混凝土结构的绿色设计

混凝土结构的绿色设计（精选七篇）

混凝土结构的绿色设计 篇1

一、选取性能比较高的结构材料

绿色建筑应该选取强度高、耐久性好的高性能结构材料。这样的材料具有两个鲜明的优势:第一, 高强度的混凝土、钢材料和耐久性强的碳纤维材料以及玻璃纤维等, 都属于新型材料。广泛地利用这些材料可以最大限度地节约材料, 提高建筑物的耐久性, 进而实现资源节约和环境保护的目的。C40级混凝土要比C20级混凝土在强度上高出10倍, 在单价上却仅仅增加了20%左右;第二, 高性能混凝土和高强度的钢有利于结构构件在截面尺寸上的减少, 可以增加建筑的使用面积和室内净高, 从而提高建筑空间的使用率;第三, 有利于降低结构的自负重、减轻地震对建筑物的影响、降低地基的基础造价。

1. 不同结构对混凝土强度的要求

目前, 在相关的规范中, 不同结构对混凝土的最低强度提出了具体要求。例如, 混凝土结构中应该采用强度为HRB400等级的钢筋, 而预应力混凝土的结构应该采用强度等级不低于C40的钢筋。这样的规定在某些程度上有利于促进高强度材料的广泛应运。但是, 在实际的设计中仍然存在一些妨碍高性能材料不断发展的问题。

现行的混凝土规范中有明确的规定, 混凝土的最高强度为C80, 而在实际的建筑施工中使用的却是低强度的混凝土。在世界上的主要发达国家中, 很多工程已经在普遍地使用C70级、C80级的混凝土, 并且有一些建筑物的混凝土强度等级已经达到了C100级。靠手工和一些落后的设施是配制不出高强度混凝土的。我国必须要提高生产高强度混凝土的能力, 使预拌混凝土在耐用性、适用性、经济性、强度以及稳定度上有一个全新的升级。

随着混凝土强度的提高, 对裂缝的收缩也就越难控制。在我国, 一般水平梁板的构件强度最高为C40。一旦超过C40, 要想很好地控制裂缝就变成了一个难题。竖向构件的混凝土强度最高位是C80, 超过C80之后, 早期的裂缝就会很明显, 会严重影响建筑物的耐久性。

2. 高强度钢材的要求

高强度的钢材对具体的焊接材料、焊接工艺还有焊接人员的焊接水平都有相应的要求。国内Q345C以上的钢材, 在焊接过程中对钢材的材料性质以及连接钢材的材料都有明确的要求。在我国, 目前仍没有超过490 MPa的建筑结构钢。在国外, 大多数的建筑工程主要使用的就是490 MPa和590 MPa的高强度钢材, 同时780 MPa级强度的钢材正在被推广使用中。

二、选择合适的结构体系

要尽量选取资源消耗低、环境污染小的体系构成绿色的建筑结构体系。我国现在比较普遍使用的结构体系在不同的程度上对资源、环境以及能源的利用量有一些影响。

1. 砌块类结构

制作建筑的承重砌块, 可以选取一些工业和矿业的废料, 如页岩、煤灰、矿渣以及煤矸石等。砌块的自重很轻, 对不可再生的资料消耗比较低;同时它又可以形成一个循环利用的体系, 可对工业废弃物进行再利用, 所以资源消耗的指标比较理想。

2. 钢结构

钢结构具有以下几个特点:较高的强度、很好的抗震性能、优良的结构性能、良好的经济性。同样的建筑规模, 采用钢结构排放出的CO2量要比采用钢混结构排出的量少。而且钢结构材料可以被循环再利用, 其资源的消耗标准也很理想。

3. 木结构

众所周知, 木材属于一种可再生资源, 不过这种可持续必须要把森林资源的健康循环作为存在的支撑。从实际情况来看, 我国森林资源不是特别的丰富, 所以只要具备了良好的经济技术条件, 我们就可以从森林资源比较丰富的国家购买所需的木材。

以上这些结构中, 木结构对环境的影响最小;其次为钢结构;然后是砌块类结构;影响最小的是混凝土结构。

三、根据法规采用节材效果比较明显的构件形式

1. 选取预应力混凝土结构

发展预应力构件以及结构对于提高材料的效率、改善混凝土的结构性能具有十分重要的意义。在大跨和重载结构的构件中, 合理的对预应力混凝土这种结构。

加以应用, 可以有效的减小截面的尺寸。同时, 有利于降低对混凝土材料的消耗, 还能够减轻结构自重。

高强预应力钢筋是高效能的结构材料。它的强度最高可以达到1 860 MPa。这种高效预应力钢筋不仅强度高, 延性也相当不错。它的强度价格是热轧钢筋强度的1.5倍, 这样的强度可以节省大量的钢筋。

为了使预应力混凝土这种结构能在地震频繁的地区得到广泛应用, 早在2004年, 我国的有关部门就已经制定了严格的设计规程。只要正确地对预应力结构进行合理地设计, 控制好预应力度以及综合钢筋的指数, 处理好节点的构造就能使它具备很好的延性, 满足地震区的特殊需要。

2. 选取钢和混凝土的组合结构

钢和混凝土的组合结构, 可以充分地发挥出钢材、混凝土这两个材料的各种优点, 有利于提高结构构件的强度、刚度以及延性。这种结构特别适合高层建筑和高烈度区。

在我国的高层建筑工程中, 虽然新型钢混凝土组合结构的使用在不断增多, 但是在理论与实践工作中对它进行的研究还不够充分。在一定的程度上, 科研工作要落后于实践工程。

四、提高结构的可靠性和耐久性

我国在2002年就制定了混凝土结构的设计规范, 规范中新增了耐久性的规定, 并将环境的类别分成了五类。在设计中, 可用年限为50年的那些混凝土结构要用最大的水灰比、最小的水泥用量、强度最低的混凝土等级、氯离子的最大含量、碱的最大含量等作定量的规定。同时在室内的正常环境下, 对使用年限达到100年的那些混凝土结构, 要从混凝土的最低强度等级、氯离子的最大含量、保护层厚度以及定期维护等方面做明确的规定, 这些都体现了结构工程师在设计过程中的绿色理念。

各种结构材料在可靠性和耐久性方面的规定, 有助于提高建筑物的使用寿命。2003年, 我国制定了碳纤维片加固技术的相关规程;2006又颁布了对混凝土结构进行加固和设计的规范。当然, 我国还有不少有关于建筑物维护和改造的规程和规范。这些规范规程的制定与实施可以说明我国越来越重视建筑物的利用, 越来越重视对建筑物进行的维护、改造、加固再利用。

五、结语

在土木工程建设中, 工作人员应该不断地提高自己的节能环保意识, 建立健全绿色设计规范和施工规范。建筑设计应该立足于社会发展状况, 将材料的选择、建筑的功能与生态平衡和自然景色相结合, 进行综合考虑。在改善人们生活质量的同时, 尽量减少对自然环境的破坏, 实现建筑工程的绿色发展。这样才能有利于节约型社会、和谐型社会的建立和发展。

摘要：本文根据绿色建筑领域内的施工法律法规、国家相关规范、建筑业标准等具体要求, 从结构的选材、体系、耐久性、结构的工业化、绿色施工等方面指出, 要严格按照法规施工, 达到节约资源、保护环境的效果。同时, 本文也分析了结构法规中存在的一些问题以及需要改进的地方。

关键词：绿色建筑,结构法规,施工,环境保护

参考文献

[1]张高峰, 王晓亮.绿色建筑设计与发展[J].中国科技博览, 2012 (30) .

绿色建筑结构优化设计 篇2

关键词：绿色建筑,结构优化,结构体系

从造价角度分析, 建筑施工阶段大致决定了建筑安装造价的20%, 建筑设计阶段大致决定了建筑安装造价的80%。而建筑设计阶段的结构设计就决定了整个建筑安装造价的40%~60%以上, 对于住宅来说大概是60%以上[1]。与旧式的建筑结构设计方式相比, 建筑结构设计优化方案可以使房屋建造的成本降低30%左右[2]。从资源消耗方面来分析, 我国现有住宅绝大部分都是采用的混凝土结构体系, 而混凝土结构体系对于砂石钢筋和水泥的消耗量是惊人的, 特别是在水泥的生产过程中需要消耗大量的煤炭资源, 造成了极大的能源浪费和环境污染, 砂石正在被用尽, 铁矿石的价格成倍上涨, 住宅寿命终了时, 将有数量庞大的垃圾需要处理[3]。

2010年12月10日至12日, 在深圳举行的第十二届CIHAF中国住交会上, 绿色建筑的关键在于结构优化这一认识得到了确认。绿色建筑设计是绿色建筑的龙头, 结构优化设计是绿色建筑设计的关键环节[4]。我国的绿色建筑评价标准, 原本就提倡优化结构的设计, 随着2015年1月1日GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》的实施, 更是将结构优化设计提升为节材部分的最重要内容, 对地基基础、结构体系、结构构件进行优化设计, 并将节材效果的评价分值设为5分。一般认为, 一星、二星建筑每m2增加100元左右, 三星建筑增加200元左右, 这些是没有进行结构优化时的结果。假设结构优化以后, 每m2可节省100元, 意味着一星、二星、三星建筑基本上可不增加成本[5], 有利于建筑技术的推广, 因此, 迫切需要对绿色建筑进行结构优化。

1 国内外城镇绿色建筑结构优化设计研究现状

1.1 基础结构优化

我国在基础优化方面也做了一部分研究, 蒋晓静[6]以上部结构与地基基础共同作用的理论分析为基础, 针对上部结构和下部桩筏基础进行的优化方法研究, 建立优化模型, 拓展优化方法, 并通过算例进行验证。周峰等[7]为减小建筑物基础差异沉降, 针对天然地基、复合地基以及复合桩基, 提出基于差异沉降控制的地基基础优化设计方法, 通过优化天然地基、复合地基以及复合桩基在桩基平面内的支承刚度, 建立地基基础支承体刚度人为优化的数值计算模型, 分析了该方法控制差异沉降的效果。并通过人为优化支承刚度分布的方法, 使基础的弯矩平均减少80%, 不均匀沉降平均减少75%~90%, 近似达到零差异沉降的目标。来潇等[8]结合工程实例, 针对地基条件的不均匀特征和施工影响因素, 采用了长短桩、疏密桩和换填方法的组合地基方案, 并运用地基与基础共同作用分析的原理, 采用SFIA方法进行了拟建建筑物的地基沉降分析, 用工程实践证明, 基于地基与基础协同变形的计算分析方法不仅有效地解决了地基不均匀沉降和地基承载力问题, 而且是复杂地基情况下进行地基基础优化设计和解决施工影响因素的有效手段。

1.2 结构体系优化

1.2.1 混凝土结构优化

混凝土结构优化大多集中在突出新结构形式和新建筑材料的优化组合。

在国外, 北美及西欧地区对混凝土结构的研究主要集中在结构构件结合部位的受力性能、节点的连接方式以及抗震性能等方面。日本、新西兰对混凝土结构的抗震性能方面研究比较深入。

在国内, 对混凝土结构优化设计研究起步较晚。2003年, 秦力[9]针对常用的中高层住宅结构体系的特点, 综合考虑初期投资、灾后损失及维修费用、结构整体刚度、结构整体延性、施工工期和施工难度等多项条件, 建立了基于场地条件和抗震设防烈度的中高层住宅结构选型多目标优化模型, 并采用三标度层次分析法, 同时引入梯形模糊数的概念, 提出了三标度模糊层次分析法 (T—FAHP) 。2007年, 石磊[10]在理论上分析了影响钢筋混凝土住宅结构造价的宏观因素和微观因素, 通过统计、比较、分析大量工程数据, 总结出钢筋混凝土住宅各结构体系钢筋及混凝土用量的合理范围。陆海燕[11]针对高层建筑优化设计中的梁多目标选筋优化问题、构件截面尺寸的优化、多目标结构方案拓扑优化、多目标分灾抗震设计等一系列问题, 以遗传算法和准则法为工具, 开展了优化混合算法的研究, 并基于现有分析及设计软件进行了二次开发。苏文[12]通过对异形柱框架结构、短肢剪力墙结构和剪力墙结构这三种结构体系的抗震指标和经济性能的分析比较, 找出三种结构体系在抗震、经济性能上的差异, 通过这三种结构形式各自特性, 得出其适用范围。陈加军[13]结合预制装配式高层住宅工程算例, 利用有限元分析软件ANSYS, 分别对装配整体式框架–现浇剪力墙结构和装配整体式框架结构进行抗震分析, 通过模态分析和地震反应分析讨论了节点区域刚度变化对结构抗震性能的影响。

1.2.2 砌体结构优化

在国外, 配筋砌体结构已在美国、新西兰成为一种广为应用的结构体系, 美国抗震规范中配筋砌体的适用范围同钢筋混凝土结构。如美国加州一幢13层建筑面积为1.4万m2的配筋砌体建筑——希尔顿旅馆, 采用高强混凝土砌块墙和预应力混凝土空心楼板, 每层只需4.5个工作日, 施工期仅五个半月[14]。砌体中设置钢筋或钢筋混凝土的配筋砌体结构, 具有较高的强度及较好的抗震性能, 如1971年圣佛南多大地震后希尔顿旅馆完整无损, 而与之邻近的一幢10层混凝土框架结构房屋却遭到了严重的破坏。同一次地震中, 第一层为框架结构的Ohve Veiw医院全部受到破坏, 邻近的在房屋一端设有配筋砌块剪力墙的电站却保持完好[15]。

在国内, 砌体结构相关研究与应用已相当广泛。刘桂秋[16]从砌体受压时的平衡条件、变形协调条件以及破坏准则建立了包括砖砌体、未灌心和灌心混凝土砌块砌体在内的砌体抗压强度计算公式, 该公式较全面地反映了块体、砂浆、灌芯混凝土的强度、弹性模量、泊松比、几何尺寸对砌体抗压强度的影响, 简化后的计算公式形式简单, 改进了现行规范计算公式不连续、计算方法烦琐等问题。张宇[17]在基于性能理论思想下, 对既有砌体结构的基础隔震钢筋混凝土预应力外套框架结构进行基于投资—效益准则的优化研究, 通过优化研究的计算结果归纳出不同梁柱截面尺寸, 不同地震波选取, 不同规模的地震作用下, 结构全寿命总费用的变化规律, 找到了加层改造结构的最优设计。邵帅等[18]通过对国内预应力砌体结构的试验研究和理论分析的介绍, 提出了一些需要解决的问题:如开展的试验方法主要是静力方面的, 动力方面的试验少;砌体材料也是一种地域性材料, 关于预应力砌体结构的可靠度及耐久性的研究还应开展等。

1.2.3 轻钢结构优化

近年来, 国内外的一些学者和研究单位专门针对钢结构优化设计开展了大量的科研工作, 并且取得了不少卓有成效的研究成果。Kang Seok等[19]基于和声搜索算法对桁架结构进行优化, 并与传统的遗传优化算法比较结果, 得出和声搜索算法能获得更为精确的优化结果, 且与传统方法都具备良好的收敛性能, 该优化算法不仅局限于优化桁架结构, 对框架结构和网壳结构同样适用。L.Pavlov ci等[20]试图通过拓扑优化和生产工艺相结合的方法, 求得轴对称、连续的最优型钢截面, 并进行了有限约束和无约束优化的对比分析, 最终得到应力集中情况小、质量最轻、刚度最大的合理结构。Charles V.Camp等[21]采用蚁群算法开发了离散型优化设计程序, 使得结构在满足可靠度和强度的前提下, 从美国钢结构协会的型钢数据库中, 优选出使钢结构的总质量达到最低合理截面, 其结果与真实结果偏差小于2%。D.B.Ngim[22]改进了原有优化设计片面单纯追求结构重量最轻的做法, 同时考虑了材料、建造和安装费用。通过对多层平面钢架的测试, 该优化系统不仅显著降低工程造价, 而且提供了更多的关于工程建造和材料消耗的方案。

在国内, 吴学奎[23]通过用STS钢结构设计软件设计与大连已建的某轻钢别墅功能相同的住宅, 对低层轻钢住宅 (别墅) 的常用体系进行比较, 对低层轻钢住宅结构体系选型进行研究, 发现对于低层轻钢住宅, 龙骨体系用钢量要远小于纯框架体系, 约只有框架用钢量的50%, 建议对于四层以下的低层住宅, 应优先选用轻钢龙骨体系。陈世英[24]从理论上说明结构优化设计的数学过程, 介绍ANSYS优化的相关概念、过程, 探讨如何应用ANSYS进行优化设计和设计中应注意的问题。并对工程中广泛使用的轻钢框架结构进行优化设计, 验证了ANSYS优化结果的有效性, 在钢结构住宅广泛使用的条件下, 推广一种可被广大工程技术人员易于应用的优化技术, 节省了大量的钢材。余娟[25]通过对轻钢结构住宅体系的发展水平及趋势的分析, 并对轻钢结构住宅进行研究, 全面系统地对我国轻钢结构住宅进行了经济性综合评价研究, 建立了轻钢结构住宅经济评价体系, 并运用软件验证了轻钢结构住宅是经济环保的新型住宅。薄涛[26]针对轻钢结构因造价普遍较高而在住宅建设中受限制的情况, 在轻钢框架结构的优化设计上进行相关研究, 提出了融合PSO算法和ACO算法的混合算法, 将这种混合算法应用于轻钢框架结构的优化设计中, 从而降低造价, 促进了轻钢结构住宅的推广。

1.3 绿色建筑结构构件优化

李朝银[27]针对钢材造价较高的问题, 通过ANSYS对钢结构构件进行截面优化, 用ANSYS模型计算出该构件的应力值, 并对不同的约束形式试验数据和实际计算值进行分析对比, 模拟值与计算值吻合良好, 精度较高。该方法可作为实际结构设计的一种辅助手段对钢结构构件进行截面优化设计。胡晓鹏[28]以西安地区多层和中高层典型住宅结构为对象, 对高性能混凝土和钢材强度以及结构构件的几何尺寸进行调查, 收集了大量的材料强度和几何参数的资料。在此基础上, 进一步对钢筋混凝土结构构件抗力进行统计分析, 给出了结构构件抗力的统计参数和概率分布模型。顾祥林[29]等提出了基于目标使用期的既有建筑结构构件承载能力验算的极限状态表达式。根据适用于既有结构的荷载和抗力概率模型, 考虑14种代表性的结构构件、不同的可变荷载效应与永久荷载效应的比值、3种可变荷载效应与永久荷载效应简单组合, 对不同目标使用期内的荷载分项系数进行了优化分析。房克强[30]分析了梁柱截面尺寸与节点受力分配的关系。通过变化梁和柱的截面尺寸来分析梁、柱截面尺寸的变化对结构内力的影响关系。对各截面尺寸下的框架模型进行了内力计算分析, 通过对各截面尺寸杆端弯矩和跨中弯矩进行比较, 找出了使梁端的弯矩和跨中的弯矩相差不大, 亦或趋于均衡时的梁柱刚度比的范围。

2 绿色建筑结构优化设计存在问题

与国外相比, 我国对于结构优化设计理念的实际应用远远落后于其理论, 工程实践仍旧不甚普遍, 缺少时间检验。

2.1 基础结构优化

(1) 针对地基基础不均匀沉降的问题, 上部结构巨大的刚度虽能减少建筑物的不均匀沉降、改善筏板的受力状态, 但目前上部结构设计还无法完善地考虑次应力的存在对上部结构的影响。如在桩基础设计中, 若按竖向荷载作用进行布桩, 就无法考虑到弯矩作用下承台底部边桩的反力验算。

(2) 地下空间利用不充分。在地基基础设计中未完全结合岩土工程地质的实际情况、地下室和人防的设置、地基基础的选型等综合因素以充分利用地下空间。

(3) 在对地基基础方案进行优选时, 对沉降缝的设置、地下空间利用和埋深等诸多因素考虑尚且不够全面。

(4) 缺乏相应的地基基础优化论证报告。大多数工程未根据具体场地情况因地制宜, 对项目可选用的从天然地基、复合地基到桩基础等各种地基基础方案进行比选及定性论证。

2.2 结构体系优化

(1) 混凝土结构存在着浪费大量水泥、砂石, 其建筑布局受限制、工业化水平低等缺点。混凝土抗拉强度低, 部分采用了钢筋混凝土楼板, 容易出现裂缝;结构自重比钢、木结构大;室外施工受气候和季节的限制;新旧混凝土不易连接, 增加了补强修复的困难。

(2) 砌体结构体系中, 一些农村家庭随意增厚楼板、大量设圈梁与构造柱、不计成本地将钢筋放入混凝土里, 且使用多种材料混合砌筑房屋, 造成房屋的竖向与横向刚度分布严重不均, 建筑的质量分布不均衡, 加重了砌体民居的抗震隐患。且材料使用不连续, 导致建筑的整体性也得不到保证;配筋混凝土砌块砌体剪力墙中水平钢筋配置过多时, 并不能显著提高墙体的抗剪能力, 造成了不必要的材料浪费。

(3) 我国自主研发的轻钢结构设计软件, 如STS和空间钢结构系统CAD软件3D3S等与国外集结构分析、结构优化和工程智能化为一体的软件有一定差距;我国研发的低层住宅还没有形成完整的结构体系, 包括其结构形式固定、成套的扣配件以及与之相配的材料等。

2.3 结构构件优化

(1) 钢筋和混凝土的强度、构件的高度及宽度、混凝土保护层厚度、箍筋间距等不尽合理的设计导致结构构件抗力较低, 影响建筑的抗震性能及其抗震合理性。

(2) 对一些不具备遮阳、导光、导风、载物、辅助绿化等作用的装饰性构件作为构成要素在建筑中大量使用, 在施工过程中, 较少采用工业化生产的预制构件, 致使相应的工程造价过高。

(3) 在对结构构件进行节材优化论证时, 未对建筑功能、柱网跨度、荷载大小等因素进行综合考虑, 影响整体结构优化的效果。

3 发展趋势

(1) 绿色建筑寿命优化与阶段性优化。根据不同的地域环境, 在工程的使用年限内, 对每一阶段进行相应的方案优化。考察各个阶段的特点, 根据实际结果进行优化方式的确定, 从而对工程的整体寿命进行科学优化。

(2) 绿色建筑的整体性与局部性优化。在对建筑进行优化设计时, 要对每一个下属系统进行相应的优化。地基基础的选择:从天然地基、复合地基到桩基础等各种地基基础方案进行比选及定性论证。结构体系的选择:从对建筑层数、高度、平立面、柱网大小、荷载等进行比选。对于复杂性来讲, 主要包含选取建筑的材料、选取建筑的结构构件等, 在选取材料时, 可优先选用本地生产的建筑材料、建筑砂浆采用预拌混凝土, 在构件选取时, 可采用工业化生产的预制构件。故在进行结构优化时要从整体入手, 才能真正实现整体的设计优化。

(3) 绿色建筑主体上部结构科学性优化。建筑的上部结构设计应当建立相应的模型并进行系统优化。整个过程首先应当合理地设置剪力墙, 保证剪力墙整体的质量是均匀的, 这样能将楼层中平面刚度的中心点重合于楼层整体的结构重心, 从而减少地震或风力等对其的破坏性。

混凝土结构的绿色设计 篇3

1 建筑结构设计中存在的节能环保问题

近年来, 生态环境不断遭到破坏, 不可再生资源、能源的消耗速度也逐渐加快, 让人们意识到保护环境的迫在眉睫, 在建筑行业中, 开始推广绿色节能环保结构设计理念, 但仍然存在部分问题, 主要有以下两方面:

1.1 节能环保理念与建筑结构设计不协调

人口数量的不断增加, 加大了建筑工程的压力, 使得设计师在进行结构优化时, 主要偏重房屋的内部空间和性能, 从而忽略了绿色节能环保理念。此外, 很多房地产公司为了拓宽销路, 抓住消费者注意力, 注重建筑结构的独特性和美观性, 使得整体结构质量和节能性能的工作仍然停留在表面, 没有真正贯彻到位, 甚至部分工程只是为了顺利通过审核而在图纸中加入节能环保设计, 这在很大程度上影响了建筑结构的环保性和节约性。

1.2 建筑结构设计技术有待提升

新型环保节能技术的施工设备所需投入资金较大, 操作程序比传统技术复杂, 基于此, 很多建筑工程在设计过程中依旧沿用传统施工技术和理念, 如建筑的自然通风等环保设计比较缺乏等。设计者在选用新型技术时, 盲目借鉴国外标准或经验, 没有从工程实际情况出发, 使得很多节能设计没有发挥相应作用。此外, 缺乏高素质的设计人才, 部分设计人员对环境保护的认识还停留在“不浪费”层面, 在很多情况下, 设计师提供的环保方案与工程不符合, 拉开了结构设计与环保理念之间的差距。

2 建筑结构设计中绿色节能环保理念的应用途径

建筑结构设计中绿色节能环保理念的应用, 需要设计师和施工单位共同努力, 将环保意识贯彻至结果优化设计中, 融合传统节能技术与新型材料, 合理设计建筑内外部结构, 在保障节能环保和建筑质量的前提下, 实现能源利用最大化, 综合考虑工程实际用途、环保材料和区域环境的方面的因素, 为促进建筑节能设计创造良好条件。

2.1 建筑结构设计节水率计算

建筑结构中排水设计是绿色节能环保理念的重要体现, 设计过程中, 应根据节水率公式, 准确计算建筑水资源的利用效率, 其公式如下所示:

式中:RWR表示建筑节水率, 单位为%

WN表示总用水量定额值, 单位为m3/a, 具体数值参照定额标准、水资源实际用途、人口总量。

WM表示市政供水用水总量, 单位为m3/a, 具体数值参照建筑各部分结构用水测算总量。

通过计算节水率, 能够优化建筑排水设计, 在很大程度上减少对水资源的浪费, 在收集总用水定额值时, 应尽量准确估算人口总量和水资源用途, 确保数值的科学性。对于绿色环保排水系统: (1) 应建立合适的水处理循环系统, 加大对水资源的利用率, 处理好房屋建筑生活污水, 受到工程量大、资金需要多等方面的影响, 开发商在这个方面的投入较少, 因此, 开发商必须加大对循环系统的重视程度; (2) 完善建筑热水供应系统, 在实际设计过程中, 必须考虑热水供应系统的有效性, 尽量做到打开水龙头便有热水, 避免水资源大面积浪费的情况; (3) 将排水系统与太阳能、风能等可再生资源融合, 增加建筑备用水。

2.2 优化建筑结构整体绿色节能环保设计

绿色节能环保设计能贯彻在建筑结构总体优化中, 确定设计方案前, 建筑单位应组织考察相关设计人员, 深入剖析施工区域气候条件、地质地貌, 科学规划建筑外部整体朝向, 为房屋建筑营造良好微气候条件, 达到绿色节能目的。建筑整体结构绿色节能环保设计主要体现在: (1) 建筑屋顶, 根据区域实际环境, 可以选择坡度屋顶, 提升建筑整体屋面温度, 在有条件的情况下, 可以使用保温隔热型材料, 如架空型、高效保温型等。同时可以在屋顶种植相应的植物, 不仅增加了房屋结构整体美观价值也保障了绿色环保; (2) 建筑屋面设计, 受到区域环境因素的影响, 屋面绿色环保设计也有所不同, 对于我国气候较寒冷的北方地区, 可以选择防水性能好的材料, 延长屋面使用寿命, 实现真正意义上的节能环保。对于我国气候较温暖的南方地区, 可以适当采取一些绿化措施, 保护生态环境的同时, 促进生物多样化。

2.3 优化建筑结构暖通空调系统节能环保设计

建筑结构暖通空调系统中热源设计也关系着节能环保, 设计师必须参考相关热源标准, 合理安装暖通空调设计, 实现节能环保要求。目前, 我国建筑工程中使用的机组制冷性能系数如表1所示。

从表1中可以看出, 暖通空调系统的类型比较丰富, 在节能环保设计中, 应尽量遵循“绿色、安全”的理念, 在保护环境和建筑质量的前提下, 优化空调安装位置, 注重热源系统的设置, 从房屋建筑整体角度出发, 改善房屋供暖系统。

2.4 注重建筑结构细节绿色节能环保设计

建筑结构细节绿色节能环保设计, 主要包括墙体设计和门窗设计。从墙体设计的角度分析, 应注重墙体隔热设计和保温设计: (1) 对于墙体隔热设计, 建筑单位必须慎重选择隔热材料, 以高质量的隔热材料为节能环保提供保障, 在设计隔热环保结构时, 可以选择空气层隔热法, 其具备造价较低、节能效果较好的优点, 以空气为基础, 利用减低传热达原理, 实现绿色节能; (2) 对于墙体保温设计, 防水层是节能环保的重点, 在设计建筑墙体时, 应使用合格的保温材料, 减少太阳辐射, 保护房屋细节结构, 降低自然环境对墙体损害。此外, 房屋结构内部保温环保设计也比较关键, 也需要加入相关保温材料, 避免降水对房屋建筑的影响;从门窗设计的角度分析, 建筑结构中门窗是散热的重要渠道, 也关系着绿色节能环保设计, 目前, 主要的节能设计是计算门窗和墙体的面积比例, 合理确定门窗安装位置, 同时可以引入节能玻璃, 其优点主要有保温效果、隔热效果好。建筑单位在选取门窗材料时, 应注意材料本身的环保性能。

3 结束语

综上所述, 在优化建筑结构设计中贯彻绿色节能环保理念, 能有效节约建筑人力、物力资源, 对保护环境、减少浪费具有很重要的意义。建筑单位应不断加大对绿色节能环保的重视程度, 从工程图纸设计、整体构造和内部使用功能等方面加入结构优化设计, 遵循科学发展观和可持续发展理念, 利用新型环保材料, 合理配置施工资源, 坚持统筹生态效益和经济效益的关系, 加强对施工过程监督力度, 提升施工人员的环境保护意识, 贯彻实施绿色节能环保结构设计, 结合工程实际需要, 实现真正意义上的环保。

参考文献

[1]吴钢, 李文虹.为城市生活创造美好的明天——也谈建筑创作实践中的绿色环保设计理念[J].中国住宅设施, 2014, 02:114~122.

[2]李玉心.绿色理念在建筑暖通空调系统节能设计的应用探讨[J].知识经济, 2014, 12:106.

混凝土的结构设计 篇4

一、结构计算应注意的问题

1.计算中对是否点取“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”选用不当。在计算中应采用符合实际情况的楼板刚度计算假定;当结构存在楼板开大洞、不连续、弱连接等情况, 不符合刚性楼板假定时, 应采用“弹性楼板假定”计算, 同时地震作用应采用总刚分析方法计算;而计算结构的位移比时, 则应选用“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”进行补充计算。

2.在计算框架结构、框架—剪力墙结构、带转换层的结构时, 计算层刚度比选用“剪切刚度”不妥, 宜选用“剪弯刚度”计算各层侧向刚度比。

3.在输入风荷载信息中, 结构基本周期取值与结构计算第1周期相差过大。结构基本周期可直接取用经计算得到的结构第1周期数值填入, 再对结构重新计算, 以使结构风荷载的计算更为准确。

4.多层混凝土结构整体计算, 当楼层的弹性水平位移比大于1.3时, 仍未计入双向水平地震作用下的扭转影响。

5.计算有斜交抗侧力构件的结构, 当其斜交角度大于15°时, 未增加相应斜向抗侧力构件的水平地震作用计算。

6.在结构整体计算时, 设计未考虑最不利地震作用方向的影响。地震沿着不同方向作用时, 结构的地震反应一般也不同, 当计算给出的最不利地震作用方向与计算方向的夹角较大时, 设计人员应将最不利地震作用方向作为附加地震作用方向, 验算该方向的地震作用对整体结构的影响。

7.计算竖向不规则结构时, 要注意是否有薄弱层。当某层结构的抗剪承载力小于其上一层的80%, 不符合规范要求, 设计需在计算总信息中强制定义此层为薄弱层, 以使计算能够按照规范规定增大薄弱层的地震剪力。

8.计算柱、墙和基础时, 设计忽略了实际活荷载折减系数与程序内定值的不同, 未进行人工调整。

二、其他计算应注意的问题

1. 计算框架或框架—剪力墙结构时，当框架梁与柱偏心较大(偏心距大于柱宽的1/4)时，设计未采取结构措施考虑梁柱偏心对节点核心区的不利影响。构造上可在梁支座处采取增设水平加腋措施，也可适当减小柱的轴压比控制值，提高框架柱延性;设计应特别注意，在9度抗震设计时，高层建筑不应采用梁柱偏心较大的结构。

2. 计算长悬臂结构时忽略了竖向地震作用影响。竖向地震作用标准值：在8度和9度地震区可分别取该结构重力荷载代表值的10%和20%。

3. 结构整体计算时，楼梯间荷载一概按等效均布荷载输入，使有些情况下计算分配至楼梯周边梁上的荷载与实际受力相差很大，造成某些楼梯边梁不满足设计要求;尤其计算自动扶梯边梁时，必须按照厂家提供的荷载作用计算。

4. 在计算有较小高差的楼板配筋时，对板在高差处的支座按简支模型计算和配筋。

5. 在设计纯地下室顶板上支立的挡土墙或游泳池侧壁墙体等结构时，计算不仅应注意墙体本身应满足承载力要求，同时应考虑墙体根部外力对下部支撑结构的影响，满足节点平衡的受力要求。

6. 在设计挡土墙时，应注意区分不同计算工况的荷载分项系数。应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，并采用相应荷载分项系数。

7. 在计算建筑物的地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用。

8. 设计高层建筑带大底盘裙房的地基基础时，当高层建筑主楼和大底盘基础质量偏心较大时，可分别计算主楼与裙房的基底压力，并应分别满足地基承载力要求，同时应控制主楼和裙房的基础差异变形。

三、结构构造应注意的问题

1. 地上结构

(1)在设计中，经常遇到结构平面凹凸不规则、楼板不连续等情况，使结构平面出现细腰、弱连接部位;这种情况除计算考虑弱连接楼板变形影响外(如考虑弹性楼板计算)，构造上应对弱连接部位的梁板采取相应的加强措施。

(2)建筑疏散楼梯是结构抗震的重要构件，一般楼梯板为拉弯或压弯构件，建议设计考虑设置板面构造拉通钢筋。由于楼梯斜板对混凝土框架结构的影响较大，建议计算考虑其影响。

(3)在设计各种弧形梁、板时，要注意在转弯处放射钢筋间距对内弧边和外弧边是不同的，甚至相差很大;设计时要注意标注钢筋间距所参照的位置，控制最大箍筋间距，一般可按外弧边计算和控制放射钢筋间距。

(4)设计时要注意对框架短柱及一、二级抗震等级的框架角柱的箍筋应沿柱全高加密;很多设计仍然忽略了这类构件，未按规范要求加强这类框架柱的抗剪能力。

(5)当框架连续梁相邻两跨的梁跨度相差较大时，注意大小跨间的梁支座受力应满足弯矩平衡要求，对小跨支座纵向受拉钢筋长度应满足相邻长跨要求。

(6)高层剪力墙结构的连梁设计，当连梁高度大于700mm时，设置的连梁腰筋直径小于10mm，不满足混凝土高规要求，应按规范要求调整。

(7)高层建筑抗震设计时应注意对下列结构构件的抗震等级按规范规定提高： (1) 部分框支剪力墙的高层建筑，当转换层的位置设置在3层及3层以上时，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜提高一级采用; (2) 带加强层的高层建筑，加强层及其相邻层的框架柱和核心筒剪力墙的抗震等级应提高一级; (3) 错层高层建筑，错层处的框架柱和剪力墙的抗震等级应提高一级; (4) 连体高层建筑，连接体及与连接体相邻的结构构件的抗震等级应提高一级;以上提高原则当抗震等级为特一级时则不再提高。

(8)框架—剪力墙结构，应注意对单片剪力墙在每层的墙顶设置边梁或暗梁，并与单片剪力墙的端柱组成剪力墙的边框，以提高剪力墙的变形和耗能能力。

(9)剪力墙结构在角部设有转角窗时，应对角窗部位的结构构件适当加强。如角窗处楼板适当加厚，且双层双向通长配筋;也可在角窗处板内加设斜向暗梁或斜向配筋，斜向钢筋锚入角窗两边的边缘构件;角窗两边的边缘构件适当加强。

(10)剪力墙或框架—剪力墙结构设计，当剪力墙墙肢与其平面外方向较大跨度的楼面梁连接时，应减小梁端部弯矩对墙的不利影响;根据具体情况，计算可考虑适当调幅梁支座弯矩，或模型计算按梁与墙肢铰接连接，相应加大梁跨中弯矩。

2. 地下结构与基础

(1)无地下室的框架结构，对于底层框架柱的设计应按规范要求增设箍筋加密区。

(2)桩基础设计，单桩承台未在两个互相垂直方向上设置联系梁;有抗震要求的柱下独立承台未在两个主轴方向设置联系梁。

(3)当地基梁底面设置在冰冻线以上，且梁底土为冻胀性土时，设计应采取构造措施避免土体冻胀后使地基梁产生反拱影响。设计可根据地基土的冻胀性，对地基梁下一定厚度冻胀土采用非冻胀性的砂、砂石换填夯实;也可在地基梁与其下的冻胀土之间预留50～200mm的空隙，空隙两侧采用砌体封堵。

(4)在设计独立柱基础，当基础宽度≥2.5m时，基础钢筋长度宜按0.9基础宽度交错布置，为开发商节省基础投资。

(5)在设计基础防水板时，应注意防水板配筋除满足抗浮要求外，应满足抗弯构件最小配筋率要求，配筋率应不小于0.15%。

四、设计对施工要求及其他应注意的问题

1. 设计文件中出现指定产品生产厂家的字样是不允许的，根据设计不能指定产品生产厂家。

2. 当设计电梯及设备吊装盖板等吊钩时，应注明“严禁采用冷加工钢筋”。

3.当设计中引用标准图做法时, 宜注明图集页码、范围等, 便于施工选用并避免误选;当设计采用地方标准构件时, 应注明选用的地方标准图集号;同时注意不要采用失效版本图集。

4. 在设计无粘结预应力混凝土板时，明确预应力板的保护层厚度、对氯离子的控制和对预应力钢筋张拉的要求。

5. 在预应力混凝土构件设计详图中，应对预应力的张拉端、锚固端及预应力锚具给予表示或说明。

6.人工挖孔灌注桩属限用技术, 设计采用时应充分论证, 采取可靠措施确保施工过程安全及成桩质量, 并应给出桩的护壁大样图。当采用大直径人工挖孔桩, 且桩距较近时, 设计应注明要求施工跳挖。

7.当建设场地有降水要求时, 设计应注明对地下水的施工降水与停止降水时间要求;若有毗邻建筑物时, 应充分论证工程降水对毗邻建筑物的影响。

8.高层建筑的基础埋深, 设计应验算整体结构抗倾覆需满足规范要求, 并应对基槽回填土的压实系数及回填时间等提出要求, 加强周边土对基础的侧限约束。

混凝土结构的绿色设计 篇5

与普通混凝土相比,轻骨料混凝土在减轻建筑物总体重量、节约工程造价、促进工业废弃物循环利用方面发挥着日益重要的作用。同时,还具有好的保温、隔热和抗震性能,且无碱骨料反应危害之忧,是建造高层建筑物、大跨度桥梁的理想结构混凝土材料,因此,轻集料混凝土成为工程界近期研究的一个热点。仔细推敲《轻骨料混凝土结构技术规程》与《混凝土结构设计规范》(以下简称《轻》和《混》)两规范存在的区别,总结如下几个方面。

1 弹性模量的取值

混凝土受压或受拉的弹性模量EC应按《混》中表4.1.5采用。

轻骨料混凝土受压或受拉的弹性模量ELC可按《轻》中表3.1.6取值。

由两表对比可知,两规范中对混凝土弹性模量的取值不同。轻骨料混凝土弹性模量取值较小,这是因为混凝土的弹性模量与所采用的骨料的密度和强度密切相关。对于普通混凝土,由于采用的骨料基本都是石子和砂子,密度和强度变化不大,所以普通混凝土的弹性模量与立方体抗压强度之间的经验公式已基本得到认同,不存在过多的争议。而对轻骨料混凝土来说,由于不同种类的轻骨料密度和强度变化范围很大,配制出的混凝土的强度和弹性模量也相差很大。我国轻骨料混凝土技术性能专题协作小组建议[7,8],轻骨料混凝土弹性模量与混凝土密度和抗压强度之间的关系可用如下的经验公式:

式中,EC—轻骨料混凝土的弹性模量,MPa;

ρC—轻骨料混凝土的表观密度,kg/m3;

fcu—轻骨料混凝土的标准立方体抗压强度,MPa。

由此可见,混凝土的弹性模量与混凝土的强度和密度成正比关系,在配制相同等级的混凝土时,弹性模量的大小取决于所采用骨料的密度。由于轻骨料混凝土的表观密度小于普通混凝土的表观密度,所以轻骨料混凝土的弹性模量取值要小于普通混凝土。

2 耐久性的基本要求

《混》中一类二类和三类环境中设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表3.4.2的规定。

《轻》中一类二类和三类环境中设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表4.2.3的规定。

由两表对比可知,两规范中对混凝土最小水泥用量和最大水灰比要求不同,水泥用量多,水灰比就小,对普通混凝土来讲,由于粗骨料的强度远高于水泥砂浆的强度,所以水泥砂浆的强度成为影响混凝土的主要因素,因此,胶水比与混凝土的强度基本上是呈直线关系。

陶粒混凝土的强度与胶水比在一定的胶水比范围也是呈线性关系,但这个范围随陶粒品种的不同而不同。由于陶粒的强度有限,陶粒的强度和水泥砂浆的强度均为影响混凝土的主要因素。每种陶粒配制出的混凝土强度存在一个强度上限,当混凝土的强度接近强度上限时,陶粒的强度起着决定性作用,此时提高胶凝材料的用量,降低水胶比,其强度提高的幅度则很小,甚至不提高。但当混凝土强度低于强度上限时,砂浆的强度成为影响混凝土强度的主要因素,混凝土的强度可以通过降低水胶比,提高砂浆的强度来实现,所以在这个范围内,混凝土的强度与水胶比存在着线性关系。

具有和普通混凝土相同抗压强度的轻骨料混凝土中,由于轻骨料的强度小于普通混凝土中骨料的强度,所以具有更高的胶水比。

3 钢筋的锚固长度

轻质高强材料是现代土木工程结构发展的主要方向。近年来,高强陶粒混凝土以其独特的优势正逐步得到广泛的运用。变形钢筋与陶粒混凝土的粘结锚固性能是其工程应用基础问题。过去国内一直认为变形钢筋与陶粒混凝土的粘结锚固强度要低于同强度等级的普通混凝土[5],并且在结构设计规范中做出相应的规定:陶粒混凝土的钢筋锚固长度要比同等级普通混凝土多5d。但国外学者认为,陶粒混凝土和同强度等级的普通混凝土相比,其粘结锚固强度并不弱,甚至高于同等级普通混凝土[6]。以下是两规范中提供的数据:

《混》中第10.2.2条规定:钢筋混凝土简支梁和连续梁简支端的下部纵向受力钢筋其伸入梁支座范围内的锚固长度应符合下列规定:

(1)当V≦0.7ftbh0时,Las≧5d

(2)当V>0.7ftbh0时,带肋钢筋Las≧12d;光面钢筋Las≧15d。

《轻》中第7.2.2条规定:钢筋轻骨料混凝土简支梁和连续梁简支端的下部纵向受力钢筋其伸入梁支座范围内的锚固长度Las应符合下列规定:

(1)当V≦0.6ftbh0时,Las≧10d

(2)当V>0.6ftbh0时,带肋钢筋Las≧15d;光面钢筋Las≧20d。

式中,Las—受力钢筋伸入梁支座范围内的锚固长度,mm;

d—纵向受力钢筋的直径,mm;

V—剪力设计值,N;

ft—轻骨料混凝土、混凝土轴心抗拉强度设计值,N/mm2,

b—矩形截面宽度,T形、I形截面的腹板宽度,mm;

h0—截面的有效高度,mm。

在同样的试验条件下,多数学者的研究结果表明高强陶粒混凝土与变形钢筋的粘结锚固强度不低于同强度等级的普通混凝土。文献[4]的观点认为出现这种现象的原因,是由于与钢筋直接接触的是混凝土中的砂浆,而陶粒混凝土的砂浆强度要高于同强度等级的普通混凝土。国外有些学者也都支持这一结论,在混凝土强度等级类似的情形下,具有较高砂浆强度的试件,其粘结锚固强度更高。由于轻骨料强度较低,所以具有和普通混凝土相同抗压强度的轻骨料混凝土中,有着更高的砂浆强度。这也说明,对于相同强度等级的轻骨料混凝土,如果骨料种类不同,与钢筋的粘结锚固强度也不相同。

因此,变形钢筋与混凝土的极限粘结强度取决于混凝土中的砂浆强度的高低。换言之,对于轻骨料混凝土,尽管与钢筋的极限粘结强度与轻骨料种类有关,但总的说来,均高于相同强度等级的普通混凝土。而我国现行轻骨料混凝土结构设计规范规定,轻骨料混凝土的钢筋锚固长度要比普通混凝土多5d。试验结果表明,从极限粘结锚固强度的角度看,规范中这种规定是偏于保守的。

4 受压的应力与应变关系曲线[9]

4.1 应力-应变曲线上升段的表达式

轻骨料混凝土和普通混凝土一样,其受压时的应力-应变曲线通常由轴心受压曲线求得。应力-应变曲线由下列三个特征阶段决定:(1)曲线上升段;(2)混凝土应力刚达到fc时的混凝土压应变(即峰值应变ε0);(3)混凝土的极限压应变εcu。

在高强混凝土广泛应用之前,绝大多数国家的规范都用二次曲线方程表达混凝土应力—应变曲线的上升段,即:

考虑到高强混凝土的存在后,《混》采用公式(2)作为应力-应变曲线上升段的表达式,即:

对于≤C50的混凝土,n=2,此时(1)(2)两式完全一致;对于C80的混凝土,n=1.5;对于C55~75的混凝土,n按线性内插。

轻骨料混凝土的受压应力-应变曲线在《轻》规定按(3)取用:

式中,σ—轻骨料混凝土、混凝土压应变为εc时的混凝土压应力;

fc—轻骨料混凝土、混凝土轴心抗压强度设计值;

ε0—轻骨料混凝土、混凝土压应力刚达到fc时的混凝土压应变。

如果将(1)(3)两式广义概括,可得如下表达式:

式(4)中A等于2、1.5或其它。式(4)的几何表达见图1[9],图中曲线过原点的斜率为特征系数A,阴影部分为式(4)中的第二项。

轻粗集料的刚性、弹性模量较普通混凝土小,卸荷后弹性回弹变形大,在卸荷的混凝土内形成了较多的微裂缝,因此,轻集料混凝土的弹性回复和徐变恢复均较普通混凝土的大。也即轻骨料混凝土曲线过原点切线的斜率要小,《轻》规定A=1.5。

4.2 混凝土压应力刚达到fc时的混凝土压应变ε0

大量轴心受压实验表明,混凝土强度相同时,轻骨料混凝土的ε0比普通混凝土的大,且ε0随混凝土强度等级的提高而有所增大。对普通混凝土《混》中规定:当混凝土强度等级为C50及以下时,取ε0=0.0020,当混凝土强度等级为C80时,取ε0=0.00215,期间按线性插值。对于轻骨料混凝土《轻》中按表5.1.2取用。

5 结语

随着现代建筑技术的发展,轻骨料混凝土以其轻质、高强、隔热、保温、节能等特点在大跨结构、高层建筑、软土地基以及海上平台、移动结构等工程中有着广泛的应用前景。轻骨料混凝土因具备这些优点而成为仅次于普通混凝土的用量最大的一种新型混凝土。正确认识两种混凝土存在的差异,才能使轻骨料混凝土在结构的设计与施工中得到更充分的发挥与利用。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.轻骨料混凝土结构技术规程(JGJ12-2006).北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2]中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范(GB50010-2002).北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]詹镇峰,张传镁,刘启华.高强轻集料混凝土组成与性能的实验研究.混凝土,2005(2):32-42.

[4]李渝军,叶列平,程志军,等.高强陶粒混凝土与变形钢筋粘结锚固强度的试验研究.建筑科学,2006,22(4):51-55.

[5]麻建锁.陶粒混凝土与变形钢筋粘结锚固性能的试验研究.哈尔滨建筑工程学院硕士论文,1991.

[6]Mor,Avi.Steel-concrete bond in high-strength lightweight concrete.ACI Materials Journal,1992,89(1):76-82.

[7]赵述智,王忠德.实用建筑材料试验手册.北京:中国建筑工业出版社,1998.

[8]徐家保.建筑材料学.广州:华南工学院出版社,1994.

概念设计在混凝土结构设计中的应用 篇6

由于地震及地震效应的不确定性和复杂性以及计算模型与实际工程的差异，所以建筑的抗震设计不能仅仅依赖计算，结构抗震性能的决定因素首先取决于良好的概念设计。建筑抗震的概念设计是把地震及其影响的不确定性和规律性结合起来，按照结构的破坏机制和破坏过程，灵活运用抗震设计准则，从设计一开始就全面合理的把握好结构设计中的基本问题，包括结构布置、结构体系、刚度分布和结构延性等，并顾及关键部位的细节，力求消除结构中的薄弱环节，从根本上合理的保证结构抗震性能。

1 概念设计在结构布置中的体现

建筑设计应重视平面、立面和竖向剖面的规则性，宜选择规则的形体，其抗侧力构件的平面宜规则对称。“规则”包含了对建筑的平立面外形尺寸，抗侧力构件布置，质量分布，承载力分布等诸多因素的综合要求。规则对称的结构，人们容易估计其地震时的反应，进而容易采取抗震构造措施。所以地震区的建筑，平面形状以正方形、矩形、圆形为好，同时立面也要求采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免采用立面突然变化的阶梯形立面。但有时建筑师为了满足业主及功能要求，方案不一定符合上述要求。这时就要求我们结构设计人员头脑中有概念设计的思想，尽量采取措施把不规则结构变为符合规范要求的规则结构。比如，对于体型复杂、平立面不规则的结构，可以通过设置防震缝的方法变为规则结构。对采取措施后仍属于抗震规范规定的不规则结构，则要在地震作用计算时采取空间结构计算模型，并对薄弱部位采取加强措施。

2 概念设计在结构体系选择中的体现

高层建筑常用的结构体系有框架结构、剪力墙结构、框剪结构、筒体结构和带转换层的高层建筑结构。每种结构体系都各有其优缺点。我们结构设计人员应根据建筑使用功能、房屋高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、地基情况、结构材料和施工技术条件等因素综合分析比较，选择适合的结构体系。比如，对于7度区一个八九层的商场或医院，可以采用框剪结构和框架结构。但如果在不影响建筑功能的前提下，采用框剪结构就比框架结构更合理。首先，框剪结构有两道抗震防线，可以提高建筑物的抗震性能，同时又可以减小框架柱断面，更方便使用。再比如，对于一个高层底商住宅楼，可以选择框剪结构和带转换层的高层结构，采用哪种结构形式，就需要设计人员根据甲方要求定夺，如果甲方以住宅使用功能为主，则选择带转换层结构比较合理，住宅内部无凸出墙面的梁柱，但是商场部分柱子的断面会较大。如果甲方以商场功能为主，则采用框剪结构比较合理，但住宅部分的使用功能就会受到一些影响。

3 概念设计在结构刚度布置中的体现

一个合理的工程应是刚度布置均匀，竖向抗侧力构件截面尺寸及材料强度自下而上均匀变化，逐渐减小。刚度布置分为平面刚度布置和竖向刚度布置。平面刚度布置不均匀时，结构的刚度中心与质量中心间距较大，在水平地震作用下容易产生扭转，因此在结构方案平面布置时应使结构抗侧力体系对称布置。比如对于钢筋混凝土楼梯电梯间墙体偏置于建筑物一侧时，应在其相对的另一侧布置剪力墙，使抗侧力构件均衡布置。同时由于建筑物的质量分布很难做到均匀，即使结构是对称的，地震时结构也可能出现扭转震动，因此，侧移刚度大的抗震墙应布置在建筑物周边，以提高结构的抗扭刚度。而竖向刚度不均匀时，在刚度突变的楼层处形成薄弱层，造成结构局部变形集中，从而加速结构的破坏，甚至倒塌。并且当结构上部刚度减小较快时，会形成地震反应的“鞭梢效应”，对抗震极为不利。

4 概念设计在结构延性中的体现

结构延性是指结构承受变形的能力。延性好的结构变形能力强，吸收与耗散地震力的能力大，同时结构还保持着相当的承载能力以承受竖向重力荷载，以保持结构不倒塌。提高结构延性最有效的办法是，有选择地重点提高结构中的重要构件以及某些构件中关键部位的延性。在设计时有意识地设置一系列有利的屈服区，使这些并不危险的部位首先形成塑性铰，将塑性铰控制在一些有利部位从而保护主要承重体系。同时结构中所形成的塑性铰越多，塑性变形发展的过程就越长。结构的塑性变形量越大，结构的延性就越好。提高结构的延性首先要提高结构中关键构件的延性，关键构件是指多道抗震防线的抗侧力体系中作为第一道防线的构件，比如框架—核心筒结构中的框架柱，框架—抗震墙结构中的抗震墙，筒中筒结构中的内筒。其次要提高结构中薄弱部位的延性，如带大底盘高层结构的主楼与裙房顶面相衔接的楼层构件，竖向不规则结构体型突变处的楼层构件。提高结构延性的措施有:减小竖向构件的轴压比;减小梁受压区高度;提高构件的受剪承载力，避免剪切破坏先于弯曲破坏;加强箍筋，避免混凝土的压溃先于纵筋的屈服等。

总之，概念设计贯穿于结构设计的全过程，它不仅在结构设计初期、方案定案阶段起着重要的作用，同时也体现在结构计算过程中，在普遍用计算机进行辅助设计的今天，只有头脑中有概念设计的正确理念后，才能在计算机输入模型时，正确地填写各项参数，使计算假定与实际工程相符，才能对计算结果的合理性进行判断，同时概念设计也体现在结构的构造设计中，如构件尺寸的确定，轴压比，纵筋配筋率，箍筋配筋率，钢筋的直径间距等。

一个合理的工程必然是强度、刚度和延性的均衡组合。这些都要从概念设计上考虑。在此基础上再结合准确的计算和构造措施，才能得到一个满意的工程。如果不重视概念设计而过分强调计算的准确性，对结构抗震不仅没有必要，而且还可能在概念设计中出现不当，甚至错误。

摘要：介绍了概念设计的含义,对概念设计在结构设计过程中的作用及体现方式进行了论述,指出了概念设计是做好结构设计的重要条件,只有首先重视概念设计,同时结合准确的计算和构造措施,才能得到一个科学、合理、安全的工程。

关键词：概念设计,抗震,刚度,延性

参考文献

[1]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

混凝土结构后浇带的设计 篇7

后浇带的位置应选择在内力较小的部位, 一般应从梁、板的1/3跨处、纵横墙相交处或门洞口的连接处通过, 后浇带应贯通整个结构的横截面, 以将结构划分为几个独立的部分。如果钢筋不截断, 只是硷断开, 则可直接通过一个开间;如果钢筋断开, 为防止在同一截面出现钢筋焊接接头, 则不宜直接通过一个开间。

2 后浇带的形式

后浇带的形式有平直缝、阶梯缝和企口缝3种 (见图1) 。平直缝的特点是施工时模板安装与拆除简便, 常作为事故性处理方法或应用于厚度较薄的工程中, 值得注意的是渗水路线短, 后浇带的界面结合质量不易保证。阶梯缝的特点是支模简单, 拆除较容易, 抗渗路线延长, 混凝土结合垂直于水压方向, 界面结合质量容易保证, 抗渗性好, 后期施工清理容易。企口缝的特点是混凝土结合面也垂直于水压方向, 界面结合面较好, 抗渗路线延长, 但这种后浇带形式支模较费工, 浇筑时又不易密实, 是死角, 而且拆模清理困难, 成型后还应注意保护边角, 如疏忽就将影响后期施工接缝质量;在较厚的大体积混凝土中可采用, 在较薄的混凝土结构中不宜采用。考虑支模方便, 超长钢筋混凝土结构的板一般较薄, 宜设置为平直缝;当梁高较低 (≤600mm) 时宜设置成阶梯缝, 当梁高较高 (>600 mm) 时宜设置成企口缝。

3 后浇带内钢筋的布置

当贯穿后浇带的钢筋全部采用搭接时, 后浇带中的钢筋不会产生约束拉力。但事实上梁底纵筋数量较多时, 全部截断采用搭接方法也不合理, 尤其当梁底钢筋数量较多时将难于操作。因此, 下面针对具有一定纵向连续钢筋的情况进行讨论。

假定在后浇带内钢筋全部截断的情况下, 由于相邻分区的楼面收缩 (包括自身收缩和温度收缩) 使后浇带所在跨的跨距被拉开的距离为Δ (此Δ只包含直接引起约束拉力的跨度变化, 不包含相邻楼层的同向收缩) , 可以建立如图2所示的分析模型。在该模型中考虑了实际可能采取的反拱值δ。为便于分析, 假定后浇带处于跨中位置。

由于模型的对称性, 可以简化为如图2b) 所示的受力情形, 即偏拉杆件模型。连续钢筋总面积用As代表, 钢筋总拉力为T, 其作用点在总钢筋的重心位置, 距离梁底的距离为as, 总拉力T的值可以由力法求解。得:

其中:EA、EI分别为梁段的抗拉刚度和抗弯刚度;

Es、sA分别为钢筋的弹性模量及连续贯穿后浇带的钢筋总面积;

对上式进行分析可以知道, 穿越后浇带的连续钢筋面积越大, 则约束拉力T越大;总钢筋的重心位置as越高, 约束拉力T也越大;后交缝宽度b越大, 则约束拉力T越小, 混凝土越不容易开裂;约束拉力的大小反映了后浇带的抗裂效果, T越大, 则后浇带的抗裂效果越差, T越小, 则设置后浇带后结构开裂的风险越小。

目前, 对后浇带内梁纵向钢筋处理有两种做法:

第一种:梁板钢筋均断开后搭接 (“高规”要求) , 但由于梁钢筋搭、焊接处理困难, 质量不易保证, 易给结构造成隐患。

第二种:板钢筋断开, 梁钢筋直通不断。目前工程采用较多, 但由于梁截断较多时, 钢筋全部不断开会约束混凝土收缩, 达不到预期效果。

建议:梁上部钢筋、腰筋及板墙钢筋断开后错开搭接或必要时先搭接后补焊。梁下部钢筋不断开, 可适当加大配筋。这样既可大大减小梁钢筋全部不断开对混凝土收缩形成的约束, 又可避免梁钢筋全部断开后造成的钢筋搭、焊接困难, 这种处理方法笔者自1993年以来已在一些工程中较好地进行了使用。

参考文献

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制.北京:中国建筑工业出版社, 1997.