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结构设计中需要考虑的施工关键问题
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内容提示：结构设计的安全性与经济性不单体现在结构设计本身的安全度与材料用量,而且应结合建造的难度、技术措施费用、能源消耗等因素综合考虑。设计与施工的关系变得越来越密切,只有在结构设计中充分考虑施工建造技术及可能遇到的各种因素,才能最终实现安全、经济的设计目标,体现结构设计与施工技术的完美结合。结合结构设计中经常遇到的与施工相关的关键技术问题,对结构材料的选择与代换、施工荷载与控制应力比、施工过程模拟分析、超长结构合拢温度的控制、卸载与安全监测、施工误差与结构验收等相关问题进行了探讨。
1概述
建筑技术最大的进展体现在对结构高度、跨度与复杂性的不断挑战。随着设计与施工的关系变得越来越密切，设计中遇到的技术难题不单纯是设计问题，更多的是施工实施可行性的问题。由于我国建筑设计与施工建造分属于不同的部门，在设计期间全面考虑施工建造的相关问题存在较大的困难。（参考《建筑中文网》）
本文结合结构设计中经常遇到的与施工相关的关键技术问题，对结构材料的选择与代换、施工荷载与控制应力比、施工过程模拟分析、超长结构合拢温度的控制、卸载与安全监测、施工误差与结构验收等相关问题进行了探讨。
2结构材料的选择与代换
2.1高强钢筋与高性能混凝土
2.1.1高强钢筋
目前，400MPa级的钢筋在混凝土结构中已经普遍采用，根据我国即将颁布的《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010，500MPa热轧高强度钢筋将逐步得到使用和推广。《热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则》RISN—TG007—2009［1］规定，对于由承载能力极限状态控制配筋的抗爆设计人防结构和抗倒塌设计结构，以及预应力混凝土结构构件中的非预应力受力钢筋，推荐优先采用500MPa级钢筋，以充分发挥其强度较高的优势。高强钢筋主要应用于钢筋混凝土柱、剪力墙等竖向构件。采用高强度钢筋时，需要注意当地相应钢种的生产及供货情况，避免出现无法找到相关产品的情况。
从高强钢筋用量来看，欧美国家400～600MPa级钢筋用量达到95%以上。若HRB500，HRB400，HRB335钢筋的设计强度分别取420，360，300MPa，则采用HRB500钢筋代替HRB335，HRB400钢筋，可节约材料分别在28%和14%以上，并可节约大量的能源、电力、运输、加工费等，减少烟气、粉尘和污染物的排放。实际工程应用表明采用高强钢筋的工程，钢筋用量减少低于设计强度的比值，主要原因是钢筋强度提高后，构件挠度变形和裂缝宽度增加的问题尚待解决。此外结构最小配筋率的规定及抗震和温度-收缩等间接作用提出的构造配筋措施必须考虑。因此采用高强钢筋后，实际配筋的用钢量并不能按比例减少。大量研究表明，采用500MPa高强钢筋后，可减少钢筋用量12%～14%［2］。
2.1.2高强混凝土
目前我国绝大多数地区采用C60以下的混凝土，有些城市混凝土强度等级可以达到C80及以上。但其他地区在结构设计时，当采用C60以上混凝土时，需要了解当地的实际材料及高强混凝土应用情况，避免结构设计中采用的强度等级无法实现，造成较大的设计更改。在高强混凝土施工前，施工单位必须对原材料性能、所配制高强混凝土拌合物性能及混凝土硬化性提出试验结果报告，等设计单位或甲方及监理单位许可后，方可施工。
高强混凝土的浇注宜采用泵送。除节省材料费用外，与钢结构相比，加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点。目前，混凝土单级泵送高度最大的工程是迪拜的哈利法塔，达到了601m。
到目前为止，各国规范中采用的混凝土最高强度等级分别是:欧洲规范Euro code2为C105，德国规范DIN1045是C115，美国设计手册已用到C100，试验研究已经超过C160［3］。
2.1.3免振捣混凝土
免振捣自密实混凝土在我国于20世纪90年代末开始应用于工程。具有降低施工噪声，减轻工人劳动强度，便于泵送，不分层、离析，有利于快速施工等优点，并且可以防止传统混凝土浇注中漏振、过振和钢筋密集结构容易出现的蜂窝麻面等工程缺陷。它在配制过程中可掺用大量矿物掺和料，有利于资源利用和生态环境保护，具有很好的经济效益。
在型钢混凝土构件及钢管混凝土构件中，施工振捣条件较差，此时需要采用高强免振捣混凝土。混凝土的坍落度可达250～270mm，扩展度可达650mm以上，1h以后，扩展度可达500mm以上［4］。
免振捣混凝土通常采用压力顶升法与高抛法施工，通过施工试验检验采取适当的施工方法。
2.2混凝土结构耐久性
结构耐久性设计专门针对结构在环境作用下的适用性能力，荷载作用下的耐久性属于结构安全性范畴，但对施工的要求显著高于传统的普通混凝土结构。
2.2.1国内混凝土结构耐久性设计发展现状及重要性
国内的混凝土结构耐久性设计最早应用于一些受环境作用影响显著的重大土木及水利工程，如海港码头、水库大坝等;但是限于当时对混凝土耐久性的认识水平及国家经济条件，通常是针对已知的一项或几项环境作用采取一项或几项防护措施，还谈不上是系统的耐久性设计。经过几十年的研究发展，目前在新建的大型土木和水利工程中(如海港工程、水利工程、重点的桥涵工程、市政道桥工程)系统的耐久性设计得到了相对较好的应用。而在民用建筑及普通工业建筑设计中，混凝土结构耐久性设计的应用几乎是一项空白。
随着时代的进步，现代结构设计理念已经有了很大的发展，不再单纯强调结构的安全性，而是将结构的安全性、适用性、可修复性三者并列，作为结构设计需要满足的三个要求。而结构的适用性和可修复性正是结构耐久性设计要完成的任务。
2.2.2混凝土结构耐久性设计的特点
与普通混凝土结构安全性设计相同，混凝土结构耐久性设计也同样具有时效性及限定性，此外，还有一些与普通混凝土结构安全性设计不同的特点:①以正常使用极限状态为最终状态，而不是承载力极限状态。②更强调结构的可修复性和前期与后期投入的综合经济性。
提高混凝土耐久性一方面可以人为限制耐久性损伤发生的条件:①控制混凝土原材料中的有害物质;②为钢筋提供足够厚度的混凝土保护层;③提高混凝土密实度;④控制混凝土裂缝;⑤通过建筑面层、建筑防水、建筑防潮、建筑维护等措施，隔绝或减轻环境因素对混凝土的影响。另一方面通过定期监测，尽早发现损伤，采取相应的补救措施，以减轻损伤带来的危害。
混凝土结构耐久性设计应包括以下内容:①明确结构的耐久性设计使用年限;②确定整体结构及局部构件所处环境分类及环境作用等级;③提出混凝土原材料的选用要求(水泥、矿物掺和料、骨料、拌制水以及化学外加剂的品种与质量要求);④明确混凝土的强度等级、最大水胶比及胶凝材料的最大与最小用量等;⑤提出混凝土氯离子扩散系数、抗冻耐久性系数等混凝土耐久性参数以及引气等要求;⑥明确与耐久性有关的结构构造措施，主要包括钢筋保护层厚度、裂缝控制措施及防水排水构造等;⑦提出防腐蚀附加措施;⑧提出与耐久性有关的施工质量要求;⑨提出结构使用阶段的维护与检测要求，作为耐久性设计的必备环节，使用阶段的维护与检修具有非常重要的意义，及时发现局部问题，及时采取措施解决，是对结构耐久性的最大保障。
2.2.3混凝土施工要求
针对混凝土施工阶段提出技术要求［5］，主要是为了保证混凝土的耐久性品质，避免由于施工原因导致耐久性隐患，并尽量减少混凝土的早期裂缝。具体要求如下:①对超长及大体积混凝土工程，施工单位应进行详细的施工组织设计，研究超长混凝土和大体积混凝土的施工措施，确保混凝土的施工质量。②在施工工期紧迫，施工分段界面交织复杂的情况下，施工单位应根据施工进程仔细研究施工分段界面的分割和采取的施工措施;对分段界面处的结构构件应进行可靠的支护，确保施工阶段的结构稳定，对分段界面处的基础土体应采取可靠的保护措施，避免土体的扰动。③混凝土工程在正式施工前，应针对工程特点和施工环境条件，会同甲方、设计、监理及混凝土供应等各方，共同制定施工全过程和各个施工环节的质量控制与质量保证措施以及相应的施工技术条例，商定质量检验方法，由监理单位监督实施。④为保证混凝土的均匀性，混凝土的搅拌宜采用卧轴式、行星式或逆流式搅拌机，不得使用自落式搅拌机，并严格控制拌合时间。⑤严格控制坍落度，一般入模坍落度宜≤160mm，且严禁在搅拌机以外二次加水搅拌。⑥泵送下料口应及时移动，严禁用插入式振捣棒平拖驱赶下料口处堆积的拌合物将其推向远处。插入式振捣棒需变换其在混凝土拌合物中的水平位置时，应竖向缓慢拔出，不得放在拌合物内平拖。⑦当日平均气温低于0℃又无妥善整体保温措施时，不得浇注混凝土;对处于养护期间的混凝土应采取有效措施保温蓄热。⑧控制混凝土的早期强度，在不掺缓凝剂的情况下，12h抗压强度≤6MPa，24h抗压强度≤10MPa。⑨楼板混凝土浇注完毕初凝前，用平板振捣器二次振捣，终凝前应将表面进行二次搓毛和抹压，抹面时严禁洒水。⑩后浇带浇注完成后立即进行外围护部分的施工。严禁混凝土结构部分长时间处于露天环境中。
建筑技术最大的进展体现在对结构高度、跨度与复杂性的不断挑战。随着设计与施工的关系变得越来越密切，设计中遇到的技术难题不单纯是设计问题，更多的是施工实施可行性的问题。由于我国建筑设计与施工建造分属于不同的部门，在设计期间全面考虑施工建造的相关问题存在较大的困难。（参考《建筑中文网》）
本文结合结构设计中经常遇到的与施工相关的关键技术问题，对结构材料的选择与代换、施工荷载与控制应力比、施工过程模拟分析、超长结构合拢温度的控制、卸载与安全监测、施工误差与结构验收等相关问题进行了探讨。
2结构材料的选择与代换
2.1高强钢筋与高性能混凝土
2.1.1高强钢筋
目前，400MPa级的钢筋在混凝土结构中已经普遍采用，根据我国即将颁布的《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010，500MPa热轧高强度钢筋将逐步得到使用和推广。《热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则》RISN—TG007—2009［1］规定，对于由承载能力极限状态控制配筋的抗爆设计人防结构和抗倒塌设计结构，以及预应力混凝土结构构件中的非预应力受力钢筋，推荐优先采用500MPa级钢筋，以充分发挥其强度较高的优势。高强钢筋主要应用于钢筋混凝土柱、剪力墙等竖向构件。采用高强度钢筋时，需要注意当地相应钢种的生产及供货情况，避免出现无法找到相关产品的情况。
从高强钢筋用量来看，欧美国家400～600MPa级钢筋用量达到95%以上。若HRB500，HRB400，HRB335钢筋的设计强度分别取420，360，300MPa，则采用HRB500钢筋代替HRB335，HRB400钢筋，可节约材料分别在28%和14%以上，并可节约大量的能源、电力、运输、加工费等，减少烟气、粉尘和污染物的排放。实际工程应用表明采用高强钢筋的工程，钢筋用量减少低于设计强度的比值，主要原因是钢筋强度提高后，构件挠度变形和裂缝宽度增加的问题尚待解决。此外结构最小配筋率的规定及抗震和温度-收缩等间接作用提出的构造配筋措施必须考虑。因此采用高强钢筋后，实际配筋的用钢量并不能按比例减少。大量研究表明，采用500MPa高强钢筋后，可减少钢筋用量12%～14%［2］。
2.1.2高强混凝土
目前我国绝大多数地区采用C60以下的混凝土，有些城市混凝土强度等级可以达到C80及以上。但其他地区在结构设计时，当采用C60以上混凝土时，需要了解当地的实际材料及高强混凝土应用情况，避免结构设计中采用的强度等级无法实现，造成较大的设计更改。在高强混凝土施工前，施工单位必须对原材料性能、所配制高强混凝土拌合物性能及混凝土硬化性提出试验结果报告，等设计单位或甲方及监理单位许可后，方可施工。
高强混凝土的浇注宜采用泵送。除节省材料费用外，与钢结构相比，加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点。目前，混凝土单级泵送高度最大的工程是迪拜的哈利法塔，达到了601m。
到目前为止，各国规范中采用的混凝土最高强度等级分别是:欧洲规范Euro code2为C105，德国规范DIN1045是C115，美国设计手册已用到C100，试验研究已经超过C160［3］。
2.1.3免振捣混凝土
免振捣自密实混凝土在我国于20世纪90年代末开始应用于工程。具有降低施工噪声，减轻工人劳动强度，便于泵送，不分层、离析，有利于快速施工等优点，并且可以防止传统混凝土浇注中漏振、过振和钢筋密集结构容易出现的蜂窝麻面等工程缺陷。它在配制过程中可掺用大量矿物掺和料，有利于资源利用和生态环境保护，具有很好的经济效益。
在型钢混凝土构件及钢管混凝土构件中，施工振捣条件较差，此时需要采用高强免振捣混凝土。混凝土的坍落度可达250～270mm，扩展度可达650mm以上，1h以后，扩展度可达500mm以上［4］。
免振捣混凝土通常采用压力顶升法与高抛法施工，通过施工试验检验采取适当的施工方法。
2.2混凝土结构耐久性
结构耐久性设计专门针对结构在环境作用下的适用性能力，荷载作用下的耐久性属于结构安全性范畴，但对施工的要求显著高于传统的普通混凝土结构。
2.2.1国内混凝土结构耐久性设计发展现状及重要性
国内的混凝土结构耐久性设计最早应用于一些受环境作用影响显著的重大土木及水利工程，如海港码头、水库大坝等;但是限于当时对混凝土耐久性的认识水平及国家经济条件，通常是针对已知的一项或几项环境作用采取一项或几项防护措施，还谈不上是系统的耐久性设计。经过几十年的研究发展，目前在新建的大型土木和水利工程中(如海港工程、水利工程、重点的桥涵工程、市政道桥工程)系统的耐久性设计得到了相对较好的应用。而在民用建筑及普通工业建筑设计中，混凝土结构耐久性设计的应用几乎是一项空白。
随着时代的进步，现代结构设计理念已经有了很大的发展，不再单纯强调结构的安全性，而是将结构的安全性、适用性、可修复性三者并列，作为结构设计需要满足的三个要求。而结构的适用性和可修复性正是结构耐久性设计要完成的任务。
2.2.2混凝土结构耐久性设计的特点
与普通混凝土结构安全性设计相同，混凝土结构耐久性设计也同样具有时效性及限定性，此外，还有一些与普通混凝土结构安全性设计不同的特点:①以正常使用极限状态为最终状态，而不是承载力极限状态。②更强调结构的可修复性和前期与后期投入的综合经济性。
提高混凝土耐久性一方面可以人为限制耐久性损伤发生的条件:①控制混凝土原材料中的有害物质;②为钢筋提供足够厚度的混凝土保护层;③提高混凝土密实度;④控制混凝土裂缝;⑤通过建筑面层、建筑防水、建筑防潮、建筑维护等措施，隔绝或减轻环境因素对混凝土的影响。另一方面通过定期监测，尽早发现损伤，采取相应的补救措施，以减轻损伤带来的危害。
混凝土结构耐久性设计应包括以下内容:①明确结构的耐久性设计使用年限;②确定整体结构及局部构件所处环境分类及环境作用等级;③提出混凝土原材料的选用要求(水泥、矿物掺和料、骨料、拌制水以及化学外加剂的品种与质量要求);④明确混凝土的强度等级、最大水胶比及胶凝材料的最大与最小用量等;⑤提出混凝土氯离子扩散系数、抗冻耐久性系数等混凝土耐久性参数以及引气等要求;⑥明确与耐久性有关的结构构造措施，主要包括钢筋保护层厚度、裂缝控制措施及防水排水构造等;⑦提出防腐蚀附加措施;⑧提出与耐久性有关的施工质量要求;⑨提出结构使用阶段的维护与检测要求，作为耐久性设计的必备环节，使用阶段的维护与检修具有非常重要的意义，及时发现局部问题，及时采取措施解决，是对结构耐久性的最大保障。
2.2.3混凝土施工要求
针对混凝土施工阶段提出技术要求［5］，主要是为了保证混凝土的耐久性品质，避免由于施工原因导致耐久性隐患，并尽量减少混凝土的早期裂缝。具体要求如下:①对超长及大体积混凝土工程，施工单位应进行详细的施工组织设计，研究超长混凝土和大体积混凝土的施工措施，确保混凝土的施工质量。②在施工工期紧迫，施工分段界面交织复杂的情况下，施工单位应根据施工进程仔细研究施工分段界面的分割和采取的施工措施;对分段界面处的结构构件应进行可靠的支护，确保施工阶段的结构稳定，对分段界面处的基础土体应采取可靠的保护措施，避免土体的扰动。③混凝土工程在正式施工前，应针对工程特点和施工环境条件，会同甲方、设计、监理及混凝土供应等各方，共同制定施工全过程和各个施工环节的质量控制与质量保证措施以及相应的施工技术条例，商定质量检验方法，由监理单位监督实施。④为保证混凝土的均匀性，混凝土的搅拌宜采用卧轴式、行星式或逆流式搅拌机，不得使用自落式搅拌机，并严格控制拌合时间。⑤严格控制坍落度，一般入模坍落度宜≤160mm，且严禁在搅拌机以外二次加水搅拌。⑥泵送下料口应及时移动，严禁用插入式振捣棒平拖驱赶下料口处堆积的拌合物将其推向远处。插入式振捣棒需变换其在混凝土拌合物中的水平位置时，应竖向缓慢拔出，不得放在拌合物内平拖。⑦当日平均气温低于0℃又无妥善整体保温措施时，不得浇注混凝土;对处于养护期间的混凝土应采取有效措施保温蓄热。⑧控制混凝土的早期强度，在不掺缓凝剂的情况下，12h抗压强度≤6MPa，24h抗压强度≤10MPa。⑨楼板混凝土浇注完毕初凝前，用平板振捣器二次振捣，终凝前应将表面进行二次搓毛和抹压，抹面时严禁洒水。⑩后浇带浇注完成后立即进行外围护部分的施工。严禁混凝土结构部分长时间处于露天环境中。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201110/15074.htm
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