混凝土结构基本设计原则范文第1篇

关键词：中国规范GB50010-2010；美国规范ACI 318-05；设计原理；差别

中图分类号： S611 文献标识码： A

混凝土结构设计是一门科学，它必须符合力学原理，所以不同设计规范之间必然有其共同点。我国和美国有着不同的社会发展历史和背景，混凝土规范作为多年研究成果和经验积累的技术文件，自然又有着很多不同和差异。了解这些不同和差异，对促进我国混凝土结构设计方法的发展具有重要意义。本文就一些主要的方面进行讨论。

一、基本原则

基本原则是制定混凝士结构设计规范的出发点，是一个国家或地区技术政策的其体体现。无论是我国还是美国，安全、适用、耐久、经济和确保质量都是最基本的原则。当然，安全和经济是一对不可调和的矛盾．所谓既安全又经济，是与一个国家的经济发展水平相适应的，或者说是在一个国家经济发展水平上的对立和统一。

二、混凝土材料和耐久性

混凝土是混凝土结构的主要建筑材料，也是用量最多的材料。在混凝土结构设计中，不仅要关心其力学性能，其物理和化学性能也是非常重要的，特别是作为胶凝材料的水泥，近年世界各国突现的耐久性问题就向人们展示了这一点。我国和美国标准中，水泥品种的分类方法和类别有所不同，各种组分的含量要求也不同，但从功能上讲基本是一致的。不同的水泥品种主要是用于不同的场合，其中应用最多的是硅酸盐水泥（波特兰水泥）。

在耐久性方面，美国规范ACI 318-05比我国规范GB50010-2010详尽一些。美国规范将耐久性单列一章，但没有明确对混凝土结构所处环境的类别进行分类，而是直接规定了不同环境和情况对混凝土材料的规定。在耐久性设计中，根据环境类别的不同再确定需要采取的措施，根据等级的不同确定各种指标控制的严格程度。中国归案的环境类别划分比较笼统。

三、混凝土及钢筋的物理力学性能

在混凝土结构中，混凝土和钢筋的主要功能是承重。所以其物理和力学性能非常重要，这也是为什么人们起初重视其力学性能而忽视其耐久性能的缘故。对于混凝土抗压强度，我国采用立方体试件确定强度等级，采用棱柱体试件确定轴心抗压强度，用轴心抗压强度作为设计的力学指标。美国采用圆柱体试件确定混凝土的抗压强度，并作为设计的力学指标。对于抗拉强度，我国采用棱柱体试件进行轴心受拉试验或立方体试件进行劈拉试验确定混凝土的抗拉强度，用轴心抗拉强度作为混凝土设计的力学指标。美国不直接采用抗拉强度指标，在与混凝土受拉有关的计算中，采用抗折强度。

在混凝土结构设计中，我国规范规定了混凝土强度的标准值和设计值，美国规范只采用规定的值。在我国规范和美国规范中，同等级混凝土的弹性模量、剪变模量和泊松比取值相近。

我国常用的普通钢筋的牌号为HPB300、HRB335、HRB400和RRB 400．美国常用的普通钢筋的等级为40级(280MPa)，60级(420MPa)和75缎(520MPa)。关于钢筋屈服强度取值的方法，对于有屈服点的钢筋，我国标准按应力一应变关系曲线的屈服点确定，对于没有屈服点的钢筋，按应力一应变关系曲线上残余应变为0.2％对应的应力确定。美国标准有屈服点钢筋屈服强度的取值方法与我国相同，对于没有屈服点的钢筋，按应力一应变关系曲线上应变为0.35%时的应力确定。

四、设计基础与原理

设计基础是指混凝土结构设计采用的基本方法。从力学模式讲，我国和美国采用的都是极限状态设计法，包括承载能力极限状态（美国称强度极限状态）和正常使用极限状态。从概率方法的应用讲，我国规范采用的是基于可靠度的设计方法；美国规范ACI 318-02及ACl 318-05采用了ASCE7的荷载系数，而ASCE 7的荷载系数是经可靠度分析确定的，这意味着ACI 318-02及ACI 318-05也是基于可靠度的设计方法。在实用设计表达式上，我国规范和美国规范均是多系数形式。在作用方面，我国规范的表达式由作用标准值、作用分项系数和组合系数组成，用组合系数反映不同作用组合；ACI 318-015规范由规定的荷载值和荷载系数组成，不同荷载组合时的荷载系数不同。在抗力方面，我国规范采用材料强度设计值（标准值除以材料分项系数），美国规范采用规定的材料强度和强度折减系数（对整个抗力项。而不是材料强度）。

五、结构分析

结构分析是计算结构内力和变形的方法和过程。由于混凝土结构不同于力学计算中的理想结构，如由钢筋与混凝土两种材料组成，混凝土开裂后刚度降低，构件的塑性性能会使结构内力发生应力重分布等，不能直接采用经典的力学方法，而是根据混凝土结构的特点进行修改。我国规范和美国规范均规定混凝土结构可按线弹性方法、考虑内力重分布的分析方法和塑性分析方法。而对于不能按杆系分析的混凝土结构或构件，美国规范规定可按压杆-拉杆模型分析和计算，是国外混凝土结构设计方法的一个新发展。对于混凝土结构和构件的二阶效应，我国规范只考虑有侧移的情况，美国规范按无侧移和有侧移两种情况考虑。我国和美国规范规定可直接通过考虑结构几何非线性效应的分析方法计算，也可在一阶分析的基础上，考虑弯矩增大系数近似计算。在弯矩增大系数法中，我国规范的计算方法比较简便，美国规范的计算方法比较复杂，计算中与钢筋的面积有关。所以按美国规范计算偏心受压构件的配筋时，要先假定钢筋面积，再验算承载力。

六、受弯和受压构件承载力计算

混凝土结构受弯和受压构件承载力计算属于正截面计算的内容。从基本假定和计算方法上．我国规范和美国规范没有大的差别。以界限（或平衡）相对受压区高度为判别条件，我国规范的正截面破坏包括由受拉钢筋控制的受拉破坏和由受压混凝土控制的受压破坏两种形式。按构件最外层受拉钢筋净拉应变εt的大小，美国包括受拉控制截面、受压控制截面和过渡截面三种情况，三种情况的强度折减系数不同，过渡截面的强度折减系数随εt而变化。我国规范以界限配筋率作为最大配筋率，美国规范的最大配筋率要小于界限（或平衡）配筋率。

七、受剪和受冲切承载力计算

混凝土结构的受剪破坏与受冲切破坏具有相似的特征，受剪破坏可以看作是一维剪切问题，受冲切破坏可以看作是二维剪切间题。对于无腹筋的钢筋混凝土构件，美国规范考虑了纵向受拉钢筋的影响（美国的简化计算方法不考虑），我国规范不考虑。对于有腹筋的钢筋混凝土构件，我国规范和美国规范采用了混凝土受剪和腹筋受剪承载力之和的形式。对于无不平衡弯矩受冲切承载力的计算，我国规范的计算方法与美国规范的计算方法相近。我国和美国规范冲切面按与水平面45°夹角扩散。

混凝土结构是我国工程建设中应用最广泛的一种结构，在现代化建设中起着重要作用，随时了解美国设计规范中新的方法，对促进我国混凝土结构理论和设计水平尽快达到国际先进水平具有重要意义。

参考文献：

[1] GB 50011-2010混凝土结构设计规范

[2] BUILDING COODE REQUIREMEMENTS FOR STRUCTURAL CONCRETE(ACI318-05) AND COMMENTARY(ACI 318R-05)

混凝土结构基本设计原则范文第2篇

钢筋混凝土结构是土木、水利类专业的一门重要技术基础课程。《混凝土结构设计规范》对混凝土结构设计、施工、监理等工作的基本理论、技能和方法作了规范要求。随着《混凝土结构设计规范》（2010版）的修订出版，急需依照新规范的要求对教学内容进行调整和更新。文章通过新旧规范的对比分析，准确把握规范的修订背景和原则，并详细列举了对课程学习和工程设计有重要影响且需要调整的教学内容，对准确理解和贯彻规范要求，具有一定的指导意义。

关键词：钢筋混凝土结构；设计规范；教学内容

中图分类号：G423.04 文献标志码：A 文章编号：

10052909（2013）04005504

钢筋混凝土结构从19世纪中叶开始采用以来，发展极为迅速。特别是近20年来，随着高强度钢筋、高强度高性能混凝土（强度达到100 N/mm2）以及高性能外加剂和混合材料的研制使用，高强高性能混凝土的应用范围不断扩大，混凝土结构的应用范围也在拓展，已从工业与民用建筑、交通设施、水利水电建筑和基础工程扩大到近海工程、海底建筑、地下建筑、核电站安全壳等领域，甚至已开始构思和实验用于月面建筑。随着轻质高强度材料的使用，在大跨度、高层建筑中的混凝土结构将越来越多[1]。

钢筋混凝土结构是土木、水利类专业的一门重要技术基础课程。学习该课程的主要目的是，掌握钢筋混凝土结构构件设计计算的基本理论和构造知识，为学习有关专业课程和从事钢筋混凝土建筑物的结构设计打下牢固的基础[2]。《混凝土结构设计规范》（以下简称《规范》）是对混凝土结构设计、施工、监理等工作的基本理论、技能和方法的规范要求。钢筋混凝土结构课程应对《规范》作全面准确的讲解，根据技术、经济条件的发展，《规范》也会经常被修订和调整。因此，要学好这门课程，必须紧密结合《规范》内容，了解《规范》修订的背景和原则，掌握修订、增加的内容，才能在以后的工作中更好地执行。2011年7月最新的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）开始执行。本文通过新旧《规范》的对比分析，准确把握《规范》的修订背景和原则，详细列举对课程学习和工程设计有重要影响和需要调整的教学内容，对准确理解和贯彻《规范》要求具有一定的指导意义。

一、2010版《混凝土结构设计规范》修订背景及原则

为落实“以人为本，安全第一”的结构设计原则以及“节能、降耗、减排、环保”的基本国策，实现资源、能源的可持续发展，经过4年修订，《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010） [3]

于2011年7月开始执行。本次《规范》的修订主要有以下背景值得关注：（1）中国正处于经济高速发展时期，基础建设规模宏大，混凝土结构在建筑业中所占比重极大；（2）混凝土结构需要消耗大量的钢筋和水泥，而这些材料会大量消耗资源和能源，并引起环境污染等问题；（3）从“四节一环保”的角度，必须尽快解决上述问题，而其唯一出路是使用高强—高性能的材料；（4）为提高建筑的安全性和防灾能力，根据“以人为本”的原则，拟提高结构的安全度设置水平及抗灾能力；（5）为保证可持续发展，需要提高混凝土结构的耐久性及既有结构的使用率。2010版《规范》，反映了近年来混凝土结构的科研成果、技术发展以及工程经验，适当提高了结构的安全水平与抗御灾害的能力，强化了结构的耐久性，提高了材料的利用效率。

2010版《规范》修订的基本原则是“补充，完善，提高，不做大的改动”[4]。因此，2010版《规范》的理论体系和基本框架与上一版保持一致，只是在结构设计方案、材料级别、设计规定等方面进行了补充和调整。这一点对学习和掌握2010版《规范》是非常重要的。

二、根据2010版《规范》所调整的课程内容

通过对比2010版和2002版《规范》，2010版《规范》对钢筋混凝土结构基本理论有重要影响的主要内容有如下六个方面，需要在教学中进行修订和调整。

（1）增强规范的完整性，从以构件计算为主适当扩展到整体结构的设计，强调结构方案的重要性，增加“结构防连续抗倒塌设计”的原则。2002版《规范》偏重截面配筋计算和构件设计，而完整的设计应包括结构方案、内力分析、截面计算、构造措施四个层次，它们对结构安全的影响是依次递减的关系。2010版《规范》特别增加了“结构方案”一节，由“构件计算”扩展到“结构设计”。强调结构选型、体系组构、构件布置、均匀规则、传力途径、冗余约束、缝的分割、连接构造、方便施工、综合功能等要求。同时强调结构整体稳固性或鲁棒性（Robustness）的重要性。该项修订内容对转变设计理念，即从传统强调构件设计甚至截面设计向结构设计的转变，起到了重要的推动作用。然而由于历史的原因，过去的规范缺少对这方面内容的强调。

在高等学校的钢筋混凝土结构课程教学中，应进行这一观念的教育和灌输，提高和加强学生对结构安全的认识。

传统设计只考虑“三正常”（正常设计、正常施工、正常使用）条件下，以构件截面钢筋屈服或混凝土压碎作为破坏标志，实际上这只是单一构件的“强度问题”，属于结构安全的较低层次。近年来发生的天灾（地震、洪水、台风、冰灾等）、人祸（爆炸、撞击、火灾等）偶然作用引起的构件解体、结构倾覆、建筑倒塌等造成巨大的生命、财产损失，这才是威胁结构安全的最大隐患[4]，应引起重视。图1即为网上流传的上海某小区新建住宅楼由于桩基折断造成整栋楼倾覆的照片。

（2）完善耐久性设计，调整钢筋保护层厚度。耐久性设计按正常使用极限状态控制，表现为：钢筋混凝土构件表面出现锈渍或锈胀裂缝；预应力筋开始锈蚀；结构表面混凝土出现可见的耐久性损伤（酥裂、粉化等）。图2为一锈蚀严重的钢筋混凝土柱。由于影响混凝土结构材料性能劣化的因素复杂，规律不确定性很大，目前一般建筑结构的耐久性设计只能用经验性的方法来解决。2010版《规范》对影响混凝土结构耐久性的环境类别进行了更为详尽的分类。环境对混凝土结构耐久性的影响分为：正常环境、干湿交替、冻融循环、氯盐腐蚀四种；

对应此四种影响，2010版《规范》提出了控制混凝土水胶比、强度等级、氯离子含量和含碱量的要求，删去了2002版《规范》中对于最小水泥用量的限制，这是由于近年来胶凝材料及配合比设计的不确定性变化太大，故不再作统一要求；耐久性设计对服役期房屋建筑的使用提出要求，即按规定的功能正常使用，并经常维修，定期检测，这是保证混凝土结构耐久性及应有功能的必要条件。

2010版《规范》以耐久性要求定义混凝土保护层，特别是最小保护层厚度确定原则的重要变化，必须要在教学中体现和重点强调。如果仍然按照原规范、旧教材进行授课，将给学生带来错误的概念。2010版《规范》规定最小保护层厚度是从最外层钢筋（箍筋、构造筋等）计算，而原《规范》则是从纵向受力钢筋计算，这可以说是钢筋混凝土结构设计中的一次重大变化。

关于混凝土保护层厚度的作用，主要体现在以下三个方面：①锚固作用，握裹钢筋，实现钢筋与混凝土的变形协调；②保护作用，保护钢筋免遭水、氧气、酸性物质、氯离子等有害物质的腐蚀；③耐火作用，延长钢筋的耐火时间。在设计中，按锚固、保护、耐火要求，混凝土保护层厚度越大越好，但保护层厚度增大，截面有效高度减小，构件的承载力降低，裂缝宽度也将加大，可见这是一对矛盾。因此，2010版《规范》根据环境类别、构件类型，适当提高了混凝土保护层的最小厚度。环境分三类五档，构件分面（板、墙）、线（梁、柱、斜撑）两类，面构件保护层厚度小，线构件保护层厚度大。

（3）斜截面抗剪承载力计算公式的调整。2002版《规范》的受剪承载力设计公式分为集中荷载独立梁和一般受弯构件两种情况，较国外多数国家的规范繁琐，且两个公式在临近集中荷载为主的情况附近计算值不协调，且有较大差异，见图3所示的两条虚线。因此，2010版《规范》将两个公式改为一个公式。但考虑到中国的国情和规范的设计习惯，且过去规范的受剪承载力设计公式分两种情况用于设计也是可行的，此次修订实质上仍保留了受剪承载力计算的两种形式，只是在原有受弯构件两个斜截面承载力计算公式的基础上进行了改整。具体做法是混凝土项系数不变，仅对一般受弯构件公式的箍筋项系数进行了调整，由125改为10。 这意味着若要保持相同的抗剪承载力，需要增加配箍量。试验研究和调查对比都表明，中国规范中的抗剪承载力安全度设置水平偏低。因此，对影响安全的短板适当加长，可以提高结构的整体安全度水平。

（4）完善受压构件自身受压挠曲弯矩增大的二阶效应（P-（）的计算方法。2010版《规范》将原《规范》的偏心距增大系数方法（（-ei）改成现在的弯矩增大系数法（（ns-M），即通过考虑受压构件端弯矩增大的方法考虑构件的挠曲二阶效应。这种修改对偏心受压构件的承载力计算造成较大的影响，并引起配筋的较大变化。考虑二阶效应的条件是：当偏心受压构件两端弯矩比及轴压比都不大于0.9，且其长细比也不大时，构件的自身挠曲不可能很大，可以不考虑自身挠曲二阶效应，否则就应考虑二阶效应产生附加弯矩的影响，《规范》对此作了具体的规定。因此，2010版《规范》关于受压构件承载力计算的内容，必须进行全面调整，原《钢筋混凝土结构》教材中关于偏心受压构件的内容以及例题和习题都需要重新编写。

（5）2010版《规范》强调应用高强材料。这种材料能够显著提高构件的承载力，但会对正常使用极限状态的验算带来一些问题。比如受弯构件挠度的增加，混凝土裂缝宽度的加大，甚至会变成结构设计的控制因素，成为高强钢筋应用的最大障碍。因此，裂缝宽度的验算是本次修订的重点和必须解决的关键问题。经过对国内外规范标准的分析对比，以及对采用400 MPa、500 MPa级高强钢筋配筋构件的系统试验研究，2010版《规范》修订采用了以准永久组合降低荷载效应和修改计算公式调整系数取值的两条途径解决上述问题。对裂缝控制等级为三级的钢筋混凝土构件，选荷载的准永久组合进行裂缝宽度和挠度验算，而预应力混凝土构件未变。裂缝宽度计算公式也进行了调整，钢筋混凝土受弯和偏心受压构件的构件受力特征系数由2.1调整为1.9。

（6）根据节材、减耗及性能的要求，2010版《规范》淘汰了低强钢筋，强调应用高强、高性能钢筋。并根据混凝土构件对受力的性能要求，说明了各种牌号钢筋的用途。根据国家的技术政策，增加500 MPa级钢筋的使用；推荐

400 MPa、500 MPa级高强钢筋作为受力的主导钢筋；限制并准备淘汰335 MPa级钢筋；淘汰低强的235 MPa级钢筋，代之以300 MPa级光圆钢筋。另外，2010版《规范》明确规定，梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，梁、柱纵向钢筋不能采用HRB335级钢筋。因此，教材中大量采用HRB335级钢筋的例题和习题都需要进行重新设计和调整。

三、结语

针对2010版《规范》的修订内容和修订背景，笔者在教学中，以2010版《规范》为指导，重点增加了结构整体性和防连续倒塌设计、结构耐久性设计、斜截面抗剪承载力计算公式、受压构件挠曲二阶效应、裂缝宽度验算调整和高强材料的推广等内容，以便准确把握和贯彻2010版《规范》要求，确保学生的学习效果。

参考文献：

[1] 东南大学，天津大学，同济大学. 混凝土结构：上册—混凝土结构设计原理[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 王立成，刘毅.专业课程教学中创新思维的培养途径研究[J].大连理工大学学报：社会科学版，2009，30（S2）： 22-24.

[3] GB 50010—2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4] 徐有邻.混凝土结构设计原理及修订规范的应用[M].北京：清华大学出版社，2012.

Analysis on the teaching contents of reinforced concrete structure based on the code for design of concrete structures 2010

WANG Licheng

（School of Civil Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， P. R. China）

Abstract：

混凝土结构基本设计原则范文第3篇

【关键词】劣化；耐久性；渗透性；碳化；碱骨料反应；冻融循环；钢筋保护层

1、耐久性设计的理由

混凝土的耐久性是在外部和内部不利因素的长期作用下，保持其原有设计性能和使用功能的性质，在各种多样性的使用环境下抵抗各种物理和化学作用破坏的能力。结构的设计使用年限通过安全性、适用性和耐久性来实现。而耐久性是实现预期使用年限中适用性和安全性的基础。因混凝土耐久性不足而引起结构性能劣化，造成各种损失、降低建筑物的使用寿命，混凝土劣化是内外因素及相互作用的结果，主要表现为：

混凝土中的气体、液体和离子在渗透、扩散和迁移中使得渗透性对结构性能有本质的影响；多孔-裂缝-缺陷间有着复杂的联系，是水灰比、水泥用量、掺合料、骨料、外加剂与成型工艺、养护条件综合作用的结果。环境的物理化学作用对混凝土有劣化作用，如材料与环境的磨损、冲蚀、荷载、温度作用外，土壤和地下水中存在的硫酸盐等腐蚀性介质导致混凝土膨胀和开裂，增大了渗透性，加速了混凝土的劣化。空气中二氧化碳气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低即混凝土碳化，又称作中性化，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护，促成钢筋开始生锈。严重的锈蚀膨胀使钢筋与混凝土黏结衰减失效、随着混凝土保护层开裂甚至脱落，钢筋的锈蚀加剧，进一步促使混凝土的劣化。北方严寒地区混凝土中结冰的水会体积膨胀而过冷的水会发生迁移，产生的压力会引起混凝土开裂和剥落，而温度回升后冰随着融化更多的水被吸入裂缝中，这种冻融与渗透性加速了混凝土劣化，而除冰盐在北方地区的使用带来对混凝土耐久性的降低。混凝土骨料中的活性矿物成分（活性二氧化硅）与碱性氢氧化物在潮湿环境下发生化学反应生成膨胀性碱硅胶，即碱骨料反应引起混凝土强度和弹性模量损失，其膨胀和开裂形成裂纹和裂缝或宏观错位。而水气引入的过量氯离子会引起结构中钢筋严重锈蚀。环境温度和湿度变化，导致混凝土湿胀干缩、热胀冷缩，引起混凝土中各组成材料因弹性模量不一致而涨缩不一致，产生微裂纹。所以，要防止混凝土碳化、限制碱含量、控制水胶比和混凝土中氯离子含量、控制温湿度、选择合适的骨料及级配、在规范基础上选择最外层钢筋的混凝土保护层厚度是结构耐久性设计中的重要内容。

2、耐久性设计的原则

结构设计规范中的要求是基于公共安全和社会需要的最低限度要求。工程都有各自的特点和环境及施工方式，所以有时仅仅满足规范的某些最低要求往往不能保证具体设计对象的耐久性从而保证设计使用年限。不同技术标准规范对同一问题规定不同，这时就需要设计人员运用力学、物理化学知识具体问题具体分析，有针对性、有理有据采取措施。工程技术人员的专业分析判断能力往往比规范的规定更可靠。水泥用量要适当，主要控制水胶比、采用最佳矿物掺合料的参量和比例，掺减水剂和引气剂，骨料的粒径不宜过大，粗骨料一般不超过30mm为宜，而混凝土施工或与预制构件制作中要加强养护来控制温度、塑性和干缩等裂缝的产生和发展，从而制作成低孔隙、界面结合良好和少裂缝混凝土，达到耐久性目的。为了避免混凝土碳化的影响需要使钢筋有足够的混凝土保护层厚度，避免钢筋因碳化锈蚀而影响钢筋混凝土的性能。

北方地区为了抗冻融，要对地下水文地质情况做到心里有数，因混凝土孔隙水受冻结冰、遇热融化的反复等交替的累计效应，会引起混凝土破坏，除了上面提到的因素外吸水饱和度和环境状况在这种破坏中具有更加特殊的作用。降低水灰比、掺硅灰等抗冻性高的掺合料、用坚固的吸水率低的优质骨料及合理的骨料级配，在必要时用减水剂、引气剂等来减缓冰冻压力。盐溶液、干湿、冻融循环等各种因素的交互作用则将是更加不利的情况。因碱骨料反应发生往往在潮湿环境中，所以限制混凝土中碱含量，尤其是在地下工程、路桥工程、潮湿环境中根据情况不同程度的严格限制，这是防止碱骨料反应的重要措施；此外矿物掺合料、掺入引气剂等也可有效的减轻碱骨料反应。耐久性和结构承载力设计有时对混凝土最低强度有不同要求，这就要同时考虑二者中要求偏高的要求，有些地下工程往往是耐久性起控制作用，同时应注意混凝土强度与钢筋级别的匹配，从现行规范看，基础及地下工程不能使用HPB300级钢筋，而应使用比此级别高的钢筋。所以耐久性设计应以解决混凝土劣化，保证结构的使用寿命为基本原则。

3、耐久性设计的一般内容

3.1结构的设计使用年限、环境影响

结构设计使用年限除考虑结构的重要性外，还与业主的要求、结构及基础类型、环境状况、布置方式和构造措施等有关，一般为50年，也有100年的。在北方地区，对刚性阶梯形条形基础，采取坡形并抹面的形式有利于减轻冻胀，这是从环境的冻胀角度来减轻基础劣化；有条件或要求较高时，水泥宜采用硅酸盐或普通硅酸盐水泥；而地下和潮湿环境等宜采用碱含量受控水泥，特别是地下潮湿的环境；对于如工业项目中的设备基础等大体积混凝土则宜采用中低热硅酸盐水泥或低矿渣硅酸盐水泥；此外粗细骨料也应根据特殊要求做相应的控制，但粗骨料级配应连续，细骨料对抗渗抗冻和海砂等均有相应的耐久性方面的要求，这些在《混凝土质量控制标准》GB50164-2011中都有明确要求。地面以上环境类别不都是一类环境，如工业厂房不采暖的情况，一般不属于一类环境，采暖的工业建筑或民用建筑，室内和室外也不是同类环境。一个构件的不同面，如屋面板靠外侧及靠外侧的墙梁面在没有有效的保护措施时等都不属于一类环境。同属于室内的淋浴间也不属于一类环境。

3.2钢筋的混凝土保护层厚度

现行规范规定的钢筋保护层厚度是指箍筋、分布筋等最外层的钢筋保护层厚度，这与以往的规定不同，这种规定更加合理，具体保护层厚度国家标准规范均有规定。

钢筋的混凝土保护层厚度达不到要求和波动较大是施工中的质量通病，设计中应有明确的可控措施，《混凝土结构钢筋间隔件应用技术规程》JGJ/T219-2010的做法是比较实用的控制保护层厚度的有效尝试，保护层控制可依据环境类别、使用部位的不同而采用金属类、塑料类、砂浆水泥基类或混凝土水泥基类的间隔件来保障，保护层采用钢筋间隔垫的措施，虽然投资略有一点点增加，但操作宜控，提高了保护层的准确率，从而提高了耐久性。对于柱墙等竖直构件，地下部分的钢筋保护层因环境类别的变化需要加厚，底层柱和往地面以下延伸的柱，应注意不宜采取同一截面，因为若采取同一截面，按底层柱的保护层，如25，但按地面以下则为40，势必造成要地面以下的柱承载能力降低。宜钢筋位置不变，将上下保护层的差加到地面以下延伸柱上，使底层柱略微扩大，这应在施工图设计别给予关注的地方。

3.3混凝土裂缝控制要求

屋面板的配筋一般是受力配筋，当屋面较长或温差较大时就应该同时考虑温度作用，尤其是比较吸热的卷材屋面等，尤其要考虑。屋面的保温材料的使用年限与结构的使用年限不一致，温度对长度较长的屋面的影响是很大的，某些部位超出了受力的影响，钢筋配置不能仅按荷载计算，而应叠加温度作用，钢筋的200间距的排布有时不够，可为100-150间距，满足强度的前提下有时调整钢筋直径，缩短间距也是一种可行的办法。碱骨料反应、冻胀以及碳化等引起的裂缝的防治应有针对性。尤其是地下工程，如混凝土剪力墙等耐久性问题突出，应积极预防，如控制混凝土中碱含量、选择低碱活性骨料、改善混凝土所处的环境，隔绝湿气进入、掺矿物混合材、外加剂等，均简单宜行。需要明确的是，水泥用量多在控制碱含量方面不是有利的。

3.4混凝土其他劣化的治理

基础及地下结构和室外雨棚等属于恶劣环境情况，防排水构造等要加强，如保护层普遍加厚，做防水防潮层，构件形状有利于排水等；其实这些措施也有益于减轻碱骨料反应。碱、活性骨料和水是碱骨料反应的三因素，减少其中的任何一因素均可控制碱骨料反应。严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略；耐久性需要的施工养护制度与保护层厚度的施工质量验收要求。结构使用阶段的维护、修理与检测要求（图纸应该明确，包括必要的检测通道。预留检测维修的空间和装置）等。设计文件中应增加对混凝土养护、使用期的检查和维护等内容。

3.5混凝土强度等级取值

配筋混凝土结构满足耐久性要求的混凝土最低强度等级，设计使用年限30年-50年1-A环境C25，一般情况下，地面以下的混凝土的强度等级为C30，但地下室顶板一般应以C35比较合适，所以与环境类别密切相关。

4、混凝土耐久性规范的应用

《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008适用于常见环境下房屋建筑物和构筑物及其连接件的耐久性设计，是达到设计使用年限的具有必要保证率的最低要求；此外还有《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES01-2004）；《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中第3.5节的耐久性设计是根据环境类别使用年限对房屋建筑结构耐久性设计的简化和调整后的基本设计内容，混凝土保护层在8.2节；《混凝土质量控制标准》GB50164-2011则包含了混凝土耐久性方面通常的主要影响因素的材料控制内容等；《混凝土结构钢筋间隔件应用技术规程》JGJ/T219-2010是针对影响混凝土耐久性的质量通病钢筋的保护层的控制技术，《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011对原材料、骨料含水率、最大水胶比、最小胶凝材料用量、矿物掺合料、水熔性最大氯离子含量、引气剂掺量以及对预防碱骨料反应的措施等都有明确、简洁可操作的规定。对于泵送混凝土还要执行《泵送混凝土技术规范》JGJT10-2011。对于地下、外墙、坡屋面处于环境比较差的结构部位，分别有《地下工程防水技术规范》GB50108-2008和《建筑外墙防水技术规范》JGJT235-2011、《坡屋面工程技术规范》GB50693-2011可供执行；对于冻土地区因冻胀性的影响须执行《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-2011，根据冻土类别有着不同的勘察和设计要求；再有《混凝土结构工程施工规范》GB506666-2011结束了混凝土结构无施工规范的历史。对于工业中经常遇到的大体积混凝土问题，有《大体积混凝土施工规范》GB50496--2009等等，这些近年来的技术标准，无异在促进混凝土耐久性提高方面发挥着越来越重要的作用。

5、结论

通过对混凝土外部使用环境和结构内部因素的分析，探讨了结构耐久性设计的基本理由、原则、设计内容和相应的规范，因混凝土耐久性的影响因素异常复杂，本文仅能对结构混凝土耐久性设计提出抛砖引玉之作用，旨在实现对房屋结构不需要花费大量资金加固就能保证安全、使用功能和外观要求，在加强结构耐久性设计方面提供一些技术交流和参考。

参考文献

[1]混凝土结构耐久性设计与应用 第2章混凝土结构性能劣化机理 第3章混凝土结构耐久性设计出版：2011年8月第一版.邢锋.编著.

混凝土结构基本设计原则范文第4篇

关键词：混凝土结构 水工结构 计算机辅助设计 结构分析 VB CAD

计算机辅助设计（CAD）技术以其设计工期短、设计质量高、设计成本低等优点在航空、汽车、电子、机械制造、土木建筑等行业中得到了广泛的应用.相对而言，我国水工结构设计中CAD技术的应用较为落后.

80年代中期，国内曾形成一股水工结构设计CAD研究热潮，其代表性成果有厂房CAD、重力坝CAD、拱坝CAD等，这些大型软件一般来说价格昂贵，而通常的设计院若干年才完成一个或几个水利工程的设计，不像建筑设计院每人每年要完成几个甚至几十个工程的设计，因此其真正的用户不多.另外，由于当时计算机硬件水平较低，再加上水工结构设计的复杂性，水工结构CAD技术未能得到应有的发展.许多设计单位自行编制了若干常用小程序，诸如框架结构内力计算程序，钢筋混凝土结构配筋设计程序等，这类程序在实际工程结构计算方面确实起到了一定的作用.部分CAD技术应用较好的设计院也主要是利用通用软件，例如AutoCAD等，进行辅助绘图，其效率很低.近年来建筑CAD发展很快，已真正进入CAD的应用阶段.我国有关部门已正式将计算机辅助设计的出图率和优化设计所占的比重作为评定设计单位级别的一项重要指标.另一方面，计算机硬件水平又有了突飞猛进的发展.可以预言，21世纪将是计算机软件的时代.与此同时，随着科学技术的发展，水工结构设计理论有了长足的发展.基于GB50199—94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》的新一轮水工结构设计规范几年前就已开始修订，目前已有多本规范正式颁布实施.例如，从1997年5月1日起实施的SL／T191—96《水工混凝土结构设计规范》采用近似概率极限状态设计法取代原来的半概率半经验设计法，理论上更趋完善，但设计也更复杂.因此，大力开展水工结构CAD软件的研究势在必行，研制开发一套基于上述新规范的水工混凝土结构CAD系统很有必要，而且也是可能的，具有较大的理论和实际应用价值.

1　系统总体设计原则

水工混凝土结构CAD系统总体设计时遵循了以下原则：

a． 集成化计算机辅助设计系统与可持续发展相结合的原则.目前，国内外软件开发的一个显著特点就是集成化.集成化计算机辅助设计软件具有资料查询、科学计算、绘图与图形显示、仿真模拟、综合分析、优化以及咨询等功能，其范围涉及可行性研究、总体规划、初步设计、技术设计、施工图设计、设计文件及工程造价预测与分析的全过程.例如，最初的PKPM系列软件包括用来进行钢筋混凝土框、排架及连续梁结构计算与施工图绘制的PK软件和用来进行钢筋混凝土结构平面结构设计的PMCAD软件.以后又逐渐开发出框架、框架剪力墙、剪力墙结构空间协同分析计算软件XTJS，剪力墙结构计算机辅助设计软件JLQ等，还开发出三维建筑设计软件APM，给排水设计软件WPM，建筑采暖设计软件HPM，建筑电气设计软件EPM，建筑通风设计软件CPM等，这些软件之间实现了一定程度的数据共享，形成了集建筑设计、结构设计、给排水设计、采暖设计、电气设计、通风设计为一体的集成化计算机辅助设计系统.水工混凝土结构CAD系统理应包括结构设计的全过程，首先在图形编辑状态下进行结构布置，然后自动形成计算简图并进行结构分析，再进行配筋设计，最后直接形成结构施工图.但鉴于水工混凝土结构设计的复杂性，要在短期内完成上述全部功能有很大的困难.所以，该系统的初级阶段主要包括结构分析、结构设计及规范查询等内容，但考虑到其可持续发展的要求，预留了大量接口，为今后形成大规模集成化软件系统作了充分准备.

b． 具有良好的用户界面.目前开发的软件都是基于中文Windows操作系统的.Windows的最大特点就是用户界面的图形化和可视化.当今的计算机用户已经熟悉了具有下拉式菜单、变化多样的颜色和字体以及多窗口的软件，摒弃了从键盘上输入指令的陈旧方式，越来越多地使用鼠标器在图标或菜单选项上通过揿动按钮来启动一段程序或激活一条指令.传统的没有用户界面、直接用文件输入的软件已入黄昏，少有人问津，开发基于Windows的应用软件是当今的流行趋势.该系统采用能充分利用图形用户界面（GUI）的最流行的VB语言开发，具有简洁美观、方便快捷的人机交互式界面以及Windows应用程序的标准外观和风格，用户只要稍具Windows操作知识，便可轻松正确地按人机交互方式输入计算参数，以而得到满意的结果.

①图中括号中的字母“(F)”为快捷键；“…”表示将打开对话框.下同.c． 采用数据库管理技术.水工混凝土结构CAD系统采用数据库管理技术来统一管理计算机辅助设计过程中所有数据，这样做有以下几个特点：①尽可能不重复，即冗余度最小；②以最优的方式服务于一个或多个应用程序，即应用程序对数据资源的共享；③数据存放尽可能地独立于使用它的应用程序，即数据独立性；④用一个软件统一管理这些数据，例如维护、增加、变更、检索这些数据.

d． 采用菜单结构.水工混凝土结构CAD系统各主要功能模块是通过菜单调用实现的，这样做有以下几个优点：①程序结构层次清晰明了，符合设计人员的逻辑思维，便于实用；②各功能菜单相对独立，使程序设计可留有大量接口，符合可持续发展的原则；③可在屏幕上清楚地显示出供用户选择的全部项目，有助于用户了解开放的“选择”范围，并且具有一定的提示作用；④菜单能使用户明确地选择各种功能，防止用户作出无效的选择，减少出现错误命令的可能性；⑤用户通过菜单可以容易地实现相应的功能，不必记忆各种各样的输入命令.由于该系统软件的内容比较多，主菜单选用下拉式菜单，分为7个菜单项目，即文件系统、结构分析、素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土、规范查询和帮助，每个菜单项目下又有若干个子菜单.

e． 方便实用.水工混凝土结构CAD系统的方便实用性具体体现在以下几个方面：①设计流程尽可能地与工程设计人员的工作思路一致，让设计人员实实在在地感受到该系统确确实实能提高其工作效率，设计人员乐于接受；②满足不同层次人员使用该系统的需要.具体设计人员希望该系统的设计流程与其实际设计步骤相一致；总工程师们希望在审查别人设计成果时能利用该系统对设计成果某些有疑问的地方进行复核；教师们希望能利用该系统进行计算机辅助教学；学生们希望能利用该系统来加深对所学知识的理解，并能对所做作业进行复核；③与新规范密切结合.充分利用了Windows优良的在线帮助功能，研制开发了功能强大、内容丰富的规范查询系统，使之成为广大工程设计人员的得力助手，也是学习理解新规范的有效途径.

2　功能模块设计

<水工混凝土结构CAD系统共有7个功能模块，下面分别介绍其结构及功能.

2．1　文件系统

<文件系统菜单结构如图1①所示.

图1　文件系统菜单结构

<文件系统的主要功能是对水工混凝土结构CAD系统的输入参数、运行结果(包括文本文件和图形文件等)进行各类常规处理.例如，单击“新建工程…”项，输入工程名及存储路径，系统将自动创建一标准的工程数据库结构，定义各种图表及其字段，计算机辅助设计过程中，与该工程有关的所有信息将按部就班地存入相关部位.当然，要想永久保留输入的信息，在退出系统之前必须单击“保存…”项.若想对已建工程作进一步的修改，可单击“打开工程…”，新建时输入的所有资料都继续有效，并可在此基础上随心所欲地修正，或继续完成前期未尽的工作.对于大型工程，可多人分工合作，最后通过“添加工程…”将其合并在一起.要想删除与某一工程有关的所有信息，只需单击“删除工程…”.通过“打印设置…”可以按各种格式输出所需的设计结果.单击“AUTOCAD…”，可以进入AutoCAD，完成各种图形后处理工作.其它一些常见功能与Windows等通用软件相同，此处不再赘述.

2．2　结构分析

结构分析菜单结构如图2所示.

图2　结构分析菜单结构

结构分析内容非常广泛，涉及静力、动力及稳定问题等，国内外已有多种优秀的大型结构分析软件.但该类软件由于功能比较齐全，结构庞大，价格昂贵，对基层设计人员来说，既不易掌握，也有点大材小用，不为广大设计人员所接受.本结构分析模块主要包括工程中常见的、简单的结构分析问题，计算所需参数均采用人机交互式输入，小巧玲珑，方便实用.计算结果直接存入数据库，供结构设计采用.当然，此部分内容也可作为常规的结构分析软件使用.

2．3　素混凝土

素混凝土菜单结构如图3所示.

图3　素混凝土菜单结构

GBJ83—85《建筑结构设计通用符号、计量单位和基本术语》规定，凡是以混凝土为主制作的结构，统称为混凝土结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等.因此，本软件系统也相应地将混凝土结构分为素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土3个子功能模块.素混凝土的主要功能是对素混凝土受压构件、受弯构件以及局部受压构件承载力进行计算。

2．4　钢筋混凝土

钢筋混凝土菜单结构如图4所示.

图4　钢筋混凝土菜单结构

<钢筋混凝土的主要功能包括两部分，一部分是钢筋混凝土各类基本构件在已知设计内力的情况下进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算，另一部分是水工结构中各类常见结构的配筋设计，计算内容包括基本资料结构布置、荷载输入、内力计算、内力组合、配筋计算、抗裂验算、裂缝宽度验算、挠度验算等，并形成计算书和施工图.

2．5　预应力混凝土

预应力混凝土菜单结构如图5所示.

图5　预应力混凝土菜单结构

<预应力混凝土的主要功能也包括两部分：一部分是对预应力混凝土结构基本构件在已知设计内力的情况下进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算；另一部分是常见预应力混凝土结构的配筋设计.

2．6　规范查询

<规范查询菜单结构如图6所示(图中仅列出水工混凝土结构设计规范的子菜单，其它规范的子菜单与相应的设计规范一致，此处从略.)

规范查询（Q）水利水电工程结构可靠度设计统一标准

图6　规范查询菜单结构

基于GB50199—94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》修订的新一轮水工结构设计规定已陆续完成，目前已颁布实施的有DL5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》、SL203—97《水工建筑物抗震设计规范》、SL／T191—96《水工混凝土结构设计规范》等.规范查询的主要功能是以文件的形式记录了相应规范的有关内容，供用户查询.查询时可按目录和主题两种方式进行，方便快捷.

2．7　帮助

帮助菜单结构如图7所示.

图7　帮助菜单结构

<帮助的主要功能是详细介绍水工混凝土结构CAD系统的使用方法以及技术资料等.

作者单位：河海大学土木工程学院　南京　210098

参考文献

［1］JGJ／T90—92　建设领域计算机软件工程技术规范

［2］杨秀兰.水工混凝土结构CAD系统研制：［学位论文］.南京：河海大学，1998

［3］GB50199—94　水利水电工程结构可靠度设计统一标准

［4］DL5077—1997　水工建筑物荷载设计规范

混凝土结构基本设计原则范文第5篇

关键词：市政道路设计；路面设计；路基排水；路面结构

Abstract：Subgrade and pavement has been the road design focus, by combining the author engaged in municipal road design practice, summed up the pavement and subgrade design principles and standards, from many schemes comparison and demonstration of pavement and subgrade design optimization scheme, so as to ensure the safe and reasonable design of roadbed.

Key words：Municipal road design; Pavement design; Subgrade drainage; Pavement structure

中图分类号： TU99 文献标识码： A 文章编号：

引言

对于道路的路面及其路基设计应当根据道路使用要求及沿线气候、水文、地质等自然条件、施工条件、材料来源，密切结合当地实践经验进行路面技术经济综合设计。本着技术先进、合理选材、方便施工、利于养护、安全适用、经济合理的原则进行路面设计。

路面结构设计

2.1设计标准

根据《公路自然区划标准》（JTJ003-86），设计市政道路位于Ⅳ7（华南沿海台风区）。路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，以设计弯沉值和沥青层底拉应力为设计指标，计算路面结构厚度。路面设计采用以双轮组单轴轴载100kN为标准轴载。沥青混凝土路面设计使用年限15年，水泥混凝土路面设计使用年限30年。

2.2路面类型比选论证

市政道路常用的路面结构类型有两种，即水泥混凝土路面和沥青混凝土路面。选择何种路面类型，应从使用要求、交通量大小及组成、当地的气候和自然环境、路基条件、材料供应、施工及维修养护水平、资金筹措、节约能源、环境保护等方面进行综合分析比较后作出抉择。

（1）从路面的技术适应性（结构功能）进行比较。沥青混凝土路面显著特点是抗变形能力强，荷载应力大部分由基层承担，路面结构对土基性状(土基模量)的改变极其敏感，对集料的要求很严格。水泥混凝土路面最显著的特点是刚性大，有良好的抗疲劳性、较高的抗压强度、抗弯拉强度及抗磨耗能力，其承载力大，稳定性好；但板体对于超载所引起的反映特别敏感，一旦载重超过极限，则路面板发生断裂，同时在板角会产生应力集中，极容易产生断板现象；水泥混凝土路面在使用中后期，路面防渗水能力差，降水通过板缝下渗到基层、土基，使基层发生唧泥，使土基软化失去承载力，最终导致结构层提前破坏。

本路段沿线土(岩)性主要为白云岩、砂岩、灰岩，这种岩石风化后多为砂性土(或土质砂)，其渗透性强，压实性好，不存在大范围的不良土质，这对两种路面结构均有利。由于气候条件的原因，沥青混凝土路面可能出现高温车辙、低温缩裂、坑槽水损害等病害，而水泥混凝土路面则容易出现板底脱空、唧泥、冲刷基层、面板弯曲等病害；同时本路段交通量中、大货及大客车型所占比例较大，在这类重轴载车长期作用下而水泥混凝土路面则容易出现裂缝、断板等病害。

（2）从路面使用性能（表面功能）进行比较。路面平整度对路面的使用性能影响最大，它直接影响车辆运行的平稳性和驾驶人员的舒适性；路面平整度不良还会增加车辆的运行费用，加速路面损坏。沥青路面刚度低，有较好的减振和吸收能量效果，因此沥青路面具有很好的平整度(即使路面破坏后平整度易于修复)，行车平稳、舒适，噪音小，但路面泛油和石料磨光后易造成抗滑性能下降。水泥混凝土路面夜间行车诱导视线良好，但刚性大，减振性能差，行车舒适性差，噪音污染大，路面磨损后抗滑性能大大降低而影响行车安全，恢复路面的抗滑性能困难。且水泥混凝土路面修复较沥青路面困难。

（3）从施工技术与质量控制水平对路面结构的影响进行比较。沥青混凝土路面和水泥混凝土路面都要求建设单位配置先进的施工设备，达到较高的施工技术水平和质量控制水平，两类路面的优点都必须在高质量控制的基础上才能发挥。

（4）从生态平衡与环保效应进行比较。在相同的技术标准条件下，汽车行驶在水泥混凝土路面和沥青混凝土路面上的排气污染情况无大的差别，但是水泥混凝土路面的噪声污染明显高于沥青混凝土路面。

（5）从经济效益进行比较。根据市政道路建设经验和资料研究表明，单纯从建设和使用养护来比较，水泥混凝土路面总费用现值略优于沥青混凝土路面总费用现值。但考虑到整个社会效益，沥青混凝土路面的社会效应要优于水泥混凝土路面的社会效应。

综合以上的比较分析，并结合当地实践经验等方面综合分析，全线除收费站采用水泥混凝土路面外，其它采用沥青混凝土路面结构。

2.3路面结构层方案比选论证

（1）采用沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)和细粒式改性沥青混凝土(AC-13C)上面层的比较论证。SMA路面较改性沥青混凝土路面在抗压强度、耐高温稳定性、水稳性、抗滑能力、平整度和抵抗收缩变形的能力等路用性能上要好，但SMA路面对原材料质量技术要求高，对施工工艺要求也高，价格相对要高，对应本路段交通量不大的情况下性价比不高。通过多条市政道路的经验总结，新的沥青路面设计规范对细粒式改性沥青混凝土的级配作了改进，对防止沥青混凝土早期破损起到了很好的作用。如果对沥青进行改性，改性沥青混凝土路面的路用性能会有较大的提高，造价也要稍高。综上所述，推荐4cm细粒式改性沥青混凝土(AC-13C)作为上面层。

（2）6cm中粒式沥青混凝土（AC-20C）中面层。中面层应具有高温抗车辙、抗剪切、密实、基本不透水的性能。总结广东地区多条市政道路建设经验，使用中粒式沥青混凝土（AC-20C）完全能满足中面层的功能要求。

（3）8cm粗粒式沥青混凝土(AC-25C)下面层。下面层应具有高温抗车辙、抗剪切、密实、基本不透水、耐疲劳开裂的性能。总结广东地区多条市政道路建设经验，使用粗粒式沥青混凝土(AC-25C)完全能满足下面层的功能要求。

（4）基层、底基层方案。水泥稳定碎石作为基层、底基层早期强度大，施工工艺简单，施工经验成熟。本项目推荐采用水泥稳定碎石作为基层、底基层。