建筑工程钢筋混凝土结构设计要点探究

2024-06-10高正贤

城市建设理论研究（电子版） 2024年13期

关键词：受力钢筋结构设计构件

高正贤

甘肃宏图建筑设计有限公司白银分公司甘肃白银 730900

钢筋混凝土结构是建筑工程中常用的一种结构形式，具有承载能力强、耐久性好、施工方便等优点。在建筑工程设计中，钢筋混凝土结构的设计至关重要。

1 结构设计的基本原理

1.1 构件受力原理

从力学角度讲，构件的受力情况可以用梁、板、柱三种不同的基本构件来说明。梁是承受弯矩和剪力的基本构件。

梁的受力过程，1）弯曲变形阶段，混凝土受拉区产生压应力，这种应力可以抵消一部分弯矩，使受拉区混凝土产生压应变。2）正截面工作阶段，在最大弯矩附近，混凝土受拉屈服，产生裂缝。裂缝宽度随荷载的增大而增大。3）斜截面破坏阶段，混凝土产生了压应变和拉应变，当正截面出现裂缝时，斜截面出现破坏[1]。

柱是承受剪力的基本构件，柱的受力过程，1）压应力作用阶段，在受压区混凝土产生压应变，将受压区附近的弯矩传递给下面的钢筋。2）正截面破坏阶段，当受压区混凝土达到极限压应变时，正截面出现斜裂缝，钢筋的应力和应变均急剧增加，钢筋局部屈服而混凝土产生压应变。

1.2 构件的选材原则

1.2.1 结构的安全性与耐久性

结构的安全性是指结构能够承受正常使用时可能出现的各种作用。耐久性是指结构在正常使用时所需要的最低强度要求，通常指材料的最低强度，即强度设计值。强度设计值为材料最大可能应力，也就是构件所能承受的最大荷载。如果结构所承受的荷载大于最大可能应力，构件就会出现破坏，构件的破坏将导致整个建筑物失去承载能力甚至倒塌。

1.2.2 材料选择

在混凝土的选择上，应优先考虑强度高、耐久性好、变形小、和易性佳、无收缩特性的材料，确保混凝土结构的稳定性与长期性能。对于钢筋，必须选择品种齐全、规格适当、性能优异、强度高、良好延性的产品，承受各种应力和变形。钢材方面，推荐使用高强度钢材。

1.3 结构的荷载分析

在设计过程中，荷载是指作用在结构上的力和力矩。一般情况下，荷载的大小与结构所受荷载大小的变化情况成正比。对于一个平面整体框架来说，水平方向荷载可以分为：恒载（重力）、活载（活载）和偶然荷载（地震作用）。恒载是指柱、梁等竖向构件所承受的重力。活载是指由梁、柱等竖向构件所承受的重力和其他竖向荷载，如梁上所承受的梁弯矩和剪力等。偶然荷载是指由于偶然因素引起的结构上所产生的垂直于结构面或水平面、平面内或平面外作用在结构上的力和力矩，如地震作用、风荷载等。

2 设计方法

2.1 弹性设计方法

弹性设计方法是根据结构在荷载作用下产生的弹性变形来进行结构设计。主要特点是在确定结构构件内力时考虑实际变形（即弹性变形）；传统机械设计方法是将结构构件的实际变形按照一定的规则进行分配，然后再进行内力计算。弹性设计方法具有以下优点：1.利用计算机对结构进行非线性分析；2.充分发挥材料强度和钢材性能，使结构在各种荷载作用下都能得到合理的计算结果；3.能克服传统机械设计方法的不足，将不同材料、不同性能的构件组合在一起，满足多种结构类型、多种荷载组合及多个不同部位的计算要求[2]。

2.2 极限承载能力设计方法

在钢筋混凝土结构中，除了梁和板等主要构件之外，还包括柱、基础、连接构件等次要构件。

应分析构件的受力性能，如构件是否存在强度或刚度不足等问题，如果存在则应进行补强处理。对于柱来说，可采用内力平衡法进行计算；对于板来说，可采用强度折减法进行计算；对于梁和桁架来说，可采用结构分析法或材料力学方法进行计算。在设计时应综合考虑各方面的因素，选择合适的计算方法；对于框架结构，采用极限平衡法来分析框架结构的承载能力和变形能力。

对于结构或构件的承载能力而言，在正常使用极限状态下应满足两方面要求：一是要满足承载能力极限状态下正常使用功能要求；二是要满足承载能力极限状态下局部变形与局部裂缝宽度限制要求。对于承载能力极限状态下的局部变形和局部裂缝宽度的限制要求，主要是考虑钢筋和混凝土强度、钢材屈服强度以及构件截面尺寸等因素。

2.3 建筑信息模型(BIM)在结构设计中的应用

建筑信息模型（BIM）的高效、精确和协同的特性，为现代建筑工程的结构设计带来了革命性的变革。一是在结构设计中，利用BIM技术，设计师可以精确模拟材料的力学性能和结构的承载能力，通过精确的数值分析和模拟测试，优化设计方案，提高结构的安全性和稳定性。二是BIM技术还极大地促进了各专业之间的协同工作，使得建筑、结构、机电等不同专业的设计师能够在同一平台上共享信息，实时更新设计变更，减少错误和冲突，提高设计效率。三是BIM技术还具备强大的信息管理能力，可以详细记录结构的每一个构件的尺寸、材料、连接方式等信息，为施工阶段的精确施工和后期的维护管理提供了便捷的数据支持。

3 材料选择

3.1 混凝土材料选择

混凝土材料选择在建筑工程结构设计中占据着十分重要的地位，其选择的正确与否直接影响着整个建筑工程的质量。1）根据设计要求，对混凝土材料的各项性能指标进行准确计算。在计算时，应充分考虑环境因素对混凝土材料性能的影响。环境条件越复杂，则影响程度越大，应将环境因素考虑在内。2）对混凝土材料进行合理选择。根据结构使用功能和强度等级、耐久性等要求进行合理选择，将混凝土材料的强度等级尽可能提高到C60以上。3）结合设计要求和工程实际情况选择合适的水泥品种和水泥用量。水泥用量越大，混凝土的强度越高，耐久性越好；水泥用量越少，混凝土的强度越低，耐久性就越差[3]。

3.2 钢筋材料选择

在建筑工程钢筋混凝土结构设计中，钢筋的选择对于混凝土结构的可靠性和安全性有很大的影响。通常情况下，在建筑工程中常见的钢筋有两种，第一种是普通螺纹钢，其规格型号较多，其中包括32mm和36mm两种。第二种是优质碳素结构钢，其规格型号相对较少，其中包括5mm和6mm两种。

在实际选择过程中，设计师需要综合考虑各种因素，包括材料的供应情况、价格成本、施工工艺等，找到最经济合理的钢筋材料。一要考虑其力学性能，包括屈服强度、抗拉强度、延伸率等指标，这些指标直接决定了钢筋在受力时的表现。二是钢筋的化学成分和微观结构也是选材时需要考虑的因素，影响着钢筋的耐腐蚀性和焊接性能。三是根据工程的具体要求，如抗震设防烈度、环境类别等，选择相应强度等级和耐腐蚀性能的钢筋。例如，在地震多发区，应选择具有较高屈服强度和良好延性的钢筋，提高结构的抗震性能；在腐蚀环境中，应选择具有较好耐腐蚀性能的钢筋，保证结构的耐久性。

4 施工要求

4.1 施工工艺要求

1）在浇筑混凝土之前，务必彻底清除模板内的所有杂物以及钢筋上的污垢，并浇水使模板充分湿润。在浇筑过程中，要持续观察模板、支架、钢筋和预埋件的状态，一旦发现任何变形或移位现象，采取相应措施进行修复和调整，确保浇筑质量和结构安全。

2）在建筑工程中，混凝土的搅拌是确保施工质量的关键环节。一是必须使用来源可靠、质量上乘的商品混凝土，在搅拌过程中严格控制水灰比和搅拌时间。二是定期检查搅拌设备的运行状态，确保混凝土搅拌均匀、无干缩裂缝，满足施工的质量要求，为建筑工程的顺利进行提供坚实基础。

3）在进行混凝土浇筑时，必须采取分层浇筑的方法，每层浇筑厚度要适中，避免一次性浇筑过厚导致混凝土内部产生温度裂缝。同时，每层浇筑后要及时进行振捣和养护，确保混凝土充分密实和硬化。通过科学合理的分层浇筑和细致的养护工作，可以有效提高混凝土结构的整体性和耐久性。

4）混凝土分层振捣时，严禁用振捣棒直接振动钢筋和模板，免出现露筋现象。振捣上一层混凝土时，应将模板上的灰浆清理干净；下一层混凝土前应先检查模板的支撑情况，在其上铺一层塑料薄膜或油毛毡等材料，保持新旧混凝土之间的潮气。

5）混凝土的浇筑过程必须保持连续性，严禁间断。为确保混凝土结构的整体性和耐久性，一方面在混凝土初凝之前，必须按照施工方案或技术交底的要求，采取有效措施来预防或减少裂缝的产生。另一方面要密切监测模板、支架的状态，一旦发现裂缝，应立即分析原因，采取相应措施进行修补，确保施工质量和安全[4]。

6）拆模是施工过程中的关键环节，必须谨慎操作，避免损伤或变形钢筋和模板。拆模顺序应根据结构特点和施工方案科学合理地确定，减少对结构的冲击和振动。在拆模过程中，若发现钢筋或模板有损伤，应及时采取修复或更换措施，确保施工质量和结构安全。拆模后还需要及时对结构进行检查和评估，确认其稳定性和安全性。

7）大体积混凝土施工时，要特别注意防止因水化热和温度收缩引起的裂缝。应采取有效的温控措施，如使用低热水泥、降低混凝土入模温度、合理设置施工缝等，确保混凝土内部温度均匀分布，避免裂缝的产生。

8）冬季施工时，必须采取有效措施防止钢筋冻结。在施工现场搭设保温棚或使用加热设备，保持钢筋处于恒温状态。施工后浇带和膨胀加强带必须在气温高于5℃时才能拆模，确保混凝土的正常硬化和结构的稳定性。在冬季施工中，要加强对混凝土的养护和保温工作，避免混凝土受冻而影响其性能。

4.2 钢筋布置和连接要求

1）柱的纵向钢筋应在柱顶附近汇交，一般位置宜接近角点，在柱顶附近形成三角形汇交。在柱顶附近汇交时，应尽量减少钢筋的交叉，减少接头数目，尽量使不同钢筋的交角大于90°。对有抗震设防要求的柱，纵向钢筋不宜采用光圆钢筋搭接。在构造上，除受拉柱外，钢筋与柱纵筋应在距柱边一定距离内汇交。当柱高大于4m时，应采用短向加筋柱；当柱高度小于4m时，可采用带箍的短向加筋。此外，还应注意：当箍筋直径大于10mm或有间距时，应增加加密箍筋的数量；当截面高度大于4m时，应增加双向箍的数量。

2）梁纵向受力钢筋宜采用直螺纹套筒连接。当采用焊接或绑扎连接时，应符合下列规定：①钢筋的接头位置宜在受力较小处；②同一截面内接头面积百分率不应大于50%；③有抗震设防要求时，纵向受力钢筋的接头应有可靠的抗裂措施。

3）在板纵向受力钢筋的布置中，必须严格遵循最小配筋率的规定。当板长度小于250mm时，最小配筋率不得小于0.5%，确保板的承载能力；而当板长度大于250mm时，最小配筋率也不得低于0.3%，维持结构的稳定性和安全性。这些规定是基于结构力学的原理和工程实践经验而制定的，必须严格执行。

4）柱纵向受力钢筋宜一次与框架梁相交。当不能一次与框架梁相交时，应采取适当措施保证柱纵向受力钢筋的锚固长度满足规范要求。当柱顶设置圈梁时，柱顶和柱边纵向受力钢筋的锚固长度不应小于0.8d（d为柱截面高度）。

5）在结构设计中，如果使用的混凝土强度等级为C20及以下，那么板的纵向受力钢筋应优先采用直螺纹套筒连接。这种连接方式具有可靠的机械性能和施工便捷性，能够有效提高结构的整体性能。当采用绑扎连接时，为确保连接的牢固性和稳定性，建议将梁、柱、剪力墙中的负筋弯起部分全部绑扎连接，避免出现松动或滑移现象。

6）一、二级抗震等级时框架梁的纵向受力钢筋应采用直螺纹套筒连接；三级抗震等级时框架梁的纵向受力钢筋可采用绑扎连接。当框架梁两端与柱相交且有柱箍时，当按规定将箍筋加密处理时，框架梁可采用直螺纹套筒连接。抗震级为三级的框架梁可采用绑扎连接。

7）受拉钢筋与受压混凝土之间应设置足够数量和有效长度的搭接接头。当采用绑扎连接时，搭接接头在受拉区不得小于构件最大内力值的50%；在受压区不得小于构件最小内力值的40%。

8）梁端纵向受力钢筋的锚固长度是确保结构安全的关键参数之一。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中7.2.2条的规定，必须保证锚固长度足够，充分发挥钢筋的承载能力。在实际施工中，应严格按照规范要求进行操作，确保锚固长度的准确性和可靠性，为结构的安全性和稳定性提供有力保障[5]。

4.3 混凝土养护要求

1）对于大体积混凝土，浇筑完成后应迅速启动养护工作，这对其长期性能至关重要。常用的养护方法包括覆盖塑料薄膜以及使用草袋或麻袋进行覆盖。在养护过程中，必须确保薄膜的密封性，保持混凝土表面持续湿润，防止水分过早蒸发，确保混凝土充分硬化，达到设计强度。

2）混凝土浇筑完毕后，为了避免表面水分的过快蒸发和确保混凝土充分硬化，应该使用塑料布覆盖、浇水，或使用草帘、麻袋、海绵等保湿材料进行保湿养护。一是在养护过程中，要确保每一处都被覆盖，不得有遗漏。二是浇水的次数应根据实际情况进行调整，保持混凝土表面始终处于湿润状态，确保养护水具有适宜的温度和湿度，促进混凝土的硬化过程。

3）对于大体积混凝土，在拆除模板后，其表面仍需进行特别的保湿养护。除了覆盖草帘、麻袋或海绵等材料外，还应保证混凝土具有足够的温度和湿度环境，预防干缩裂缝的产生。