混凝土结构的设计方法(精选5篇)

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混凝土结构的设计方法范文第1篇

【关键词】钢管混凝土柱；型钢混凝土柱；结构设计

随着社会的发展，人们对建筑物的要求也越来越高。各种新技术被应用到建筑业中，对于建筑物来说基本的设计就是建筑物的结构设计，当前在建筑中应用最多的结构是：刚一混凝土组合结构。经过不断的改进和优化，这种结构的应用也更加的成熟，并逐渐的向结构体系方面发展。承重构件和抗侧力构件是组合结构体系中最主要的构成部分，一般采用的是型钢混凝土和钢管混凝土。将两种结构相结合应用，可以提高建筑结构的受力性能。在结合这两种结构的是要注意二者之间的差异，设计师在设计时要注意到这一点。

1.钢管混凝土柱结构与型钢混凝土柱结构工作原理比较

钢管混凝土是指将混凝土填入薄壁圆形钢管内形成的组合结构构件。由于混凝土不是一种均匀的材料，混凝土中砂石和骨料之间会有一些缝隙，当超过混凝土的承受力时，混凝土的缝隙会继续扩大，使得混凝土分成若干与轴向压力方向大致平行的微柱，进而破坏混凝土。将混凝土填入到圆形钢管内，钢管可以提供给内部混凝土侧向压力，进而限制混凝土之间的缝隙继续扩大，提高从而提高混凝土的抗压性能和变形能力。在一些比较薄的钢管内部填入混凝土，内部的混凝土对钢管也起到了一定的支撑作用，可以防止钢管承受压力过大后发生变形和失稳。通过以上分析总结出了钢管混凝土柱的工作原理：钢管混凝土柱利用的钢管对内部混凝土的侧向压力来达到约束混凝土的目的，钢管内部的混凝土受到的是三个方向上的应力，限制了混凝土的纵向裂变，同时提高了混凝土的抗压性能和压缩能力。而在钢管内部填筑混凝土以后，可以提高钢管本身的稳定性，增强了钢管混凝土的抗压性能。

型钢混凝土柱是指在配置混凝土时采用型钢作为主要的受力骨架，其他的构件采用钢筋来受力。在配置混凝土时加入型钢，使得混凝土和型钢能够相互制约。型钢可以制约混凝土，提高混凝土的强度；而型钢被混凝土包围在内侧，当建筑结构的承载力超过构件以后，型钢的局部不会发生变形。型钢混凝土柱的承载力要远远高于钢筋混凝土柱，由于型钢混凝土柱的型钢是集中配置的，钢筋混凝土中的钢筋是分散配置的，因此型钢混凝土柱的刚度要比钢筋混凝土刚度高。

2.钢管混凝土柱结构与型钢混凝土柱结构计算方法比较

在计算钢管混凝土承载力时参考的是套箍指标，反应钢管混凝土的组合作用和受力性能的一个重要参数就是套箍指标，数θ=As ×fs/ fc ×Ac ， θ范围在0.3～3 之间， 下限0.3 是为了防止钢管对混凝土的约束作用不足而引起脆性破坏， 上限3 是为了防止因混凝土强度等级过低而使结构在使用荷载下产生塑性变形[1]。通过实验验证：当0 .3 ≤θ≤3 时，在正常的使用环境下，钢管混凝土构件的工作性能具有一定的弹性，当达到一定的承载力以后钢管混凝土依然有很好的延展性。在这种情况下，钢管混凝土柱的抗压性和承载力都得到了最大化的发挥，可以有效的避免因钢管混凝土柱不稳定而降低混凝土柱的承载力和轴心力的偏移，此外还要注意钢管混凝土的长度和粗细的比例，其比值不能大于20（L＼D≤20），而轴压力的偏心率不能大于1（e0＼rc≤1）。当θ≥0.9时，在钢管混凝土柱的应力――应变曲线中没有下降的情况，当轴压比为1时，钢管混凝土的抗弯能力仍满足构件的需求，在这种情况下可以不用限制轴压比[2]。为了增强型钢混凝土的延性和耗能性能，需要控制型钢混凝土的轴压比，在计算型钢混凝土的轴压比时可以用：N/（fc ×Ac + fa ×Aa）这个公式来计算。

3.型钢混凝土柱与钢管混凝土结构优缺点比较

通过分析钢管混凝土柱和型钢混凝土柱的工作原理和计算方法，可以看出这两种结构的混凝土都有各自的优点和缺点。在设计和实际的应用中，就要注意二者的不同，选择合适的结构。钢管混凝土结构的优点是：第一，因为钢管能够制约内部的混凝土，使得混凝土受到三个方向上的应力，提高了混凝土柱的抗压强度。第二，填在钢管内部的混凝土又可以控制钢管，防止钢管发生局部的弯曲和变形，从而很好的提高了钢管的抗压强度。第三，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的抗扭承载力和抗剪强度也都得到了很大的提升。此外，也提高了内部的混凝土的抗压强度，使得混凝土能够发挥出高强度混凝土的作用。第四，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土需要承载的压力更高，不用控制限压比，混凝土柱截面的面积可以缩小到一半以上。第五，与型钢混凝土柱相比，型钢混凝土需要承载的压力是钢管和混凝土单独承载力之和的2倍，因此可以减小截面的面积[3]。外部的钢管对内部的混凝土产生的套箍作用，当柱发生破坏时，由直接性的破坏转化为延性破坏。当θ≥0.9时，在往复水平荷载的作用下，柱的延性得到了提升，具有很大的延性系数值。第六，采用的是管壁比较薄的钢管，不用为了加厚钢管而进行额外的焊接加工工序。第七。在钢管内部填入混凝土以后，混凝土可以吸收外部的热量，进而提高了柱的耐火性能，进而节省了一部分防火涂料。缺点是：钢管混凝土容易产生横向的压缩和变形，对于楼层比较高的建筑来说，会有一定的风险。与型钢混凝土相比，其连接点的的工序要复杂的多，在实际的施工过程中，浇筑楼板的混凝土要比浇筑钢管混凝土快的多。为此在施工阶段时，为了限制钢管的初始压应力，需要依据施工阶段的荷载来计算和验证钢管的强度和稳定性。

型钢混凝土结构的优点：第一，与单纯的钢结构相比，型钢的混凝土柱外包的混凝土可以有效的抑制内部型钢的弯曲和变形，同时还能改善型钢的平面外扭转屈曲性能，从而充分的发挥钢骨的钢材强度，能够节省大约一半以上的钢材。第二，由于型钢混凝土结构的刚度和阻尼比比较大，当发生地震或刮大风时，可以防止建筑物结构的变形。第三，外包的混凝土可以延长混凝土柱的使用寿命，增强柱的耐火性能。第四，与单纯的钢筋结构的混凝土柱相比，型钢混凝土的压弯承载力和受压剪力都得到了很大的提升；同时框架梁到柱节点的抗震性能也得到了改善；低周往复荷载下的构件滞回特性、耗能容量以及构件的延性均有较大幅度提高[4]。第五，构件中的钢骨可以作为施工阶段的荷载，将构件模板悬挂在钢骨上， 就可以同时对多个楼层进行灌浇混凝土等作业， 提高了施工的效率。型钢混凝土的缺点是：不仅要制作和安装钢结构，还要安装支护模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土，工序繁琐、工作量大，加大了施工的难度。在设计的过程中，工程师应该结合工程的实际情况，尽量的发挥出这两种柱的优点，有效的避免缺点，从而才能体现出这两种结构的特点，以达到设计的目的。

4.结束语

通过分析钢管混凝土柱和型钢混凝土柱结构的工作原理和计算的方法，对这两种结构的优势和缺点进行了比较。为了充分的发挥这两种结构的优点，在设计时要充分的注意到二者结构特点，并应用到对应的结构体系中，能与其他的构件协调的工作。

参考文献：

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混凝土结构的设计方法范文第2篇

关键词： 基于性能的塑性设计；目标侧移；屈服机制；功能方程

中图分类号： TU391文献标志码： APerformanceBased Plastic Design Method of

Reinforced Concrete FramesXIONG Ergang1，ZHANG Qian2

（1. School of Civil Engineering， Changan University， Xian 710061， China； 2. School of Civil Engineering， Xian Euraisa University， Xian 710065， China）

Abstract：In order to desirably predict and control the inelastic activity of reinforced concrete （RC） frames subjected to severe ground motions， on the basis of energywork balance a performancebased plastic design （PBPD） method for the design of RC frames was presented. In the PBPD method， the design base shear is obtained based on the energywork balance and preselected target drift and yield mechanism. Plastic design was performed to detail the frame members and connections in order to achieve the targeted yield mechanism and behavior. The method was applied to an eightstorey RC frame and validated by inelastic dynamic analyses. The results indicate that the frames develop desired strong column sway mechanisms， and the story drifts are well within the target values to meet the desired performance objectives.

Key words：PBPD （performancebased plastic design）； target drift； yielding mechanism； workenergy equation

众所周知，根据现行规范设计的钢筋混凝土框架结构在大震作用下会经历较大的非弹性变形.现行抗震设计规范通常基于结构弹性性能，间接考虑结构的非弹性性能.即根据规范的弹性反应谱，计算结构在小震作用下的基底剪力和弹性侧移，用计算所得的组合内力设计构件并验算侧移；罕遇地震下的非弹性侧移按弹性侧移乘以侧移增大系数估算，且该侧移不应超过规范规定的侧移限值，而对于结构的延性和耗能能力，大多是通过构造措施获得的.可是，采用上述方法设计的结构（尽管满足所有规范条文）在罕遇地震下会经历较大的非弹性变形，其非弹性性能在一定程度上难以预测和控制[18].非弹性性能包括结构构件和节点的严重屈服和屈曲，而非弹性性能在结构中的不均匀分布会导致不利的结构响应，有时甚至整体倒塌或需要进行大修[910].

近年来，数次强烈地震给人类造成了巨大的生命财产损失.基于强度的抗震设计方法已经不能满足要求，基于性能的抗震设计思想已得到重视.基于性能的结构抗震设计理论（PBSD）以提高结构的抗震性能为目标，要求所设计的结构在未来地震作用下具有可预见的抗震能力，与传统的抗震设计思想相比，它具有多级性、全面性、灵活性的特点，更能被多数业主和结构设计者接受.尽管如此，目前基于性能的抗震设计方法在很大程度上依赖于这样一个反复的迭代过程，即“评估性能”―“修正设计”―“评估性能”，直至所设计的结构达到预期的性能[1112].而且，基于性能的抗震设计方法也没能给结构工程师提供如何修正初始设计以达到预期性能目标的指南.

正是基于此，本文提出了钢筋混凝土框架结构基于性能的塑性设计方法（PBPD）.该方法根据预定的屈服机制和目标侧移，由能量方程求得设计基西南交通大学学报第48卷第4期熊二刚等：钢筋混凝土框架结构基于性能的塑性设计方法底剪力，然后对指定屈服构件（梁）采用塑性方法设计，对指定非屈服构件（柱）采用能力方法设计.基于性能的塑性设计方法可以直接考虑结构的非弹性性能而不需要进行评估和迭代，概念清晰，过程简单，有利于在实际设计过程中推广应用.1基于性能的塑性设计方法（PBPD）基于性能的塑性设计方法采用预选的目标侧移和屈服机制作为性能极限状态，这2个极限状态与结构的损伤程度和损伤分布状况直接相关.根据能量相等原则，即根据结构单调达到目标侧移所需作的功等于等效弹塑性单自由度体系（EPSDOF）达到相同状态所需要的能量（图1）来计算给定的地震水准下的设计基底剪力.然后，采用塑性设计方法设计框架构件和节点，以达到预期的屈服机制和性能.

1.1设计基底剪力对于给定的地震水准，确定设计基底剪力是PBPD法的重要环节.如前所述，根据使结构单调达到目标侧移所需作的功等于等效弹塑性单自由度体系（EPSDOF）达到相同状态所需要的能量计

（a） 屈服机构（b） 单自由度体系能量作功平衡概念

图1基于性能的塑性设计概念

Fig.1 PBPD （performancebased plastic design） concept

算设计基底剪力.假定系统为理想的弹塑性体系，则有功能方程：

（Ee+Ep）=γ12mS2v=12γmT2πSag2，（1）

式中：Ee、Ep分别为使结构达到目标侧移所需能量的弹性分量和塑性分量；

Sv为设计拟速度谱；

Sa为拟加速度谱；

T为基本自振周期；

m为体系的总质量；

g为重力加速度；

γ为能量修正系数，其值取决于结构的延性系数μ和延性折减系数Rμ：

γ=2μ-1R2μ .（2）

弹性能量

Ee=12mT2π QyGg2，（3）

式中：G为结构的总重力荷载代表值；

Qy为屈服基底剪力.

塑性能量Ep等于结构中塑性铰耗散的能量，如图1所示.对于选定的屈服机制，

Ep=Qy∑ni=1λihiθp，（4）

式中：λi为楼第i层侧向力分布系数；

hi为第i层计算高度；

θp为塑性侧移角.

根据式（1）、（3）和（4），功能方程可改写为

QyG2+QyGh*8π2θpT2g=γS2a，（5）

其中，h*=∑ni=1λihi.

由式（5）可得设计基底剪力系数

QyG=-α+α2+4γS2a2，（6）

式中：α为无量纲参数，

α=h*8π2θpT2g.（7）

1.2侧向力分布S S Lee等通过对大量框架结构的非线性分析，得出了楼层剪力分布系数βi[1314]，将该系数作为钢筋混凝土框架结构在弹塑性状态下侧向力分布模式.该侧向力分布模式可使RC框架结构在大震作用的楼层剪力更接近实际剪力分布，且能产生更均匀的层间侧移角，见式（8）～（9）：

βi=QsiQsn=∑nj=iGjhjGnhn0.75T-0.2，（8）

Fi=（βi-βi+1）Gnhn∑nj=iGjhj0.75T-0.2Qy，（9）

式中：Qsi和Qsn分别为第i层、顶层剪力；

Gj和Gn分别为第j层、顶层的重力荷载代表值；

hj为第j层的计算高度；

Fi为第i层的侧向力；

βi为第i层的剪力分布系数，βi+1为第i+1层的剪力分布系数，βn+1=0.1.3钢筋混凝土框架构件设计1.3.1梁设计（指定屈服构件）

在罕遇地震作用下，为了避免结构倒塌破坏，最大程度地耗散地震输入能量，使结构有足够的强度和延性，需要在设计初为结构选择一个合理的屈服机构[6].当RC框架采用图2所示的目标屈服机制时，梁就成了指定的屈服构件.每层梁所需要的抗弯承载力可由塑性设计方法确定（外功等于内功）：

∑ni=1Fihiθp=2Mpcθp+∑ni=12Mpbiφi，（10）

式中：Mpb和Mpbi分别为梁顶层和第i层所需的塑性弯矩；

φi为第i层塑性铰转角，φi=（L/Li′ ）θp，其中L为梁跨度，Li′为塑性铰之间的距离；

Mpc为底层柱底塑性弯矩.

图2RC框架目标屈服机制

Fig.2Target yield mechanism for moment frames

值得注意的是，由于梁发生反对称变形，故由均匀分布的重力荷载所作的外功等于0.

相关研究成果[10]表明，结构强度沿建筑高度的分布服从设计层间剪力分布较为合理.这样会使结构的屈服分布更趋均匀，从而防止屈服集中在某几层.即令

Mpbi=βiMpb.（11）

对于RC框架，由于板和非矩形截面梁的强度贡献，以及梁顶部和底部配置的钢筋数量不同，故梁端正塑性弯矩M+pb和负塑性弯矩M-pb不同.因此，式（10）可修正如下：

∑ni=1Fihiθp=2Mpcθp+∑ni=1βi（M+pb+M-pb）φi.（12）

令x=M-pb/M+pb，则式（12）可以简化为：

∑ni=1Fihiθp=2Mpcθp+

∑ni=1（1+x）βiM+pbφi.（13）

选定适当的x后，式（3）仅包含2个未知参数，即M+pb和Mpb.

根据结构底层不能形成薄弱层机构（图3）的条件，确定柱底塑性弯矩Mpc.假定塑性铰出现在底层的柱底和柱顶，对于屈服机构的微小变形，其相应的作功方程[15]为

ΨQ′h1θ=4Mpcθ，（14）

则

Mpc=ΨQ′h1/4，（15）

式中：θ为屈服机构的微小转角；

Q′为基底剪力（对应于等效单跨模型），Q′等于总剪力Q除以跨数；

h1为底层层高；

Ψ为考虑了设计力的超强系数（在后面的设计算例中，取Ψ=1.1）.

将式（15）代入式（12），可以得到第i层梁的需求塑性弯矩M+pb和M-pb，然后根据建筑抗震设计规范进行构件设计.

图3单跨框架（底部形成薄弱层）

Fig.3Onebay moment frame with

“softstorey” mechanism

1.3.2柱设计（指定非屈服构件）

指定非屈服构件（如柱）必须能抵抗设计重力荷载和最大指定屈服构件预期强度的组合，同时考虑合理的应变硬化和材料超强.在RC框架结构设计中，可将柱分离成悬臂的隔离体，图4为目标侧移时框架边柱隔离体图.

图4边柱隔离体图

Fig.4Freebody diagram of an exterior column

为保证结构形成预期的强柱弱梁塑性机制，柱的设计必须能够抵抗最大预期荷载（包括梁柱上的重力荷载），同时考虑梁端塑性铰一定范围内的应变硬化和材料超强.应变硬化梁塑性铰的弯矩Mpri，可将需求塑性弯矩Mpbi乘以适当的超强系数ξ得到，超强系数ξ需考虑材料应变硬化效应和材料超强.

假定作用在隔离体上所需的侧向力Fli服从式（9）的分布形式，则其值可通过整个隔离体的平衡条件获得.结合作用在每层梁端的弯矩和侧向力Fli，可计算出每层的柱端弯矩和剪力.

（1） 边柱隔离体

当框架达到目标侧移时，假定各层梁端塑性铰截面处的剪力Qi、Qi′和弯矩Mpri均达到预期强度（图5，lc=（L-L′）/2），Qi和Qi′可由式（16）和（17）给出：

Qi=M+pri+M-priL′+qiL′2，（16）

Qi′=M+pri+M-priL′-qiL′2，（17）

式中，qi为作用在梁上的均布荷载.

图5柱隔离体图

Fig.5Freebody diagram of a column

在RC框架中，作用在边柱隔离体（图5）上的需求平衡侧向力之和Flext可以由式（18）确定；

Flext=∑ni=1M-pri+∑ni=1Qilci+Mpc∑ni=1αihi，（18）

其中，

αi=βi-βi+1∑ni=1（βi-βi+1） .（19）

式（19）中，当i=n时， βn+1=0.

（2） 中柱隔离体

对于中柱隔离体（图5），侧向力之和

Flint=∑ni=1（M+pri+M-pri）∑ni=1αihi+

∑ni=1[Qi+Q′i]lci+2Mpc∑ni=1αihi .（20）2PBPD法的设计步骤PBPD法设计钢筋混凝土框架结构的步骤：

（1） 根据设计地震水准选择与预定性能目标一致的预期屈服机制和目标侧移角θu.假定结构的力位移关系为理想弹塑性，并估算结构的屈服侧移角θy.

（2） 用预选的目标侧移角θu减去屈服侧移角θy，计算出塑性侧移角θp.

（3） 根据质量和刚度特性估算结构的基本自振周期T（也可采用基于规范的经验公式估计结构体系的基本周期），选择适当的侧向力分布形式.

（4） 采用第（1）、（2）步确定的参数，根据设计谱加速度值Sa即可计算出设计基底剪力Q.此时，可采用相应的非弹性地震反应理论，如NewmarkHall提出的理想非弹性反应谱或其他方法.

（5） 如果结构的力变形性能与假定的弹塑性能不同，则需修正Q.

（6） 采用塑性方法对指定屈服构件梁进行截面设计，使结构侧向强度的分布服从设计楼层剪力分布；采用弹性设计方法对指定非屈服构件柱进行截面设计，并考虑指定屈服构件的应变硬化、材料超强.3算例及其分析3.1工程概况某工程主体为8层现浇钢筋混凝土框架结构，平面布置见图6，各层层高均为3.3 m.楼面恒（活）荷载为3.3（2.0）kPa，屋面恒（活）荷载为5.0（2.0）kPa，雪荷载为0.2 kPa.抗震设防烈度为8度（0.20g），Ⅰ类场地，设计地震分组为第2组.混凝土强度等级为C30，受力主筋为HRB400.

图6结构平面图

Fig.6Floor plan of a structure

初步选定的梁、柱（矩形）截面尺寸见表1.

表1梁柱截面尺寸

Tab.1Member sectionsmm

楼层横梁纵梁次梁柱第5～8层300×500300×600300×450550×550第1～4层350×500350×600300×450600×600

3.2钢筋混凝土框架结构设计根据PBPD方法的上述设计步骤，得到RC框架设计参数（表2）.

根据式（8）和（9）计算侧向力分布，然后计算梁、柱需求强度，最后确定梁、柱截面配筋，见表3

表2RC框架设计参数

Tab.2Design parameters for RC frame

地震程度SaT/sθy/%θu/%θp/%μ=θu/θyRμγαQ/GQ/kN中震0.210g0.800.501.000.50220.7501.1280.104650罕遇地震0.420g0.800.502.001.50330.5563.3830.109679

表3RC框架梁、柱需求强度和截面配筋

Tab.3Required strength and reinforcement details of beams and columns of the RC frame

层

序梁需求弯矩M+pb/

（kN?m）M-pb/

（kN?m）梁配筋

面积/mm2AsAs′边柱Mtop/

（kN?m）Mbot/

（kN?m）轴力/

kN剪力/

kN中柱Mtop/

（kN?m）Mbot/

（kN?m）轴力/

kN剪力/

kN柱配筋

面积/mm2边柱中柱862.73-131.73388853195.804.74169.5657.89259.82-21.67210.4985.303 0544 5617100.46-210.966371 450299.73-6.23379.0992.72394.41-56.38418.05136.603 7705 8916129.83-272.658391 984368.99-26.45611.15119.83481.38-101.22625.60176.544 5615 8915152.96-321.221 0052 469411.93-53.94860.96141.17532.33-154.06833.16207.995 8917 3844170.79-358.661 1172 711433.11-87.051 129.83157.63553.32-213.051 046.12232.233 7705 8913183.83-386.031 2123 004435.61-124.261 413.40169.66548.33-276.541 263.77249.963 7705 8912192.38-403.991 2753 211421.75-164.161 703.54177.55520.26-342.981 481.43261.583 0543 7701196.61-412.891 3073 318393.42-205.401 996.92181.46471.36-410.891 699.08―3 0543 054（表中As和As′分别为受拉和受压钢筋的截面面积；Mtop和Mbot分别为柱顶和柱底弯矩）.4验证分析采用非线性分析软件PERFORM3D建立钢筋混凝土框架结构的有限元模型，对该结构进行弹塑性动力时程分析，以验证上述计算结果.时程分析所用地震加速度时程的峰值根据现行规范[4]确定.选用RGB1波、RGB2波、RGB3波、Morgan波、Mexico波、Kobe波、Landers波、Loma波和Northridge波，这9种地震波分别具有不同的频谱特性.

按这9种地震波且地震波峰值调整为8度设防地震和罕遇地震对应的加速度0.2g和0.4g，得到楼层位移角包络图分别见图7和图8.

图7中震作用下RC框架最大层间位移角

Fig.7Maximum interstory drift ratios of

the RC frame under moderate earthquake

图8大震作用下RC框架最大层间位移角

Fig.8Maximum interstory drift ratios of

the RC frame under major earthquake

从图7和图8可见，除Mexico波之外，在其余地震波作用下，最大层间位移角沿楼层均匀分布，在设防地震和罕遇地震作用下，其均值分别介于0.24%～0.31%和0.38%～0.55%之间.表明结构的非弹性性能沿楼层分布较均匀，各楼层可以同时耗散相当的地震能量.而不像传统设计方法那样，仅通过结构的某一层或某几层薄弱层来耗散地震能量.按基于性能的塑性设计方法给出的各层最大层间位移角均小于目标位移角限值，表明结构满足目标性能要求.

大震作用下RC框架塑性铰分布如图9所示.从图9可见，各层梁端均出现塑性铰，满足预先设定的屈服机制.

图9大震作用下RC框架塑性铰分布

Fig.9Plastic hinge distribution of the RC frame

5结论基于功能平衡原理，本文提出了一种钢筋混凝土框架结构基于性能的塑性设计方法，获得以下结论：

（1） 基于性能的塑性设计方法（PBPD）用预定目标侧移和屈服机制作为性能目标，而这2个性能决定着结构的损伤程度和分布.对于给定的地震水准，根据能量平衡原理计算设计基底剪力，即使结构单调达到目标侧移所需作的功等于等效EPSDOF达到相同状态所需要的能量.

（2） 采用塑性设计方法设计RC框架构件和梁柱节点，以便达到预期的屈服机制和性能.由于该方法在设计过程中引入了结构的非线性性能以及重要的性能准则，故采用PBPD设计的RC框架结构，无需进行繁琐且反复迭代的性能评估.

（3） PBPD不仅能实现多性能水准下RC框架的结构设计，而且能控制RC框架结构在设防地震和罕遇地震作用下的性能.

致谢：西安欧亚学院科研项目（12ZKB05）资助.

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混凝土结构的设计方法范文第3篇

随着我国现代化建设任务的初步完成，各大城市也得到了较好的发展，尤其是近年来随着饮食、建筑、经济、生活方式等的变化，使人们对于居住的需求渐渐向品质化的方向转移。但是在实际的房地产业中，居民与建筑企业间的矛盾也会时常发生，引起这些争执的关键性因素就在于建筑物的质量或者在售后维修方面。为了解决此类问题，我国虽然出台了不少政策，然而由于近年来房地产行业不断有纠纷出现，加之市场不景气，此类问题也受到了社会各界的重视，以下就对这方面的问题展开具体说明。

一、概述

混凝土结构是目前在建筑领域应用较为广泛的建筑施工方法，从近些年的应用与发展经验表明，这种结构应用中，由于材料、工艺、环境、管理、技术等多方面的因素影响，依然存在漏水、裂缝、结构强度减弱等问题，因而应该加强对这些常见问题的探讨，从中找到导致此类问题的原因，并据此找到具体的解决办法，提高建筑物质量，为民众提供安全可靠的居住、办公条件。

二、混凝土裂缝原因

1 从材料质量方面看

材料占到工程建设的70%～80%，所以非常关键，然而，由于水泥、砂、石等不合格，在材料购进环节对市场调查不细致，材料实验不足，贪图便宜买“关系材料、便宜材料”等，却未选择真正适合工程要求标准的材料，或者配比不合理，共同造成了建筑物的质量问题，进而形成通常所说的“豆腐渣工程”。

2 从地基的变形看

由于不均匀沉降的存在，会令钢筋混凝土结构中发生开裂的问题，通常来看，裂缝在大小、形状、方向方面与地基变形相关，当地基发生变形应力增大时，会造成贯穿性的裂缝。

3 结构受荷看

一般来讲，如果结构所受负荷超过了承载能力，则会造成裂缝，这些裂缝的形成也与施工、使用等因素密切相关，在日常的实践中可以看到钢筋混凝土梁、板受弯构件在使用中，会因荷载过大而出现裂缝，虽然程度不一，但会因时间增加而带来更大的事故隐患。

4 从设计构造看

在混凝土结构中，结构构件断面发生突变、或者因不合理开洞、留槽等，皆会使应力聚集，因而在圈梁或者箍筋、吊筋及其它结构缝设置不科学时，易造成混凝土开裂。

5 从湿度影响看

从物理学的角度讲，热胀冷缩这一原理适合于混凝土材料，因而当混凝土在空气中进行硬结时，体积自然会收缩，这与构件内所产生的拉应力相关，尤其是在混凝土早期阶段，强度低，因而收缩值也会达到最大；以此推断，如果早期的养护工作不到位自然会引发收缩裂缝，从表现形式上看，以现浇剪力墙、水池底工程方面较为常见。

6 从徐变方面看

以结构构件为主，当其内应力发挥功用时，会在瞬时令混凝土结构中产生弹性变形，加上时间的延长，就会产生裂缝现象，这也就是通常所说的徐变变形。如果这种情况发生，会给预应力构件带来诸多应力损失，结构本身的抗裂性能会随之锐减，较常见的区域在受弯构件拉区。

7 从施工方面看

建筑施工中以混凝土结构为主，但在施工中由于安全质量管理不到位、施工工艺不合理、监管不严格或者材料比例不合格、浇筑时振捣不均匀、配筋比例不科学、养护不及时、对施工环境中的防护措施不到位、加上温度湿度、季节变化、材料运输等，都会造成裂缝问题。

三、修补设计

在建筑混凝土结构裂缝修补设计的原则方面，需要对修补与补强加固的判定结果进行评估，然后再对开裂结构机能、耐久性实施恢复设计，另一方面，在修补方面应该重视材料、修补工法、修补时间的考虑，并以这些基本条件作为基础，展开修补设计工作。具体如下：

首先，应该对修补范围、规模加以设定，并对现场进行调查研究；

其次，对开裂原因、开裂状况与程度，比如裂缝宽度、深度、型式等加以记录、分析，还应对建筑物的重要性，所处的一般环境、工厂地区、盐类环境、温泉地带、寒冷地带以及特殊用途加以辨别、区分；

第三，就是在修补中，需要有明确的规定、恢复目标设置，确保选择的修补材料、工法、时间满足修补设计的科学性、合理性；还需要比较环境状况，给予较高的等级修补设计，最好是在稳定裂缝的情况下展开修补工作，因为各种条件会对裂缝形成不同的影响，比如温度、湿度、时间等都会在修补中影响到裂缝的变化；

第四，根据修补的实践经验可以在修补恢复目标方面进行阶段划分；如性能恢复方面，通常将其恢复到健全构件的同等性能为宜，这是由于把水泥方面引发的裂缝作为修补对象，一般可以将其保修年限设定在10～15年；再如程度恢复方面，因为钢筋腐蚀、碱性骨料所引发的骨料会恶化，加之开裂原因较多，目前对所有原因的分析还尚未明了，因此通常可以将修补程度恢复的时间设定在5～10年；还有在安全可靠性方面的恢复情况，可以以确保人身安全程度为基本标准，展开应急修补工程；

第五，需要注意的事项是，在修补作业方面，要展开充分、具体的研究，并且做好机械材料、脚手架、工程现场、周围人群的安全保障措施。

四、修补方法与特征分析

建筑混凝土结构裂缝的修补方法较多，以下从基本上较为常见的涂覆盖法、充填法、预应力法、灌浆法进行具体说明。

1 涂覆法

在修补作业方面，按照要求与相关实践经验，通常对混凝土表面存在数量多的表面裂缝行手工方法或机械喷涂方法；原理就是将修补材料涂覆在混凝土的表面，对其进行封闭式保护；一般情况下，0.3mm～2.5mm的厚度即可满足涂膜要求，注意厚度越大，适应裂缝的变化能力也会随之增加；采用该方法时，对所选择的修补材料应该加以区别，比如在室内、室外、不同环境、不同介质、裂缝活动等方面，要求细致分析，严格选择；通常的修补施工中所选择的材料针对性要强，如耐磨地坪中选择环氧沥青类的刚性涂料，而对于不稳定的裂缝，则以弹性体较强的聚氨酷类涂料为主。

2 充填法

选择充填法，主要是以钢钎、风镐、高速转动的切割圆盘先对裂缝进行扩张处理，使其形成一个V型或者梯形的槽；然后，采用环氧砂浆、水泥砂浆、聚氯乙烯胶泥、沥青油膏等，进行分层压抹令其构成封闭保护；这种方法对一般裂缝的修补、渗水裂缝的修补都非常适用，比如V型就可以适用于一般裂缝，而梯形就可以适用于渗水裂缝；从材料方面分析，结构强度要求高时，则可以选择环氧砂浆，若只是进行渗漏修补则以聚氯乙烯、沥青油膏为宜。

3 预应力法

预应力法的应用，主要是通过它达到螺帽拧紧减少裂缝或使其闭合；比如，用钻机对构件钻孔，穿入螺栓后，就可以增加预应力，促使螺帽拧紧，达到裂缝修补的目的，如果符合相关的条件与标准，则可以运用双向预应力法，效果更好，比如，成孔方向、裂缝方向形成垂直或不垂直时，就可以此为准。

4 灌浆法

所谓灌浆法就是将水泥或者其它化学浆液灌入到混凝土缝中，起到扩散时的固化目的，从而形成勃结强度增加构件整体性，促进使用功能的恢复，让其耐久强度增加，实现堵漏防锈的目标。从材料方面看，以环氧树脂浆、甲凝液为主，可广泛适用于结构修补；以水玻璃、丙烯酞安、聚氨酷、丙烯酸盐为主，可广泛适用于防治堵漏；从功能上看，此类不溶物的充填，可以有效的增加建筑物强度，使其隔水性能得到强化。

混凝土结构的设计方法范文第4篇

关键词：混凝土结构 耐久性 问题 研究

一、混凝土结构耐久性的主要研究内容

混凝土结构的耐久性是混凝土结构在使用的过程中由于混凝土材料自身性能的影响和外部环境的影响而对自身性能的保持能力和耐久能力。混凝土结构的耐久性会影响混凝土结构在整个建筑结构中的承载能力，影响建筑工程的进行和使用。对于混凝土结构耐久性的影响因素主要有四种，即外部环境因素、材料自身性质、构件承载力、结构的设计评估。

1、混凝土碳化

混凝土碳化是最常见的影响混凝土结构耐久性的因素，是指混凝土结构暴露在空气中，使混凝土中的碱性物质和空气中的二氧化碳和水产生化学反应，是混凝土结构的性能发生变化，降低混凝土的碱度，从而影响混凝土对钢筋的保护能力，造成钢筋锈蚀，影响建筑质量，还会造成建筑裂缝。在混凝土碳化中的主要化学反应方程式为CO2+H2OH2CO3，Ca（OH）2+H2CO3CaCO3+2H2O。而空气中的一部分二氧化碳和水反应生成碳酸，碳酸与混凝土中的主要碱性材料氢氧化钙发展中和反应，生成碳酸钙和水，影响混凝土的碱性性能。

2、混凝土的碱-集料反应

混凝土的碱-集料反应是指混凝土中的碱性物质，如水泥、额外添加的拌合水、掺合料等与集料中的活性成分发生反应，产生膨胀现象，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一，而且这种影响是整体性的裂开，对这种影响没有有效的预防措施，没有修补的方法，因此结果非常严重。碱-集料反应发生的条件主要有三个，其一是在混凝土配比混合中的水泥、集料、额外添加的拌合水、掺合料等中含有碱性物质，或者混凝土在使用的环境中有碱性物质。其二是集料中含有活性成分，易与碱发生反应。其三是潮湿的环境，能让混凝土中的碱性物质和集料发生膨胀反应提供水分。混凝土在发生碱-集料反应之后，表面会出现明显特征，表面变形，出现裂缝，并且有渗出的物质。同时内部也会出现裂缝，反应产生硅胶状物体。而且混凝土发生碱-集料反应后，也会加速其它影响，例如混凝土的碳化反应，加速空气中的二氧化碳和水进入混凝土结构的速度，加速钢筋的锈蚀速度，然后这些影响又会反作用于混凝土结构上，增大裂缝，如此恶性循环，造成建筑工程的严重破坏，如果外部温度低，更会产生冻融破坏，让混凝土建筑工程破坏到无法修复的程度。

3、混凝土的冻融破坏

混凝土的冻融破坏是指混凝土中多于的自由水在环境的影响下，温度降低，产生冻结，体积增加发生膨胀，引起裂缝。混凝土在配比的时候会加入水泥和拌合水，为了让混凝土发挥更大的作用，加入的拌合水会大于水泥中的水含量，产生自由水，这部分自由水就会在寒冷的条件下产生冻结，破坏混凝土结构。尽管在正常情况下，这部分自由水不会对混凝土结构的内部造成严重的影响，因为还会有其它的排水孔，可是的那个排水孔中的水饱和的情况下，这种排水孔就会起到反作用，使膨胀效果进一步加剧，然后导致混凝土结构开裂，经过温度的冷热变化是混凝土内部和外部异同发生裂缝。在防止混凝土产生冻融破坏是，会采用的方法主要有：在混凝土配合中加入引气剂或减水剂，严格控制配合过程中的水灰比，加入防冻剂等。

4、混凝土受氯离子的侵蚀

混凝土受氯离子侵蚀主要是由于氯化物对混凝土结构的影响，破坏混凝土结构的钝化膜，，锈蚀钢筋，在混凝土结构中建立小型的腐蚀电池，产生电化学腐蚀作用。这中侵蚀在沿海地区较常见，海水中的氯离子通过自然界中的水循环作用于混凝土结构建筑，减少混凝土结构的使用寿命，而且在冬季的道路上会有积雪，防止道路因积雪结冰发生交通事故，就会道路上撒盐和盐水融化冰雪，保证道路的畅通，可是在这过程中，就会使氯离子进入混凝土结构中，产生侵蚀，影响混凝土结构的使用寿命。

5、混凝土结构中的钢筋锈蚀

混凝土结构中的钢筋一般由混凝土对其进行保护，可是由于环境的影响，外部的混凝土会发生不同程度的破坏，使钢筋失去混凝土的保护，然后在进一步锈蚀钝化膜，进而对钢筋进行锈蚀，影响混凝土结构的承载力和使用性能。这是影响混凝土结构耐久性最直接的因素。混凝土结构中的钢筋锈蚀主要有混凝土的碳化，碱-集料反应，氯离子侵蚀等方面的影响，破坏钢筋表面的混凝土的碱性，是混凝土产生开裂剥落，然后氯离子破坏钢筋表面的钝化膜，造成钢筋的电化学腐蚀，再在水和二氧化碳的影响下，锈蚀钢筋，从斑斑点点的锈蚀到主筋的锈蚀再到钢筋整体的锈蚀断裂。其中的电化学腐蚀反应原理主要是铁在阳极变为亚铁离子，在与阴极产生的氢氧离子结合成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁在与水和氧气变成氢氧化铁。对此的检测方法主要为无损检测，就是在不损坏使用情况的条件下对钢筋的锈蚀情况进行检测，检测钢筋的直径变化，钝化膜的厚度，混凝土的开裂程度等，检查钢筋锈蚀的程度和速度。

5、混凝土构件的耐久性

混凝土构件的耐久性是研究混凝土结构耐久性的基础。混凝土结构中混凝土受到外界环境的影响产生裂缝，从而影响钢筋表面的钝化膜，然后钢筋锈蚀，产生膨胀裂缝，然后造成混凝土的膨胀裂缝，反复循环就会影响混凝土构件的耐久性。

二、增强混凝土耐久性的方法

在混凝土结构建筑的设计阶段要根据标准规范安全度的要求来设计混凝土结构的耐久性。根据不同建筑工程的结构类型，所用到的材料，建成投入使用之后的功能和应用环境的温度、湿度、盐分等条件，设计不同的增强混凝土机构耐久性的方案。保证混凝土结构的建筑工程能够使用在不同的条件下，各设计人员要将强认识，在设计过程中好考虑懂啊混凝土结构耐久性的影响因素，对材料和施工步骤谨慎选择，合理应用，保证混凝土结构建筑工程的使用年限。在设计时可以加入防水剂，防锈剂都能减轻混凝土结构中的钢筋锈蚀程度，增强混凝土结构的耐久性。在施工过程中加强管理，控制施工的质量，严格不使用劣质材料和杜绝偷工减料情况的发生。施工人员加强素质教育，有专人监察，检验和验收过程中要通过无损检验方法保证工程的质量。投入使用之后做好防护工作，定期对混凝土结构进行维护，发现问题及时处理，对混凝土结构进行加固措施，保证混凝土结构建筑工程的使用年限和使用安全。

三、结语

综上所述，由于环境和材料本身性质的不同，对混凝土结构的耐久性产生了很大的影响。关系着国民经济的发展水平和人民生命和财产的安全，因此要加强对混凝土结构耐久性的研究工作的重视程度。

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混凝土结构的设计方法范文第5篇

关键词：钢管 混凝土 现状 发展

近年来，钢管混凝土结构逐渐被应用于跨度长、荷载重、高度大的建筑结构中。钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构，它能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时克服了钢管结构容易发生局部屈服的缺点。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广。

1．钢管混凝土结构的研究现状

20世纪60年代之前，钢管混凝土结构的研究对象主要是圆钢管混凝土结构。从60年代后半期以后，开始比较系统地研究矩形钢管混凝土结构。目前，圆钢管混凝土结构的研究已经取得了丰硕的成果，很多国家制定了相应的设计和施工规范或规程，如欧洲标准EC4（1996）、德国标准DIN18800（1997）、美国标准ACI319－89、SSLC（1979）和LRFD（1997）、日本标准AIJ（1980，1997）。在我国，钢管混凝土结构的研究主要集中在圆钢管中填充素混凝土的内填型圆钢管混凝土结构，最早开展研究工作的是原中国科学院哈尔滨土建研究所。1968年以后，中国建筑科学研究院、冶金部冶金建筑科学研究院等单位也先后对钢管混凝土基本构件的工作性能、设计方法、节点构造和施工技术等方面展开了系统的研究。进入80年代后，研究工作进一步深入，通过大量的试验研究和理论分析，对构件的承载力和变形性能及其影响因素进行了全面的研究，得到了实用的设计计算公式。与此同时，钢管混凝土结构的施工技术也在迅猛发展，涌现出很多新的施工工艺和施工方法，钢管混凝土结构的优势得到了更加充分的发挥。近十几年来，我国钢管混凝土结构的科学研究和工程应用都取得了令人瞩目的成就。目前已经先后有国家建材局、中国工程建设标准化委员会、国家经济贸易委员会和总后勤部颁布发行了有关钢管混凝土结构的设计规程。为钢管混凝土结构在我国的推广奠定了坚实的基础，使钢管混凝土结构广泛应用于各种大型建筑工程和交通运输工程中。

2．钢管混凝土结构发展方向

2.1 高强度材料的应用

采用高强混凝土可以减轻结构自重、降低工程造价。随着混凝土强度的提高，其延性下降，这阻碍了它在实际工程中的应用。将高强混凝土灌入钢管中形成高强钢管混凝土，由于受到钢管的约束作用，混凝土处于三向受压状态，其延性将大为提高，而其构件的承载力也得到了相应的提高。因此，高强钢管混凝土具有很大的发展潜力。

2.2 节点动力性能的研究

节点是结构设计中的关键部位，也是施工的难点。对于钢管混凝土节点，其合理与否直接关系到结构的安全性和整个工程的造价。钢管混凝土节点可以分为两种；钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点和钢管混凝土柱与钢梁的连接节点。目前，国内对于钢管混凝土节点静力性能的研究较多，而对于节点动力性能的研究报导还较少。

2.3 耐火性能的研究

我国还没有制定针对钢管混凝土结构的防火规定。对于已经建成的钢管混凝土结构，有的采用钢管混凝土结构外包混凝土，有的按照钢结构的要求涂防火材料，都没有统一规定和科学的依据。近年来，国内学者就钢管混凝土的耐火性能问题进行了研究，已经取得了可喜的成绩，但形成规范还需时日。

2.4 钢管混凝土结构体系抗震性能的研究

在对采用钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的框架结构进行了抗震性能的对比试验研究后发现，钢管混凝土框架结构的抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构。但目前对钢管混凝土结构抗震性能的研究，主要还是集中在基本构件方面，而对于钢管混凝土整体结构的抗震性能的研究还不多。应开展这方面充分的研究，以提供合理的抗震设计参数，便于工程应用。

3．结束语

与钢筋混凝土结构和钢结构相比,钢管混凝土结构是一种相对新的结构形式。但钢管混凝土能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展的需要,符合现代施工技术的工业化要求,因而正被越来越广泛地应用于各种结构工程中,并已取得良好的经济效益和建筑效果。随着理论研究的深入和完善,施工工艺的提高和高性能材料的应用,钢管混凝土结构应用范围将不断扩大,将是结构工程科学的一个重要发展方向。

参考文献：