上增加必要的混凝土构件，以有效应对侧向变形，保障抗侧刚度符合结构标准。

1.1.1 框架结构

针对框架混凝土承重结构，为提高其结构性能，设计人员需分析立柱与横梁之间的关系，为二者设定最佳的连接方式。首先，保持结构较好的延性，为达到这一设计目标，设计人员需综合各种结构参数，完成抗剪验算，以计算结果为依据优化结构细节，预防脆性破坏。其次，遵循强柱弱梁的设计原则，确保节点具有弹性，增强结构抗震性，必要情况下调整梁端的纵梁数量、位置，尽可能保障柱结构较大的横截面积，使其线刚度超过梁结构线刚度[1]。最后，关注楼梯间位置的框架柱结构，此部位常常存在设计缺陷，为符合结构标准，不仅需加长柱箍筋，还需增多箍筋数量，达到受力均衡状态。

1.1.2 剪力墙结构

剪力墙属承重结构，如在建筑工程中合理优化剪力墙的局部结构、个别参数，可发挥这一结构体系的作用。很多建筑中均采用的是剪力墙结构，为提高结构性能，设计中需合理设置剪力墙的高度与宽度，保持良好的受力条件。根据行业规范与经验，当墙肢长度与宽度的比值在4 左右的情况下，剪力墙受力良好，结构稳固。另外，因为剪力墙中常常包含若干平面构件，这些构件并非独立受力，而是需承受来自多个方面的作用力，如竖向压力、风载压力、墙体变形压力、结构抗性压力等，只有保障这些构件的延性，方可降低脆性剪切破坏风险。

1.1.3 “框—剪”结构

“框—剪”结构实际上综合了框架结构与剪力墙结构，可发挥两种结构的优点。依据结构设计经验，“框—剪”结构不仅利用了框架结构在空间分割方面的作用，还凸显了剪力墙较高的承载力、刚度特性，正是因为这一结构特点，在很多建筑中均利用了这一结构型式。为提高“框—剪”结构的设计水平，设计人员在前期需展开一系列分析与验算，尽量避免剪力墙位置移动、减少剪力墙数量，以这些为基准将墙体厚度控制在正常标准，以应对刚度集中现象。

1.1.4 筒体结构

在建筑结构中筒体结构具有特殊性，剪力墙在平面上构成了竖向的薄壁筒状，一个筒体或者若干个筒体相组合后形成的结构，均为筒体结构。结合建筑工程中筒体结构的特点，此类结构的刚度大、承载力高，具有较强的抗侧移能力。因为筒体结构的特点，在设计时有关人员需了解建筑的结构需求，合理优化框架结构、剪力墙结构的细部或者个别参数，以保障墙体有较强的承载力。

1.2 水平承重结构

建筑工程中如采用水平承重结构，其结构体系的竖向承载能力强，不仅能承受整体竖向荷载，同样可承受与竖向承重结构相连接、呈水平布置或者一定倾角的荷载。比较常见的水平承重结构如下：

1.2.1 肋梁结构

在设计肋梁结构时，设计人员应尤其关注梁板结构，从改善结构性能的角度，梁板结构应按照双向正交的方式布置，板结构维持四边支承单板或连续板条件。

1.2.2 无梁结构

建筑结构中如选择无梁结构，该结构体系的特殊之处在于在楼板下方无需布置各种形状及参数的梁体构件，只需要将楼板固定于墙体或者柱体即可。在结构体系受到外力作用后，楼面所形成的荷载将进一步传递，在此传输过程中楼板为介质，由与楼面相连接的墙体或者柱体接受作用力。在结构设计中因为不存在梁体结构，设计简单，需要考虑的因素较少，但这一结构下也存在明显不足，就是承重能力相对有限，为增强结构性能，应适当增大楼板厚度[2]。

1.2.3 组合结构

组合结构楼盖由其他类型构件、现浇混凝土板构成，构件可选择形式众多，比较典型的有压型钢板、网架、钢梁。不同于其他的结构形式，组合楼盖的强度高、自重小、抗震性强，现场作业难度小，但因为其结构性能，对结构设计有严格规定的情况下可选择组合结构。为确保组合结构的整体性能，有关人员在设计过程中应分析整体的结构特点，尤其需考虑混凝土构件的连接方式，适当减小混凝土板的厚度，以保障混凝土板的自重小、抗震性好。

1.3 底部承重结构

针对建筑的混凝土结构设计，底部承重结构也是不可忽视的结构部分。当前市场上的高层建筑较多，在此类建筑中底部结构需承受来自上部的荷载，一旦底部结构的承载力不佳，可能出现建筑倾斜、倒塌等严重后果。为此，底部混凝土结构设计中，相关人员需提前分析受力特点，计算底部需承受的上部荷载，据此设计底部承重结构，保障结构承载力。可选择以下几种底部结构：

1.3.1 独立底部

一些建筑设计的是底部基础，就是直接在项目所在地布设规则的单柱结构，这类型底部结构的构成简单，但因为整体功能较为单一，结构稳定性存在诸多不足，外部因素可能影响结构承载力。为保障独立基础的结构性能，相关人员需进入现场了解水文、地质等环境特点，合理优化单柱结构形式。如为单层厂房结构，可设置独立混凝土底板，再依据厂房的功能、结构性能等要求，对比杯形基础与阶梯形基础，择优选择。

1.3.2 桩基础

对于桩基础类型，一般有墙状或柱状的桩体形式，以桩体构建支撑体系，将柱体结构置于承台或者地层结构，不仅能增强建筑稳固性，还能使底部结构能承受来自外部的各种作用力。为保障桩基础性能，设计人员需计算地基上部结构的总重、荷载因素、作用力类型及特点，确定桩基础总数，并选定桩体布设方式。

1.3.3 箱形基础

箱形基础为建筑工程中较为常见的基础类型，具体的结构设计中，地下室呈箱状，以此为建筑基础，这一基础形式的承载力高、刚度大、抗震性强。但为合理设计箱形基础，有关人员需考虑当地的地形地质条件，优化箱形基础布置及相关参数。

2.建筑结构混凝土设计要点

2.1 构件尺寸和截面形状设计

混凝土结构对建筑功能、安全等存在直接影响，为合理设计混凝土结构，有关人员需做好构件尺寸、截面形状等的设计，在这些方面的设计任务中需着重关注荷载、材料强度、构件受力特点等因素。结合大量的设计经验和行业规范，在设计构件尺寸、截面形状时应重点关注以下方面：

（1）梁尺寸、截面形状，在设计中需做好前期的综合分析，如计算荷载类型及大小、结构跨度、支座形式、材料强度，对比矩形、T 形截面的结构性能，再依据荷载大小、跨度情况调整梁体高度、宽度[3]。

（2）柱的尺寸、截面形状，作为结构体系中的关键构成，相关人员需根据荷载情况、施工工艺等分析矩形或圆形截面下的结构性能，同样以荷载大小与高度作为前提确定柱体高度、截面尺寸。

（3）基础尺寸与截面形状，为保障这些方面的设计符合结构要求，有关人员在前期的工作中需分析建筑荷载、地基条件、土壤承载力。针对基础结构主要为圆形或者矩形截面，在确定其尺寸时应参考荷载大小、地基情况。

（4）楼板尺寸与截面，在设计中需全面分析荷载大小、跨度、支座类型、材料性能。大部分情况下楼板可选择矩形或者T 形界面，参考荷载、跨度计算楼板的厚度与宽度。

2.2 钢筋配筋设计

混凝土结构中钢筋配筋设计也尤为关键，这一方面的设计效果是影响结构性能的重要方面，如钢筋配筋不佳，建筑安全性与稳定性不足，易出现质量或安全问题。在钢筋配筋设计方面应遵循以下要点：

（1）了解行业内的设计规范与标准，按照混凝土总体结构设计标准确定混凝土等级、钢筋强度。

（2）以结构荷载与材料强度作为参考，在现场展开一系列受力分析与计算，以保障构件的宽度、深度、高度等参数符合标准。

（3）全面分析结构荷载、构件的受力特点，不仅需分析每一构件的受力类型，还需精确计算出其受力大小，考虑在受力平衡状态下的结构参数。

（4）依据前期分析得到的受力状态、构件截面尺寸，计算钢筋配筋量，主要包含所选钢筋的直径，还需分析钢筋总量、布置形式及每一钢筋的具体位置。

（5）验算钢筋配筋，使钢筋可承受较大的荷载作用，保持整体和局部的结构稳定性。验算时包含强度、稳定性验算，将验算结果与标准的结构参数相对比，如验算通过进入下一环节的设计任务，否则，则需继续优化结构参数，继续验算，直到验算通过后开始后续设计。

（6）控制结构体系中的配筋率，配筋率过低或者过高都不利于提高结构性能。如在结构设计中存在过度配筋问题，将导致许多构件的厚度过大，增加结构自重的同时也造成了成本消耗，但如配筋率过低，构件强度低于正常值，增大了结构风险。

（7）确定配筋率并选定钢筋后，有关人员需依据结构标准加工钢筋，确保钢筋的长度等与结构要求相一致。

2.3 疲劳设计

建筑工程中如采用混凝土结构，在长期使用中必然出现疲劳损伤问题，为有效预防这一现象，在前期的设计中有关人员需尤其关注疲劳强度方面。第一，分析疲劳荷载情况，有关人员需了解建筑的规模及类型，确定其疲劳荷载值、频率。一般来说，疲劳荷载包含建筑自重、结构荷载、风荷载、地震荷载。第二，分析疲劳强度，据此分析结果确定疲劳极限、疲劳寿命、疲劳裕度等关键指标。在分析疲劳强度时不仅需考虑应力状态，同样需关注应力幅值、循环次数。第三，为提高混凝土结构抗疲劳性能，在结构中应选择高性能钢筋混凝土材料，一般需关注材料的强度、韧性。第四，结构几何形状，通过对比几种几何形状，不仅能预防应力集中现象，还能将应力幅值控制在正常标准，保持结构的疲劳强度符合标准[4]。第五，确定钢筋配筋、截面尺寸，在这些方面的设计任务中，设计人员应利用前期得到的疲劳荷载、疲劳强度，选择与结构要求相一致的钢筋配筋率、截面尺寸。

2.4 抗震设计

目前随着人们观念的转变，在各建筑工程的结构设计中也需关注抗震设计，以确保在地震灾害发生后建筑有较强的抵抗能力，减小地震作用力对建筑结构的破坏。根据混凝土结构的抗震要求，主要需注意以下方面：

2.4.1 地震动参数选取

地震对建筑结构的影响体现在地震动参数上，主要指的是地震波加速度、地震波速度、地震波位移等参数，这些是反映地震破坏力的重要方面。为提高混凝土结构的抗震性，相关人员需分析地震波加速度大小，据此判定建筑物所承受的地震作用力，选择最为科学且有效的抗震设计方法。在选定地震动参数时包含多种方式，如可整合历史地震资料，从中提取历年来建筑所在地区的地震发生情况，了解地震发生次数、等级、危害等；地震波模拟，利用专业软件，在其中导入相关数据进行模拟，模拟地震波的作用过程及其对建筑结构的危害；由专人进入现场分析地质等，配备先进仪器完成现场观测。在选择地震动参数时，历史地震资料为重要的参考资料，其需要整合区域多年的地震数据，分析当地地震活动的特点，在此基础上确定结构抗震设计方案。无论哪种类型的建筑，在确定地震动参数时都应该将实地观测与数据整合、软件模拟等结合起来，以保障结果的可用性，为设计工作提供切实依据。

2.4.2 结构体系设计

混凝土结构的抗震设计中，为提高结构体系的科学性，主要需从结构韧性、稳定方面出发。当前我国的高层建筑相对较多，在此类建筑的混凝土结构抗震设计中，有关人员需全面了解当地的地震活动，分析地震波作用下的结构响应特点，优化各结构参数，据此选择结构形式、布局方式。为增强结构抗震力，高层混凝土建筑结构应优选多柱多梁或框架结构。另外，在设计受力构件时，应着重关注结构的刚度、韧性，使混凝土结构即使面临地震灾害也能有较大的抵抗力，吸收和消散地震能量。高层建筑中的混凝土结构，在确定结构体系时应分析结构高度、建筑用途、地震波等因素，以优化设计方案，保障建筑形式的科学性。

2.4.3 结构分析计算

结构分析计算是抗震设计中的重要步骤，此阶段的工作中设计人员应统计当地的地震活动情况，据此设计结构形式。当然，在抗震设计中不仅要一味追求建筑的稳定与安全，同样需关注建筑的经济性，在满足结构性能的前提下降低建筑成本。许多高层建筑的结构复杂，为达到抗震要求，设计人员在结构分析计算中应选择恰当的计算方法，并应用市场上的软件，在软件内自动完成计算与分析，分析静力与动力大小，判定结构抗震性、稳定性是否与行业标准相一致。具体的计算过程中，设计人员尤其需分析非线性、动态响应特点，得到更为完整和准确的结果，调整建筑整体布局，优化局部构造。

2.5 后浇带的设计

目前针对各类建筑的混凝土结构，在设计结构时也需关注后浇带等局部构造。通过科学设置后浇带，能有效预防温度收缩下的混凝土裂缝，增强结构性能。另外，后浇带对控制沉降现象也有显著作用，许多高层建筑与基础为整体设计而形成，但后续施工作业中二者暂时为独立结构，在利用后浇带后可增强结构整体性，使连接部分的混凝土浇筑成上下层的整体连接形态[5]。正是因为后浇带在结构体系中的作用，相关人员在设置后浇带时需保障其位置的科学性。根据设计经验，一旦施工结构的平面尺寸超过有关规范中的最大伸缩缝间距要求，必须合理设置后浇带，以适当增大伸缩缝间距。但伸缩缝间距并非越大越好，其存在一个上限值，任何情况下伸缩缝的最大距离都应该在上限值以内。大部分地面结构都受环境温度影响，在温度变化的情况下，部分结构存在应力集中现象，此时需用后浇带替代伸缩缝，以预防结构裂缝。如在结构设计中引入微膨胀混凝土，能在原有基础上增大伸缩缝间距，在按照规定完成了施工任务后，可将浇筑带替换为膨胀型加强带，创造连续浇筑混凝土的施工条件，增强结构完整性。但在此过程中尤其需注意，温度应力集中部位应设置应变加固带。为发挥微膨胀剂在混凝土中的作用，有关人员需依据结构需求，优化配比，控制加入混合料中微膨胀剂的用量。一些建筑中的混凝土结构中，地下室结构混凝土膨胀速度受到明显限制，此时后浇带设计应考虑这一方面。以工程所在地基础支撑层的土质、地基性状、上部结构布置等作为参考，分析在后续的施工作业中建筑主体、裙房之间是否需设置永久变形缝或沉降带。如在结构中需设置沉降缝，相关人员需从基础断开设计，以控制沉降差异。再通过设置沉降后浇带，能最大化减小建筑主楼、裙房之间的沉降差，此类后浇带需在主体结构的施工任务结束且沉降相对稳定时再进入浇筑环节。

结语：

混凝土结构设计的难度较大，其设计效果直接影响建筑使用功能及寿命。在当前行业发展的过程中，为达到混凝土结构设计目标，有关人员需继续创新设计理念及方法，保障混凝土结构性能。