混凝土结构设计基本原理范文
时间：2023-07-18 17:35:05
导语：如何才能写好一篇混凝土结构设计基本原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公文云整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
钢筋混凝土结构设计原理是土木工程专业重要的一门专业主干课，该课程主要研究典型构件梁、板和柱等的一些力学性能、设计方法、构造要求和破坏特征等，其任务是向学生传授混凝土结构构件受力性能、计算原理和设计方法，为混凝土结构设计奠定基础。
然而钢筋混凝土结构设计原理的特点是概念多、内容多、符号多，加上规范的约束性，公式的经验性和问题的多解性，给学生的学习带来了一定的困难。为了改变这种状况，提高教学效果，本文结合作者多年的教学经验，从课堂教学的角度作了一些探讨。
1 课程特点
（1）课程综合性很强，要求学生具备扎实的数学和力学基础知识。
钢筋混凝土结构设计原理的教学内容从材料的力学性能入手，然后研究基本构件的承载特性和破坏特征。由于混凝土是由水泥、骨料和水搅拌经凝结硬化而形成，因此，混凝土材料的离散性大，力学性能较为复杂，相应的材料参数具有不确定性。为了获得混凝土材料及其构件的强度设计值，需要学生掌握概率论与数理统计相关的数学知识，理解极限状态设计方法。在分析构件基本受力过程中，虽然混凝土材料不是均质且非各向同性材料，但仍采用了材料力学分析问题的方法。因此，需要学生具有扎实的数学与力学基础。
（2）理论与工程实践相结合，需要培养学生的工程素质。
钢筋混凝土结构基本原理是一门由理论向工程实践转化的学科，也是学生第一次接触理论与工程实践都很强的课程。在教学过程中，学生经常有解决问题的结果为什么不是唯一的困惑。因此，需要让学生明白，影响一个实际工程的参数很多。在满足《钢筋混凝土结构设计规范》的前提条件下，很多参数的选取具有一定的主观性和经验性。因此，需要在课程教学中，建立学生的工程概念，培养他们的工程素质。
（3）涉及内容多，知识覆盖面广。
钢筋混凝土基本原理内容主要包括：材料特性、构件的承载性能、理论分析、构件设计计算等四个部分。在材料特性中，不仅要掌握混凝土的力学特性，也要掌握其非力学特性，如收缩与徐变。构件的承载性能中，由于混凝土的离散性及脆性特征、钢筋与混凝土2种材料的配比，以及荷载的加载方式，都会影响着构件的承载性能。通过分析构件的承载性能，建立合理的力学计算模型，进行理论分析，推导出构件的设计计算理论。并与实验结果相对比，并考虑工程的安全性及舒适性，最终落实到工程实践中。因此，钢筋混凝土基本原理涉及内容多，体系庞杂。
2 课堂教学探讨
（1）采用案例法，梳理混凝土结构设计原理的内容。
案例教学法是以学生对案例的运用和讨论为特点，帮助学生掌握对实际问题进行分析和反思的方法，重在提高学生的认识水平和解决问题的能力。其教学方法是根据教学目标的需要，以案例为基本素材，把学生带入特定的事件情景中，进而识别问题、分析问题和解决问题，其最根本的内容就是案例的选取和使用，这也是案例教学区别于其它方法的关键。其特点有：真实性、典型性、规范性、启发性和实用性。
（2）树立正确的设计观念，培养工程素养。
在刚开始讲授钢筋混凝土结构设计基本原理课程时，学生的概念里仍然是任何问题都只有唯一的精确理论解，学生只会解答严格给出条件的问题，但条件设定不完全时，学生往往会无法下手。面对钢筋混凝土结构基本原理，学生总会设法找到设计结果的唯一性与精确性。这就需要授课老师回答正确的设计观念。设计是从未知到已知，包括收集资料，方案比较，计算分析，结果评价，反复修改。在收集资料过程，使用材料的属性只能估算；结构方案分析时，只能进行结构的近似分析；建筑结构物上承受的外荷载并不能准确得知。因此，设计也是一项综合性的创造性工作，设计不是一次就能成功的。它是一个寻求最佳解的过程。由于材料属性的离散性和外荷载的不确定性等因素的影响，使得设计结果答案不唯一，但有好坏之分。通过对设计概念的讲解，让学生明白设计一个工程与做一道数学题的区别，从而培养他们的工程素养。
（3）系统介绍研究思路，帮助学生理解实验性结果的科学性。
与材料力学课程比较，钢筋混凝土结构的基本理论是建立在大量的试验数据曲线拟合的基础上，构件的设计计算内容是建立在实验和工程实践基础上的，故存在很多经验系数和经验公式。这可能使得学生怀疑这门学科的科学性，难以让学生找到学习这门课的方法。因此，需要老师系统地介绍以概率理论为基础的设计理论方法。针对一个未知的领域，解决问题的主要思路分为以下几个步骤：①首先通过大量的实验，观察实验现象，找到问题的主要影响因素；②建立合理的数学力学计算模型；③以相关力学理论为基础，建立相应的设计计算方法；④将理论结果与对实验经果进行认真对比分析，寻找结果差异的原因；⑤以工程实际需求为目标，对设计计算方法进行修正。然后以某一构件（如抗扭构件）的设计计算理论为例，来讲解其设计方法。这就使得学生易于理解规范中的相关构造要求，以及设计参数的上下限值（如最小和最大配筋率）。
（4）注重归纳总结，加强教学的逻辑性
符号多是钢筋混凝土结构基本原理一大特点，在学习过程中，学生常常混淆符号。因此，老师在教学过程中，需给学生讲解符号的规律。符号的下标一般是英文单词的开始字母。如：εe、εp、εsh、εcr依次为弹性应变，塑性应变，收缩应变和徐变。为了便于学生能很好记住这些符号，在课件中给出专业术语的英文单词。另外，课本中构造部分规定性东西多，内容比较零散，缺少逻辑性，有时，一个规定，在不同的地方多次出现。
篇2
关键词：地质工程 混凝土结构 教学方法
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0212-02
《混凝土结构设计原理》是一门理论性与实践性并重、综合性强、教学难度较大的课程之一。该课程具有以下特点：（1）前导课程多。学习该课程需要有材料力学、结构力学、建筑制图、建筑材料、房屋建筑学等前导课程。（2）经验性理论内容占有较大的比例。具体表现为经验公式多、基本假定多、规范条款变化多、设计方案不唯一。（3）基本概念和构造要求多，且在不断变化。如混凝土保护层厚度的定义、受弯构件抗剪承载力的计算、最小配筋率的要求等，作者就学及工作以来都经过多次变化。对地质工程专业的本科生来说，往往由于自身缺乏必要的感性认识就更加难于理解。因此，如何在教学中使学生深刻理解最基本的计算理论和设计方法并学以致用，是教学方法的出发点。
1 课程开设的意义
近年来随着国家多方向、通用性、复合型人才培养目标的推广以及就业市场的需要，越来越多的非土木工程专业增设了混凝土结构设计原理课程，如地质工程、工程力学等土木工程边缘学科专业。如对地质工程学生来说，毕业后几乎不可能直接完成一般工业与民用建筑的设计，但会在边坡治理、水利水电、基础工程等领域从事挡土墙、坝基、桩基等方面的设计、施工、监理等工作，仍然需要一定的混凝土结构设计原理的基础知识。对非土木工程专业来说，混凝土结构设计原理课程的教学在介绍基本概念、基本原理的同时更要适应不同专业应用领域的特殊混凝土结构的设计要求。
2 课程教学中存在的问题
结合该校地质工程专业，就其教学中存在的问题进行论述。
2.1 前导课程知识储备不足
对地质工程专业来说，没有开设建筑制图、建筑材料、房屋建筑学等属于土木工程的专业基础课程，导致在正常教学过程中较多专业基础知识的讲授有一定难度，课程设计绘制的图纸不规范。
2.2 教学时间短
课程安排在大四第一学期，32学时外加1周的课程设计。由于临近毕业，大部分学生将面临就业、考研等现实问题，降低了学生的学习兴趣和有效学习时间。
2.3 所授课程深度掌握尺度不一
混凝土结构设计原理课程一般由土木工程专业教师担任。往往由于授课教师队伍的相对不固定以及教师对地质工程专业的掌握不同，因此对所授内容的删减存在很大主观性，也即简单地把地质工程专业学生视同土木工程专业学生，放宽了一定的教学要求而已。
2.4 理论联系实际少
地质工程专业学生由于没有土木工程方面的认识实习，对建筑工地的现场知识也缺乏了解，反映在作业及课程设计图纸中的截面设计的配筋往往不符合一般结构设计的常识。
2.5 学生缺乏独立思考解决问题的能力
理论课程结束后的课程设计，结合地质工程的专业背景及今后的就业需要，设计内容是钢筋混凝土挡土墙。考虑挡土墙的高度及上部作用荷载的变化，保证学生一人一题，杜绝抄袭。从这几年的指导情况来看，学生们大都在参考范例上直接修改，很少有人进行必要的思考，更不善于通过查阅规范、文献资料来主动解决问题，而是习惯于向老师求助，直接询问来获取答案。
3 教学改革建议
针对上述种种问题，结合其他高校在非土木工程专业混凝土结构设计原理教学中积累的成熟经验，提出以下的改革建议。
3.1 了解授课专业的课程设置及内容
授课前要全面了解学生已修的结构方面有关的内容，了解学生掌握的内容及深度。对地质工程专业的学生来说，由于未修过建筑制图、建筑材料、房屋建筑学等前导课程，教学时就必须补充相关知识，从而使学生建立工程结构的基本概念。课堂讲授时，在例题讲解中多介绍相应的工程背景，便于解决基础知识不足的问题。
3.2 优化教学内容
教在教学上往往将地质工程专业学生与土木工程专业的学生相提并论，但大多数地质工程专业的学生将来不从事传统建筑结构的工程设计，因而如何在教学内容及深度方面掌握得恰到好处，需要教师对地质工程专业的主要学习内容及就业去向都要比较了解，并由此制定出合适的教学目标，合理规划教学内容。针对课程理论教学学时少又配有课程设计的特点，对混凝土材料的力学性能、受弯构件、受压构件等基础且必须的知识重点讲授，而对受拉、受扭构件简单提及即可，这样才能保证在有限学时内完成基本内容的学习。
3.3 丰富教学手段
考虑到地质工程专业课程设置的特点，许多常规的建筑材料、建筑结构试验没法完成，因此学生们学习时对基本概念掌握不清，可以采用多媒体照片、录像的形式进行弥补，不但能使学生产生直接的感官效果，同时又能弥补实践性环节缺乏的问题。同时鼓励学生除课堂学习外，充分利用网络资源，将课程相关的教学要求、教学教案、课件资源共享，延伸了教学内容，丰富了教学形式。另外，在日常教学中注意利用校内的在建工地及投入使用的典型建筑结构作为教学背景，有效地理论联系实际。为了在教学过程中学生能够更深切地将所学理论与工程应用相对应，必要时可以安排学生到周边在建建筑工地进行实地参观学习，使学生了解建筑材料、设计图纸、施工过程等内容，增加学生们的直观认识，提高学生们的学习兴趣，从而达到丰富教学手段、改善学习效果的目的。
3.4 稳定教师队伍
地质工程专业的混凝土结构设计原理课程的教学任务主要由建筑工程系的教师担任，虽然其具备了建筑方向扎实的理论及实践功底，但往往对地质工程领域的混凝土结构不甚熟悉，工程背景较为欠缺，打铁尚需自身硬，因此教师自身需要通过不断的学习积累地质领域的必备知识来丰富教学内容、提高教学水平，这也需要相对稳定的授课队伍来保证。
4 结语
地质工程专业混凝土结构设计原理课程的教学，不能等同于土木工程专业教学内容的简单删减，它需要在不断的教学过程中逐渐建立科学合理、能用够用的知识内容体系，因而需要在稳定授课教师队伍的基础上，逐步探索行之有效的教学手段，来提高学生的学习兴趣，从而培养学生必要的工程应用能力。
参考文献
[1] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2] 程文玻王铁成，等.混凝土结构设计原理[M].5版.北京：中国建筑工业出版社，2012.
[3] O彗星.非土木工程专业钢筋混凝土结构课程教学探讨[J].山西农业大学学报，2005，4（5）：18-19.
[4] 张晓燕，李凤兰，曲福来.混凝土结构设计原理课程教学方法探讨[J].高等建筑教育，2011，20（1）：79-82.
[5] 潘颖.提高混凝土结构原理课程教学质量的思考[J].高等建筑教育，2011，20（4）：74-77.
篇3
《混凝土结构设计原理》和《混凝土结构设计》为土木工程专业若干力学课程后的专业基础课程，具有很强的理论性和实践性。它们都是土木工程专业重要的核心课程，具有理论性、应用性等特点。本课程既有较为复杂的理论分析，又与现行国家规范、标准和工程实践紧密相关。这两门课的任课教师具有较为丰富的实践工程设计经验，多名教师具有国家注册结构工程师资格，为本课程应用型教学打下了良好的基础。本文就针对混凝土结构应用型教学改革作一些介绍。
1 修改教学大纲重新组织教学内容和环节
传统的《混凝土结构设计原理》和《混凝土结构设计》这两门课教学内容主要体现在基本概念多、破坏特征烦、计算公式多、理论推导多等特点，教学环节也集中在课堂理论讲授。针对以上特点，作为应用型本科教学改革教研项目，我们重新修改教学大纲，在课程教学内容上与工程实践相关的我们多讲一点、讲深一点，在教学大纲中也加入了实践教学的环节，比如混凝土结构课程设计、混凝土结构试验、现场参观教学等。在讲完设计构件基本原理后，主要进行大量实际工程与施工的教学，注重培养学生分析问题、解决问题的能力[1]。
2 理论联系实际，加强应用型教学
2.1 结合实际工程教学
通常情况下，教材所叙述的是全国通用的基本理论设计方法，但有时候地方性的设计作法可能与课本不一致，这时需要工程实践经验丰富的老师把地方性作法讲解给学生，并告诉学生这些并不冲突。它们都符合《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的要求，有时地方性作法是考虑施工方便和节省材料等因素，因此要灵活把握，综合考虑，使学生在课堂上就了解解决实际工程问题的基本方法[2]。
混凝土结构是应用性很强的课程，很多学生以前几乎没有接触过这方面的知识，有的也只是肤浅的听说，甚至很多学生没有到过施工现场一线或建筑设计研究院。因此，在教学环节上，我们安排一定的课时带领学生去实际工程现场学习，结合正规设计院设计的结构施工图纸讲解，把设计规范、标准图集、结构模型引入现场教学，激发学生的兴趣，达到课本理论与实践工程相结合的目的。
通过实践现场的教学，使学生对在书本知识学习时很难领会的一些知识，如混凝土保护层厚度、钢筋的间距与净距、钢筋的空间位置、受力筋与构造筋、钢筋的绑扎与搭接等内容，通过现场参观学习，很快就融会贯通，一些在课堂上难以理解的空间概念和结构概念通过实地参观，其问题就迎刃而解了，以达到良好的教学效果。
2.2 课程设计
混凝土结构课程设计是一次综合性、应用性的训练，它能使学生熟悉结构布置方法与原则、设计计算方法与要求和相应的构造细则，掌握施工图绘制与表达方法等设计全过程；通过课程设计使学生了解了结构体系的选择和布置，尤其是抗侧力结构单元的布置对结构抗侧能力的影响，了解了结构优化设计的思想，增强学生发现问题和分析解决结构设计问题的能力；使学生完成从理论到结构整体概念认识的飞跃。
以往课程设计普遍采用假题假做，往往沿袭几年前的课程设计任务书，容易导致准备工作不充分，指导工作缺乏针对性的现象。我们重新调整了课时和内容，做一项一到二周的综合课程设计，由指导老师给出实际工程的真题，并把它分成基础设计、框架梁、板、柱的设计、楼梯设计等等，由学生自选，分组进行，不用面面俱到，这样锻炼了学生综合运用混凝土结构设计的知识[2-3]。
2.3 课程实验教学
混凝土结构课程是学生较早接触的专业课程，它与以前所学的课程相比，有混凝土的破坏形态和规范规定的构造措施等。而看录像与实际动手做是有明显差别的，通过理论和实践教学环节，使学生获得构件受力及破坏特征的直观认识，有助于学生在此基础上深入掌握公式的来龙去脉和相关构造措施的有关规定，尽快适应专业课程的学习。
本校采用开放性实验的组织形式，学生可在规定的四个试验中选择其中的某个试验，填写开放性实验申请表，写明试验目的并编写试验大纲，大纲内容包括：概述、试件设计及制作工艺、加载方案与设备、测试方案和内容、安全技术措施、试验组织与管理、附录等内容，交给结构实验室。由试验室指定指导教师负责审核修改，并负责以后试验的指导工作。达到要求后方可进行试件的制作，仪器的调试率定等准备工作。教师指导采取“抓”和“放”相结合的办法。“抓”主要指的是审核学生撰写的实验大纲内容的合理性、完整性、可行性，提出具体的修改意见，以及应该注意的专业知识点；批阅实验完成以后形成的实验报告，指明分析的深度和分析的方向。“放”主要指的是放手让学生自己动手，包括拟定实验方案、设计混凝土的配合比并进行试配，绑扎钢筋，根据实验方案拟定的测点粘贴应变片，在指导老师的指导下操作实验仪器，并学习排除简单的操作故障，提高学生的动手能力，并能够运用知识分析实验结果的合理性。
3 总结
结合应用型人才培养目标，对土木工程专业的混凝土结构课程进行教学法研究，强调其应用性，加强对学生实践动手能力的培养，把这种能力的培养渗透在教学的各个环节中。本文根据混凝土结构课程的特点，以土木工程专业人才基本素质培养为目的，从教学内容、教学方法和课程设计改革几个方面探讨了应用型能力方面培养的措施。经本校的实践证明，这些方法可以较好地提高学生的应用能力、分析问题能力和解决实际问题的能力，以达到应用型本科教育的目的。
【参考文献】
[1]魏春明，赵星海，秦力.钢筋混凝土课程的教学探讨[J].东北电力大学学报，2010，30（5）：44-47.
篇4
关键词：海洋工程钢结构；教学内容；改革探索
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）20-0122-02
一、海洋工程钢结构发展现状及对人才的需求
海洋工程钢结构与陆地钢结构有明显不同，体现在钢结构基本构件所受的载荷、载荷效应分析及设计方法等方面，其差异的根本原因在于钢结构所处的环境不同。由于海洋工程钢结构处于复杂、多变的海洋中，海洋环境施加于钢结构构件的载荷也由静力载荷变为动载荷，所以只有应用结构动力学的知识才有可能进行海洋工程钢结构的设计。传统的《钢结构》课程与培养土木工程结构设计人才相适应，而与培养海洋工程设计师的目标有些偏离。因此，教学内容要重组，将钢结构基本原理与海洋工程钢结构设计两部分内容有机结合。
二、钢结构课程教学内容改革的主要方面
关于钢结构教学内容的改革探索，主要表现在以下几方面。
1.加强这门课程与《工程力学》课程的联系。学习《钢结构》课程要以学好《工程力学》课程为基础，尤其是《工程力学》课程中的材料力学内容。在本课程的基本构件设计与计算内容中，轴心受力构件、受弯构件、偏心受力构件的基本概念都是材料力学的基本理论知识。学生需要在正确识别构件类型的基础上，应用材料力学的相关公式对构件进行正确的受力分析与计算，尤其是角焊缝连接中构件受弯与受扭两种不同受力状态的准确区分。由此可见，加强与《工程力学》课程的紧密联系对于钢结构课程教学是非常必要的。它可以使学生更透彻地理解钢结构基本构件的受力机理，并对构件整个的受力过程有更为全面的了解。这样学生就不会觉得这门课程内容和公式太多、太凌乱、太枯燥。只要学生在学习过程中可以结合《工程力学》的知识来绘制构件的计算简图，并依据平衡方程建立计算公式，就可以很容易掌握这门课程的主要知识，而且可以达到事半功倍的学习效果。
2.加强这门课程与《钢筋混凝土结构设计》课程的联系。钢结构与混凝土结构设计有相同与不同之处。在《钢结构》课程的授课过程中，笔者会有意引导学生比较这两种结构的优缺点。例如：相同荷载作用下，相同类型构件，在钢结构与混凝土结构这两种不同的结构形式下，构件计算的相同过程、构件截面的不同选取，由此可以更加深刻地体会钢结构“轻质高强”的突出优点，而且可以帮助学生很好地复习之前《混凝土结构设计》的相关知识，从而激发学生的学习兴趣。
3.抓住构件验算时两种极限平衡状态这条主线。钢结构基本构件的验算应抓住两种极限平衡状态这条主线，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。学生在做习题和考试过程中，对基本构件的验算往往出现遗漏的现象，尤其是构件刚度和局部稳定的验算。授课过程中，笔者在强化两种极限状态概念的基础上，引导学生对不同构件的极限状态验算内容进行具体的内容划分，尤其是构件的稳定问题，进而依据每项内容逐一进行验算，这样学生就可以准确掌握基本构件的设计思路。
4.抓住构件连接计算的主线。讲解角焊缝连接与普通螺栓连接的计算时，笔者注重抓住“连接破坏形式―计算公式建立”这条主线，这样便于学生对连接计算公式和适用条件的理解。例如，对普通螺栓的抗剪计算，先告知学生普通剪力螺栓的五种可能破坏形式，其中两种属于采取构造措施可以避免，而另外三种破坏形式（连接板的截面破坏、连接板的挤压破坏、螺栓杆的剪切破坏）需要进行计算来防止。这样讲授概念清晰，便于学生理解后续的计算公式。
5.抓住钢结构稳定这条主线。钢结构构件“轻质高强”的特点，使得稳定问题成为钢结构设计应主要考虑的问题。授课过程中，要注意构件失稳的物理现象、影响钢结构稳定的主要因素等基本概念，继而讲解相关计算公式的适用范围及应用。由于钢结构稳定计算公式比较抽象，因此不应把精力放在公式推导上面。要教会学生基本构件可能发生的失稳形式以及提高构件稳定性的构造措施，从宏观上掌握构件稳定计算的主要思路。
6.总结构件设计的相关专题。在讲授每种基本构件计算的基础知识之后，找出具体过程实例，引导学生进行构件的截面设计。例如，对于实腹式轴心受压构件，要根据稳定性、宽肢薄壁、连接方便、制造省工等设计原则，通过假定构件长细比λ进行截面初选，接着对初选后的截面进行强度、刚度、整体稳定、局部稳定等验算，直至所选截面满足要求。经过这样的实践练习，学生就可以对相关知识融会贯通，增加学习的自信心，同时也可以很好地为接下来的钢结构课程设计打下良好的基础。
7.添加与海洋工程钢结构设计相关的理论知识。随着海洋油气工程的迅速发展，海洋工程专业的学生应充分了解海洋工程钢结构设计的原理、方法与步骤，所以本课程有必要将钢结构的基本理论与海洋工程结构设计结合起来，系统阐述海洋工程结构设计的原理与方法。例如，以构件材料性能、几何尺寸、边界条件为依据，用结构强度与稳定理论分析海洋工程结构物各类简单与复杂的钢构件的承载能力，从而为学生今后进行海洋工程钢结构设计、分析打下坚实的理论基础。表1为本门课程的教学内容与学时安排。
三、钢结构教学内容改革的进一步思考
目前为海洋工程专业开设钢结构课程经过两年的教学实践，表明这门课程的开设十分必要，学生对于钢结构的学习积极性较高，基本达到了课程开设的教学目标。但是随着学科的不断发展，钢结构的教学中需要重点突出海洋环境与钢结构之间相互关系的问题，而目前这一点做得不是很充分，主要原因在于作用于海洋工程钢结构上的载荷间的效应组合目前还没有统一的标准。
四、结语
海洋工程专业是一门新专业，为了适应教育部“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的人才培养要求，以及各专业人才知识结构的不同需要，要对《钢结构》这门传统课程在课程内容上进行一定的教学改革，从而激发学生强烈的学习动力和浓厚的学习兴趣。
海洋工程钢结构设计这部分内容在全国钢结构教学内容中是一个比较新的内容，目前只有哈尔滨工程大学有这方面的教材可以参考，因此在教学内容改革中要随时关注相关的最新教学改革成果，及时地应用于对学生的教学实践之中。
参考文献：
[1]方荣，李海涛.以技能为核心开展钢结构教学改革[J].浙江水利水电专科学校学报，2007，19（4）：85-87.
篇5
关键词：高层建筑设计 结构特点措施
1高层建筑结构设计的特点
水平荷载起控制作用，侧面位移必须加以限制，轴向变形在侧移中占有很大的份额，所以在结构体系选型时应充分考虑这几个特点。对于低层、多层或高层建筑，其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。但随着高度的增加，由于以下两个原因，竖向结构体系成为设计的控制因素：一个是较大的竖向荷要求有较大的柱、墙和井筒；另一个更重要的是，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多，高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证。
2高层建筑结构的设计中采用钢和钢筋混凝土的特点
钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，能浇注成各种复杂断面形状，可组成多种结构体系，并可节省钢材，耐久性、耐火性好，承载能力也不低，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。它的主要缺点是构件断面大，自重大，费模费工。而钢材强度高，韧性大，易于加工。高层钢结构具有结构断面小，自重轻，抗震性能好的优点。钢结构构件可在工厂加工，能缩短现场施工工期，施工方便。但是高层钢结构用钢量大，造价很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料，增加了工期和造价。由于钢筋混凝土和钢结构各有所长，又各有所短，所以更为合理的结构是同时采用钢和钢筋混凝土材料的组合结构。
3高层建筑结构设计过程中的几个问题及措施
3.1 结构体系的最大适用高度问题
按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002)规定，综合考虑经济与适用的原则，给出了各种常见结构体系的最大适用高度，详见下表。
钢筋混凝土结构高楼的最大适用高度（m）
结构体系 非抗震设计 抗震设防烈度
6度 7度 8度 9度
框架 现浇 70 60 55 45 25
整体装配 60 50 35 25 不应采用
框架―剪力墙和框架简体 现浇 140 130 120 100 50
装配整体 100 100 90 70 不应采用
现浇剪力墙 无框支墙 150 140 120 100 60
部分框支墙 130 120 100 80 不应采用
简中简及成束简 200 180 150 120 80
这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳妥的，也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制，如：采用组合结构体系的金茂大厦，高达420.15m(建筑高度)；采用混凝土结构体系的中信广场，也高达322m(建筑高度)。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
3.2 建筑材料的选用和结构体系问题
在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。我国150m以上的建筑，采用了三种主要结构体系：框一筒、筒中筒和框架一支撑。这些也是其他国家高层建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震区，多是以钢结构为主，而在我国，钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，在国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量降低其本身刚度，以减少不利影响。
在高层建筑中，根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，为减小风振，钢骨(钢管)混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的，则震害要减少许多。
3.3 控制柱的轴压比与短柱问题
在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态，防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎。柱的塑性变形能力小，则结构的延性就差，当遭遇地震时，耗散和吸收地震能量少，结构容易被破坏。但是在结构中若能保证强柱弱梁设计，且梁具有良好延性，则柱子进入屈服的可能性就大大减少，此时可放松轴压比限值。另外，许多高层建筑底几层柱的长细比虽然小于4，但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比小于2的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。
3.4 高烈度区要采用抗震措施与抗震构造措施
现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度己不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准比较低，当取50年为分析年限时，小震烈度对应的被超越概率为63.2%，重现期为50年，中震烈度对应的被超越的概率为10%，重现期为475年，大震对应的超越的概率为2%左右，重现期为2000年左右，同时规定抗震设防烈度与设计基本地震加速度的对应关系。
设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外；在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上，与外国相比，也有异同，其中的8度区，我国就明显不如外国严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而结构在设防烈度下应该采用弹性设计，特别是高烈度区要有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。
篇6
力学是一门基础科学，它所阐明的规律带有普遍的性质。力学又是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础。土木工程是力学应用最早的工程领域之一[1]。对于土木工程专业的学生来说，力学课程是一类极为重要的专业基础课，它不但影响学生对今后其他专业课程的理解，还将影响学生以后解决工程实际问题的能力。所以，对力学课程在土木工程专业的重要性进行研究，可以帮助培养出适宜于社会发展的合格的工程技术人员。
2土木工程专业主要设置的力学课程
根据土木工程专业培养计划，四年本科期间，8学期内，共设置7门力学类课程。所以说，除了理论力学、材料力学和结构力学这“三大力学”之外，结合土木工程必须与流体接触的特点，也设置了流体力学这样的学科基础课。另外，考虑到大三之后，土木工程专业学生有“建筑工程方向”、“地下工程方向”、“古建筑修复与保护工程方向（特色方向）”三个不同的发展方向，也设置了土力学、弹性力学与有限元基础和岩石力学基础这样三门专业方向课程。
3各门力学课程的教学内容及特点
3.1理论力学
理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学，是各门力学的基础。它忽略一般物体的微小变形，建立在力作用下物体形状、大小均不改变的刚体模型。主要讲授内容分三个部分：淤静力学部分。主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件；同时也研究物体受力的分析方法，以及力系简化的方法等。于运动学部分。只从几何的角度来研究物体的运动，而不研究引起物体运动的物理原因。盂动力学部分。研究受力物体的运动与作用力之间的关系。
3.2材料力学
材料力学以单个杆件作为主要研究对象，并且将其看作均匀、连续、各向同性的可变性固体。它研究杆件的拉、压、弯、剪、扭变形特征，并对杆件进行强度、刚度及稳定性分析计算。
3.3流体力学
流体力学是研究流体的平衡和流动的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科。流体力学研究的对象是流体，包括液体和气体。
3.4结构力学
结构力学以杆件结构（包括梁、拱、桁架、刚架和组合结构等）为主要研究对象；研究在外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的组成规律。
3.5土力学
土力学研究土的本构关系以及土与结构物相互作用的规律。土的本构关系，即土的应力、应变、强度和时间这四个变量之间的内在关系。
3.6弹性力学与有限元基础
弹性力学研究弹性体由于受到外力作用或温度变化以及支座沉陷等原因而发生的应力、变形和位移。它一方面对杆状物件作进一步的、较精确的分析；另一方面，对板和壳，以及挡土墙、堤坝、地基等实体结构，加以研究。
3.7岩石力学基础
岩石力学基础主要研究岩石和岩体力学性能的一门学科，是探究岩石和岩体在其周围环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，作出响应的一门力学分支。其所研究的岩体，具有不连续性、各向异性和不均匀性的特征。
4力学课程在土木工程专业的重要性
力学是土木工程专业的技术基础课，若缺乏对力学课程基本概念、物理意义和求解方法的深入理解，想真正掌握好相关专业课程，做好有关工程设计、施工、监理乃至进一步的科研工作，是不可想象的。
4.1对本科后续专业课程学习的影响
混凝土结构基本原理、钢结构基本原理、基础工程、土木工程施工技术、房屋砌体与混凝土结构设计、钢结构设计、结构抗震设计、地基处理、深基坑工程、城市轨道交通工程、隧道工程、古建筑设计与保护技术等专业课程，都与力学课程有关，如不打好力学基础，将无法真正掌握及应用好专业知识。例如在学习“混凝土结构基本原理”课程中受弯构件斜截面承载力计算这部分内容时，需首先了解斜裂缝出现的原因，这时就需利用材料力学主应力迹线的分析方法，在构件上取出微元体，来做截面主应力分析等。再如“钢结构基本原理”课程，由于钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的，所以钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合；在课程的学习过程中，经常会用到材料力学中的各种计算公式和计算理论等。除了这些专业课程，对于土木工程专业毕业设计这个实践教学环节来说，力学知识也是非常重要的。就拿经常会出现的“混凝土框架结构设计”这种毕业设计题目来说，它分为结构布置、计算简图框架内力计算、框架内力组合、框架梁柱截面设计、现浇楼面板设计、基础设计、楼梯结构设计计算和软件计算这样几个部分。所以说，若不能利用力学基础知识先进行结构计算简图的简化和结构内力的计算，后面实际结构设计部分，均无法完成。
4.2对研究生阶段学习的影响
毕业后，若继续就读本专业研究生，除了在研究生入学考试中可能会考核到材料力学、结构力学这样的力学课程；在读研期间，也将涉及更多更深入的力学课程，如应用弹塑性力学、塑性力学、连续介质力学、有限单元法、高等结构动力学等。如在本科阶段没有打下良好的基础，将很难掌握这些课程。
4.3对就业后解决工程实践问题的影响
力学知识在工程设计工作中的作用是不言而喻的。同样，力学知识对于施工或监理等工作，也是不可或缺的。如预制桩在堆放时垫木位置和吊装时吊点位置的确定，施工脚手架的安装计算，施工模板拆除顺序的确定，施工缝留设位置的确定，施工中钢筋放置位置的确定等，都需要通过力学知识来确定。从事建筑施工或监理的工程技术人员，只有掌握了建筑力学的基本知识，才能懂得建筑物中各种构件的作用、受力情况、传力途径以及它们在各种力的作用下在什么条件下会产生什么样的破坏。这样，在施工中就能正确理解设计意图，制定出合理的安全措施和质量保证措施，从而保证建筑施工过程中的绝对安全，确保工程质量，避免事故发生。
5对本科阶段力学课程野教冶与野学冶两方面的建议
力学课程内容繁多，概论抽象，在“教”与“学”两方面都存在很多问题，容易使教师教起来用时多，任务紧；学生学起来难度大，负担重，且容易出现书能看懂而求解问题无从下手的情况。
5.1教学方法建议
依据土木工程专业培养目标，考虑力学课程与相关专业课程的衔接性，整合力学课程教学内容。注重工程实践教育，加强学科工程背景教学。培养学生创新意识，开展竞赛活动，强化学生动手能力。引导学生参与教师科研活动，培养学生的科研意识。教学中运用案例教学，趣味教学，启发式、探究式、研讨式等教学方法。理论教学之余，也可简要介绍结构力学求解器、ANSYS、ABAQUS、PKPM等计算软件，加强学生在力学计算方面的综合能力。
5.2学习方法建议
“教”与“学”相辅相成，无法分离。所以除了教师需运用不同的教学方法来提高学生的学习兴趣之外，学生也需掌握合理的学习方法，以加强对教师教授知识的理解与渗透。第一，课前做好预习，课后加强复习。有效的预习，可以使学生在上课之前，了解自己即将要学的知识，这样在课堂学习时，就可以对自己所学的东西做到心中有数；及时的复习，可以使学生及时消化课堂所学，以便深入了解所学知识，深入掌握。第二，善于积累，善于提问。本科教学不比高中教学，它讲授新知识的时间往往多余复习旧知识的时间，所以，在学习的过程中，不能存在“猴子掰玉米”的现象，学了新的忘了旧的，而是要不停积累，不停学习；对于不懂的知识点，要善于提出疑问，问同学，问教师，问网络，及时解答疑问，及时解决问题。第三，要加强练习。学习力学知识的过程中，不做一定数量的习题，将很难对基本概念和计算方法有深入的理解，也很难培养出好的计算能力，所以，要学以致用，加强练习。第四，善于创新，积极参与不同的实践活动。教师教授的知识是有限的，在学习教师教授的方法之后，举一反三，要自己善于发现问题，创新思维；积极参与各项社会实践活动，如省大学生力学竞赛、省大学生结构设计大赛等，将学到的力学知识应用到实际的大赛活动中，并且从实践的过程中又学习新的力学知识，循环往复，提高自身的学习积极性；积极参与教师的科研项目，提高自身的研究思路和水平，也是加强自身力学思维的较好方法。
6结语
篇7
关键词:预应力;混凝土;平板设计
中图分类号:TU278.39文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)18-0288-01
1 引言
无粘结预应力混凝土结构是在一个方向或两个方向配置主要受力无粘结预应力筋的结构体系。施工时,无粘结预应力筋同非预应力筋一样,按设计要求铺放在模板上,然后浇筑混凝土,待混凝土达到设计强度后,再张拉锚固。此时,无粘结预应力筋与混凝土不直接接触,呈无粘结状态。在外荷载作用下,预应力在纵向可以相对周围混凝土发生纵向滑动,但在总变形上存在者变形协调关系,该结构一般也需要配置普通钢筋以改善结构的受力性能,避免结构在极限状态下出现集中裂缝而发生脆性破坏。其优点是:
(1)结构自重轻,提供满足大空间的功能要求,符合较高的使用功能的要求。
(2)施工简便、速度快。无次梁,有利于采用定型摸板,节约模板。
(3)抗腐蚀性能强。预应力筋外包涂有防腐油脂塑料套管。
(4)使用性能好。在使用荷载作用下,抗裂和挠度要求易于控制。
(5)抗震性能较好。在地震作用下,当产生大幅度的反复位移时,无粘结预应力筋始终处于受拉状态,不像有粘结可能由受拉转为受压。应力幅度变化较小,局部变形也以均匀分散到全长上。
2 截面尺寸选择
在初步设计阶段,为控制挠度通常可按跨高比得出板的最小厚度,一般由跨高比的正常取值范围,求得的板厚可满足结构性能要求,所建成的后张楼板也是经济的。但在平板结构中,由于柱支撑着双向板,柱边存在着很高的剪应力,可能产生冲切或冲剪破坏。此时,围绕柱出现斜裂缝,破坏面从柱边处的板底斜向伸展至板顶,成圆锥面或凌锥面的“冲切破坏锥”。斜裂缝与水平线的倾角取决于板的配筋和预应力的大小,一般在20°―45°之间。因此,在设计中应验算所选板厚是否有足够的抗冲切能力。
依据国内关于无附加钢筋的单柱预应力平柱的试验结果,通常假定板的冲切破坏锥体与板底面成45°角,在冲切承载力计算中取冲切破坏锥体斜面的上下边长的平均值,即距荷载边k/2处的周长作为计算周长。我国《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ/T 92-93)中给出了平板节点抗冲切承载力的计算公式如下:
F1≤(0.6f1+0.15σpe)μmh0(1)
式中:F1为集中反力设计值,即柱所承受的轴向力设计值减去柱顶冲切破坏锥体范围内的荷载设计值;f1为混凝土抗拉设计强度;σpe为由预应力筋的有效预应力产生的混凝土平均预压应力,当两个方向预压应力值不同时,取其加权平均值;μm为冲切计算周长,一般取距集中反力作用面积周边h0/2处的周长;h0为平板的截面有效高度。
从式(1)可求出满足抗冲切承载能力需求的最小板厚。
需要指出的是,上述公式未考虑传递节点不平衡弯矩,若考虑传递节点不平衡弯矩,则平板节点的抗冲切承载力计算较为复杂,在初步设计阶段可采用将竖向荷载剪力乘以适当的放大系数来近似考虑传递不平衡弯矩的影响,对中柱该放大系数可取1.2,边柱取1.5,角柱取2.0。
3 预应力筋估算
3.1 预应力筋的线型
(1)计算预应力筋线型。
按照荷载平衡法原理,结构中预应力的作用可用等效荷载代替,等效荷载的分布形式可设计为与外荷载的分布形式相同、方向相反、数值相当。若外荷载为均布荷载,则预应力束的计算线形可取抛物线形,当外荷载为集中荷载时,则预应力束的计算线形可取折线形,若外荷载在同一跨内既有均布荷载,又有集中荷载作用,则该跨预应力束的计算线形可取抛物线与折线的结合。
(2)实际预应力筋线型。
在预应力混凝土平板结构中,采用荷载平衡法设计得到的预应力筋线形在中间支座处有尖角,而在实际的布筋中,预应力筋是由一系列正反抛物线组成,在最大偏心处,相邻两段抛物线相切,且斜率为零,因此其连接是光滑的。根据这个几何关系条件可确定出实际的预应力筋线形。
3.2 预应力筋的估计
对预应力筋的估计,通常都采用避开次内力计算的荷载平衡法来进行设计,荷载平衡法由林同炎教授于1963年提出,该法大大简化了超静定预应力结构的设计计算,其基本原理如下:结构上预应力的作用可用等效荷载代替,等效荷载的分布形式可设计为与外荷载的分布形式相同、方向相反、数值相当。
应用荷载平衡法设计时,一个关键问题是怎样合理地选择平衡荷载,亦即预应力应该平衡掉多大的荷载。预应力平板结构的配筋设计同样必须满足规范规定的承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求,即需验算承载力、变形、裂缝控制要求以及施工阶段的应力。在实际设计中变形主要由结构的跨高比控制,裂缝控制则主要由预应力筋的数量控制。当按裂缝控制要求配置的预应力筋量不满足承载力要求时,可通过增配非预应力钢筋予以满足。既然预应力筋的数量实际上是由裂缝控制要求确定的,所以平衡荷载应按结构的裂缝控制等级合理选取。其基本原则是:对一、二级裂缝控制等级的结构,当准永久荷载系数较大时,一般可取永久荷载(即恒载)和准永久荷载的一部分(30%―70%)作为平衡荷载。可变荷载比例较大时,可取较大值;可变荷载比例不大时,可取较小值。对于三级裂缝控制等级的结构,预应力筋的配置可有正截面承载力计算确定,其中预应力筋所承担的承载力一般不大于总承载力的75%。
4 次内力与荷载效应组合
4.1 次内力
在预应力超静定结构中,预加应力使构件产生的变形将受到多余约束的限制,从而产生附加内力,超静定结构中由于施加预应力引起的附加内力,我们称之为预应力次内力,预应力次内力包括预应力次剪力、预应力次弯力和预应力次轴力等,一般对结构两类极限状态有重要影响的是预应力次弯矩,所以在预应力平板结构设计中我们只考虑预应力次弯矩。预加应力在超静定结构内产生的总内力为主内力与次内力之和,称之为综合弯矩,由此预应力次弯矩可由下式求得:
M2=Np-M1(2)
M1=Mpep(3)
式中,Mp为预应力弯矩;M1为预弯力主弯矩;M2为预应力次弯矩;Np为预应力钢筋及非预应力钢筋的合力;ep为净截面重心至预应力及非预应力钢筋合力点的距离。
4.2 荷载效应组合
预应力平板结构与其它超静定预应力结构一样,荷载组合的关键是在结构两类极限状态设计中如何考虑预应力次弯矩的问题。国内外许多规范都有具体的规定,如美国《钢筋混凝土房屋建筑规范》(ACI 1992年公制修订版)规定:在使用荷载条件下,预应力超静定结构的内力按弹性方法确定,结构内力中应包括预应力次弯矩,在承载力计算时仍应考虑预应力次变弯矩,此时预应力次弯矩须考虑内力重分布的影响。我国《预应力混凝土结构技术规程》(JGJ/T92-93)中规定,预应力次弯矩一直存在并保持不变,因此在承载能力极限状态设计中以及在正常使用极限状态时均应考虑预应力次弯矩的影响。
参考文献
[1]薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
篇8
Abstract: This paper quotes and analyzes the main theories and methods of concrete structure durability design. Based on the environmental indicator evaluation method and probability limit states method, the author puts forward durability design method based on probability limit states theory and discusses the determining of durability limit states.
关键词:耐久性设计;可靠度;极限状态
Key words: durability design; reliability; limit states
中图分类号:TU528 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)21-0084-01
1已有耐久性设计的主要理论和方法
1.1 环境指数评定法[2]环境指数评定法首先由日本土木工程师协会混凝土委员会于1989年提出,曾列入日本《混凝土结构物耐久性设计准则(试行)》中。对于混凝土结构物的耐久性探讨,要求构件各部位的耐久指数Tp大于或等于环境指数Sp,即:Tp≥Sp。与以往的结构设计方法相比,该方法明确提出了结构耐久性设计的概念,并将设计条件写成R≥S的形式,与规范的设计表达式相同,而且较全面地考虑了影响耐久性的各个因素,特别是考虑了结构体系和构造的影响,直到今天这种思路仍值得借鉴。但该法在耐久性指数的选取上,人为的主观性较大,不同设计者可能给出的结果差别很大。
1.2 基于时变可靠度耐久性设计法[3]基于时变可靠度耐久性设计法是直接计算不同时刻t的抗力效应R(t)与荷载效应S(t),用Monte-Carlo法求对应时刻功能函数的可靠度,从而求出结构的动态可靠度变化。从理论上讲,这种方法很适合结构的耐久性研究。从强度降低的计算、某一时刻结构抗力随机变量计算、功能函数可靠度计算到最终回归出动态可靠度函数,每个步骤都可使用计算机来实现。失效概率的计算方法可以采用现行规范的方法。混凝土结构耐久性失效的功能随机过程为:Z(t)=R(t)-S(t)。式中R(t)为结构抗力随机过程;S(t)为结构荷载随机过程。该方法已经考虑了抗力和荷载的随机变化特性,较环境指数评定法减少了人为因素的影响;但其可靠指标随时间变化的函数β(t)要靠很多现场试测工作和专家经验相结合才能求得。另外,Monte-Carlo法作为一种校核其他算法精度的方法,由于计算量大的缺点,应用于实际工程尚有一定困难。
1.3 基于耐久性的优化设计方法结构可靠度的研究达到以来,许多学者在这方面做了大量的工作。早期结构经济优化是从结构初始造价与结构倒塌损失期望值的和最小角度着眼。然而,大量工程调查表明,由于结构的耐久性不足,在设计使用期的费用甚至超过了结构初始的造价。在这种条件下,建立着眼于在结构的全生命过程中使结构的初始造价、倒塌损失期望值和维护费用的总和最小的基于寿命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis)方法进行耐久性设计优化[4]。在结构经济优化设计中,一个比较棘手的问题是如何估计结构倒塌的损失,它除了包括一些可以定量的因素外,还包括许多难以定量的因素,这方面的研究并不充分。另外,目前的可靠度分析只处于构件水平上,已有的结构体系可靠度分析方法尚不能完全反映结构整体可靠度的本质,况且结构的倒塌损失与结构的失效模式有关,不同的失效模式造成的损失也各不相同。因此,目前全寿命耐久性经济优化设计还只是一种概念,尽管如此,它对保持结构设计的合理性仍具有重要的指导意义。
2基于概率极限状态理论的耐久性设计方法
耐久性设计应相对独立化进行,将可靠度理论引入环境指数评定法,进行基于概率极限状态理论的耐久性设计,将是探明耐久性设计的必经之路。
2.1 基本原理极限状态模式失效概率的概念与结构承载能力极限状态相似。其特点是以等效的作用和材料抵抗环境的作用能力作为基本变量,分别以环境作用和构件材料抵抗环境作用的能力为随机变量,形成R和S,控制R-S≤0的概率。
2.2 耐久性极限状态根据ISO 2394、WD13823 和我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)的情况,并考虑结构工程设计的具体特点,混凝土结构耐久性的极限状态应该取类似的使用极限状态。也就是结构构件的适用性受到影响,承载能力的影响可以忽略不计。
根据上述耐久性极限状态的原则,提出在各种侵蚀环境下混凝土构件的耐久性极限状态标志。
①碳化造成的钢筋锈蚀。对于钢筋混凝土构件来说,钢筋出现锈蚀并使保护层混凝土出现锈蚀造成的裂缝可以作为碳化造成钢筋锈蚀情况的耐久性极限状态标志。此时对于直径较大的钢筋来说,钢筋的截面损失率较小,构件的承载能力不会受到明显的影响,但损伤的迹象已经明显。对于预应力钢筋和直径较小的受力主筋,宜以钢筋具备锈蚀条件作为耐久性的极限状态。此时保证构件延性破坏的性能可能已经受到了影响。②冻融作用。混凝土表面出现冻融损伤,约相当于标准冻融试验终结的程度。此时,构件出现表面损伤或动弹模下降到一定的程度,内部混凝土未受到明显影响,构件的承载能力没有受到明显影响。混凝土的硫酸盐侵蚀、酸侵蚀、碱侵蚀、生物侵蚀等情况下的耐久性极限状态,可参照冻融损伤情况确定。也就是以表面出现明显的损伤作为耐久性极限状态的标志。③碱骨料反应。碱骨料反应情况宜以构件表面出现AAR反应造成的裂缝等作为耐久性的极限状态。而不以碱含量或骨料的碱活性作为耐久性极限状态的标志。④有害物质的影响。无论是掺加在混凝土内部的有害物质还是外部侵入到混凝土内部的有害物质都以造成实际的影响作为耐久性极限状态的标志。例如氯离子的侵入,以钢筋开始锈蚀作为耐久性极限状态的标志或以其浓度达到使钢筋开始锈蚀的程度作为耐久性的极限状态。
3结语
混凝土结构耐久性设计方法应给予相对于抗力设计的独立性考虑,这是耐久性设计所需经历的发展阶段,而最终随着耐久性设计的成熟发展,会与抗力设计融为一体,或者基于实际设计需要而相对独立进行。
参考文献:
[1]段金树.日本《混凝土结构耐久性设计准则(试行)》简介[J].华东水利水电学院学报,2001,12(4):56-60.
[2]李田,刘西拉.混凝土结构的耐久性设计[J].土木工程学报,1994,27(2):47-55.
篇9
工程中结构基础的投资约占结构整体造价的30％左右，而且基础属于隐蔽工程，一旦施工结束后将进行掩埋，在设计阶段如若考虑不周将会给整体结构留下很大的隐患，使用阶段进行修复或改造很困难，会增加很大的费用和成本。现以应用较为普遍的桩基为例，桩基础的设计主要优化环节在于桩型和桩长的选择上：1.现阶段常用桩型主要有：人工挖孔灌注桩、预制桩、沉管灌注桩和钻孔灌注桩等，设计人员设计时要综合考虑荷载、土层、环境及工期等因素，任何一个环节除了问题都将导致后期成本较大变动。2.桩长的选择除了考虑桩自身的承载力外，设计初期就应从概念设计的角度上把握后期使用效果，桩基础要能起到减小差异变形、降低承台内力和上部结构次内力，提高建筑物使用寿命的作用，如目前中高层建筑由于设计有电梯，多数采用框架-核心筒结构，针对此种结构采用变刚度调平原则，不同部位采用不同桩长、不同桩距布置，即将桩相对集中布置于核心筒和柱下，对于框架区应适当弱化，最终能节省投资约30％左右。在桩长选择上概念设计也非常重要。
二、设计软件缺陷修正与参数选取
目前设计院结构设计软件以PKPM为主，由于软件的使用，导致多数设计人员的基本设计理论知识淡化，过度依赖于软件设计，而对软件设计的基本原理关注较少，所设计图纸中多以软件结果为主，很少进行较为深入的修正。
1.软件固有的不足与缺陷
在绘制施工图时，多数设计人员会直接把梁端下部钢筋全部锚固于节点处或全部贯通节点，没有进行必要的截断修正处理，这种做法一会导致结构的配筋量增多费用加大，二会使结构在地震时处于危险的状态，主要是因为在结构设计时要用“强柱弱梁”的理念来引导设计，规范也有相关规定，但是在设计时，软件的处理方式却跟我们想要的结果有一定的差异，设计软件会选取柱中心点的弯矩作为梁端弯矩的计算值，而实际梁端弯矩为柱内侧弯矩值，软件选择裂缝控制配筋会对计算值进行一次放大，软件系统自动配筋时又会对计算值进行一次放大(1.1倍)，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)11.4.1-11.4.5条规定柱端弯矩设计值为梁端弯矩乘大于1的倍数，而此处的梁端弯矩为计算值，并非实际的配筋值，软件给出的结果是梁端部的配筋偏大，这样就导致了实际配筋时无法达到“强柱弱梁”的设计效果，抗震结构早就引入了“强柱弱梁”的延性理念，但是实际效果却差强人意，如汶川地震框架结构破坏，该破坏模式很大一部分原因就是设计缺陷——梁端部配筋上没有处理好。设计人员应该利用自己的专业理论知识去弥补软件的不足和缺陷。
2.计算参数的选取
PKPM结构分析需补充的SATWE参数有10项：总信息、风荷载信息、地震信息、活荷载信息、调整信息、设计信息、配筋信息、荷载组合、地下室信息和砌体结构，每一项都对应一些参数的设置，这些参数都会在一定程度上影响结构的造价和安全储备，设计时应该综合在安全储备和经济性上做一些对比分析，才能取得较好的综合效益。结构截面配筋图绘制前也有参数设置，这些参数的选取对结构造价也不可忽略，如：楼层梁、柱归并系数等。
三、结语
篇10
关键词：多层混凝土结构办公楼设计分析 技术措施
Abstract:according to the concrete office building foundation structure multilayer design and the details of the upper structure design, expounds the main structure sums up the common design key points of the design method and summarizes measures, for the similar structure design provides to sum up experience.
Keywords: multilayer concrete structure, office building, design analysis, technical measures
中图分类号： TU318文献标识码：A 文章编号：
1引言
随着我国多层办公楼建筑项目的增加，对其的结构设计也越来越受到广大工程技术人员和其他相关人员的关注，近些年来大量出现的多层混凝土办公楼结构凭借其诸多优势得到了大量的使用实践，但是其中很多细节需要设计人员引起注意。本文在介绍多层混凝土办公楼结构的基础结构和上部结构设计细节的基础上，总结了其部分设计中需要注意的要点加以阐述。
2多层混凝土办公楼结构基础设计
正确阅读并结合实践经验使用工程地质报告。地质勘察报告主要内容涉及多层混凝土办公楼基础设计的多方面资料，具体参数要融会贯通，了解计算指标和勘察结论的可靠程度必须进行深入了解，然后结合工程经验和现场实地现象判断报告中所建议的地基情况在该项工程中的适用性。拟建的建筑物具体情况与要求同场地的具体工程地质条件必须密切联系，综合分析。
以变形和承载力满足为前提，尽量采用相对较为经济的天然地基上浅基础。工程地基持力层选择要与上部结构同地基基础的整体性出发，综合考虑土层的物理力学性质、场地土层分布的情况及基础稳定性、结构类型和荷载性质与大小、建筑物的体型以及地下水的影响。
多层办公楼一般采用独立基础或者条形基础。首先由变形和地基承载力确定基础底面的尺寸，然后进行基础截面设计的验算。基础的高度确定由混凝土剪切条件和抗冲切控制，基础的配筋确定由基础验算截面抗弯能力控制。计算要求满足之后，进行一些规范规定的构造要求计算确定满足。设计时要注意在确定计算基础沉降或者基础底面尺寸时，应将设计地面以下基础和其上覆土重力作用考虑进去。在进行基础截面的设计时，要采用不考虑基础与上覆土重力作用的地基净反力计算。
完成地质报告分析和地基基础选型后进行地基处理，针对水文地质条件和地质报告条件合理选用地基处理方法，所选方法必须综合考虑当地的实际工程经验和土力学的基本原理。
3多层混凝土办公楼结构上部设计
多层混凝土结构体系建筑平面布置上比较灵活，能够提供较为科学的办公环境场地，同时可以构成具体办公楼需要的特殊立面体型。结构立面体型和平面形状要尽可能规则且简单，对称均匀布置各部分刚度，从而减少结构扭转出现的可能，尽量统一建筑结构层高和混凝土柱网，简化设计和施工。一般多层办公楼结构采用C25混凝土强度即可，在抗震设防有要求地区，要遵循强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固的设计原则，通过材料和结构形成延性框架。
框架柱截面尺寸方面，截面高度h=H/6~H/12，截面宽度b=1h一h/1.5，(H为办公楼层高)，采用轴心受压柱方法估算时，考虑弯矩的影响，将轴力乘以1.2～1.4的放大系数。框架主梁截面尺寸刚面，截面高度h=L/10～L/14，截面宽度b=h/2～h/3，(L为梁的计算跨度)，根据承重、非承重荷载和跨数来选取小者或者大者，一般可取h=L/10，b不宜小于200mm和h/4。次梁的截面高度h=L/12～L/16，要比框架主梁高度小50mm以上，最好比主梁小100 mm左右。次梁的截面事宜比主梁宽度小50mm，一般可取200 mm或250mm，大于150 mm，主次梁相交处要考虑增设附加吊筋或者附加箍筋。
楼板结构体系采用常见的单向板和双向板，一般通过次梁尽量使楼板成为双向板结构，使得整体受力更加合理化，从而配筋可以更加均匀，这种情况下楼板厚度相对能够比单向板设计的薄一些。单向板板厚通常可取h=L/30～L/35，双向板板厚通常取=L/35～L/45，一般根据使用实际情况、荷载和跨数选取大者或小者。通常说来，框架结构楼板的板厚要大于100 mm，楼板开洞的各种处理方法也要进行注意。
4主体结构设计的要点
4.1 结构超长措施
结构超长往往造成裂缝的大量产生，严重影响工程的建设质量和长期使用能力，特别是多层混凝土办公楼结构，更易产生这些问题。大量的工程实践为工程设计积累了丰富的，通过具体的设计措施可以从多个层面，从理论上讲，结构超长造成的裂缝主要是受到混凝土收缩作用和温度变化影响所形成，具体的设计要把握几个方面即可很好的避免这些问题。首先，每隔30至40m就设置一条后浇带，与此同时，在楼板的混凝土中添加进多功能的混凝土外加剂，从而全面的改善混凝土质量。其次，控制应力集中产生的裂缝，加强孔洞周边有效性的措施。再次，运用较为先进科学的保温隔热措施，特别是屋面设架空层，对于屋面保温隔热层以及的护墙所选用的保温隔热材料性能一定要求到位等。此外，楼板配筋的时候要考虑到收缩和温度应力，叠加处理受力钢筋同这一部分配筋，沿着长度方向的中间区域1/3位置上部钢筋拉通50%的钢筋。最后，根据计算所得结果，加强梁柱所采取措施，特别是中部横梁和边柱，按照计算所得的结果进行配筋加强，对于部分梁长度大于30m的，对其其加大加密腰筋。
4.2 办公楼装修荷载灵活多变性的应对
办公楼的内外装修往往变化很大，需要特殊的造型特点等，使得所用的材料也各式各样，继而难以精确确定荷载值大小。多层混凝土办公楼建筑的装饰装修工程的设计一定要保证建筑物结构的安全以及主要的使用功能。如果涉及到承重结构和主体的改动或者荷载增加的时候，一定要经过原来的结构设计单位或者具备相应的资质设计单位进行有关原始资料核查，对已经完成的建筑结构安全性核验并最终确认。多层混凝土办公楼建筑的装饰装修工程完成设计之后，严禁违反设计文件进行设计的擅自变更，具体指建筑主体、主要使用功能或者承重结构的改动。
4.3 楼梯设计要点
多层办公楼的竖向主要通道为楼梯，楼梯柱TZ的灵活布置和楼梯梁的合理选择及布置需要十分的注意和相关工程经验的支撑。楼梯梁下的净高要保证大于2 m，楼梯段净高保证大于2.20 m，板式楼梯板的板厚一般可取h=L/30。必须注意，TZ设置处梁上要增设附加箍筋或附加吊筋。对于设置了楼梯井、电梯井或其它剪力墙型抗侧力结构的框架混凝土结构，需要按框架一剪力墙结构体系进行计算，并考虑一般较少数目的剪力墙，按框架结构确定其框架部分的抗震等级。
4.4 其他设计注意细节要点
要注意到屋面梁和楼面梁的不同性，屋面梁有防水翻边处理的要求，在结构设计详图绘制中，需要跟建筑专业保持密切配合，形状美观，结构力争合理，功能实用到位。在结构详图中，构造分布钢筋的布置和最小配筋率的要求需要特别注意，结构详图要做到标高和平面位置定位明确，尺寸明确，钢筋小样明确。保证计算简图正确性才能保证结构的构造要求满足，因地制宜合理的调整内力和构造才能满足实际情况和计算简图的差异。此外，荷载的取值要根据实际情况，具体问题具体分析，并非越大就越安全，一般采用最不利荷载组合进行计算设计。
5结语
多层混凝土结构设计是结构设计中较为基础的设计，也是建筑结构设计中较为常见的一种形式。在设计时，如何处理各种不同的问题值得结构设计人员不断探讨和研究。实际设计过程中，应根据相关规范作科学合理的设计，文章就多层混凝土结构设计时常遇到的问题进行分析并探讨具体解决措施。
参考文献：
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[2] 乔婷婷，闫园．谈框架剪力墙中剪力墙的布置 [J]．山西建筑，2012，02：15-17.