基于耐久性的建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

羅經(jīng)文

（湖南五力工程檢測有限公司，湖南 長沙 410000）

近年來，高層建筑不斷增加，使得混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加廣泛。由于對建筑工程的建設(shè)質(zhì)量和安全要求不斷提升，帶動了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的增多。從混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用角度來說，受到自然環(huán)境和混凝土材料自身性能等因素的影響，極易出現(xiàn)耐久性不強(qiáng)的問題，影響著建筑的使用。因此，探索如何提高混凝土結(jié)構(gòu)性能的方法，有著重要意義。

1 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

目前，我國積極推廣建設(shè)裝配式建筑，帶動著裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。未來，隨著裝配式建筑的增加，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍將會更加廣泛。裝配式整體建筑，對混凝土結(jié)構(gòu)有著相應(yīng)的要求，不僅要具有較強(qiáng)的耐久性、抗震性，還必須保證結(jié)構(gòu)的安全性。在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要嚴(yán)格把控，保證達(dá)到建筑標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，耐久性設(shè)計使用年限如下：臨時性建筑5年；易替換結(jié)構(gòu)25年；構(gòu)筑物和普通房屋50年；重要建筑以及紀(jì)念性建筑結(jié)構(gòu)100年。

2 影響裝配式混凝土耐久性的因素分析

2.1 土壤的pH值

據(jù)相關(guān)研究表明，若土壤的pH值超過12.5，在此地塊上建設(shè)建筑工程，使用的混凝土pH值小于9，一段時間后，能夠發(fā)現(xiàn)土壤的pH值降低，經(jīng)過分析論證，明確地塊土壤和混凝土發(fā)生了中和反應(yīng)，使得混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)的變化。由此可見，土壤的酸堿度高低，直接影響著建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)的性能，尤其是耐久性。

2.2 空氣環(huán)境中二氧化碳含量

建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)所處的空氣環(huán)境中，含有的二氧化碳含量，影響著混凝土的耐久性。從影響的原理角度來說，空氣中二氧化碳的比例較大，當(dāng)其向混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴(kuò)散時，很容易和混凝土中含有的堿性化合物，即氫氧化鈣產(chǎn)生反應(yīng)，也就是混凝土碳化，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，有著極大的影響。從化學(xué)角度分析如下：CO2+H2O→H2CO3以及H2CO3→CaCO3+2H2O。根據(jù)化學(xué)方程式能夠得出，二氧化碳越多，給混凝土造成的碳化影響就越大，進(jìn)而對混凝土的耐久性影響就更大。

2.3 配合比

混凝土的制作，使用的主要材料包括水泥和粉煤灰等。在制作中，水灰比和水泥用量等因素，影響著混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。水灰比對混凝土強(qiáng)度的影響，如圖1所示。一般來說，水灰比不超過0.4，則其對混凝土碳化的影響比較小。使用的水泥量不斷增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度得以提升，進(jìn)而能夠增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使混凝土的耐久性得到提高。

圖1 強(qiáng)度和水灰比的關(guān)系

通過試驗分析花崗巖機(jī)制砂石粉含量對C50機(jī)制砂海工混凝土耐久性關(guān)鍵參數(shù)的影響，和河砂混凝土作對比分析。注：含量分別選擇為5%、7%、10%。從試驗結(jié)果來說，當(dāng)含量為7%時，混凝土的各項耐久性指標(biāo)，處于最佳狀態(tài)，比如抗碳化性能等，并且優(yōu)于河砂混凝土。除此之外，外摻4.5%～15%的石粉，有效提升了膠漿的氯離子結(jié)合性能，試驗結(jié)果表明，當(dāng)石粉摻量是膠材質(zhì)量的7.5%時，此條件下氯離子的結(jié)合能力最強(qiáng)。

3 基于耐久性的建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 案例概述

以某建筑工程預(yù)制框架結(jié)構(gòu)體系為例，地上部分2層；每層高度為4.5 m；地下部分1層，每層高度為3.3 m，建筑總高度為10.55 m，建筑總面積大約為2 311 m2，設(shè)計為裝配整體式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。具體情況如下：（1）地下室部分設(shè)計為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)；（2）±0.000以上設(shè)計為預(yù)制框架結(jié)構(gòu)；（3）±0.000頂板作為建筑上部結(jié)構(gòu)的固定部分[1]。建筑上部框架結(jié)構(gòu)，使用預(yù)制混凝土柱以及疊合梁等制作而成，預(yù)制率為76%。此工程框架梁-柱節(jié)點，采取的是現(xiàn)澆形式；梁下部縱筋采取的是彎折錨固形式，交錯布置；節(jié)點區(qū)使用的是CF35鋼纖維混凝土。現(xiàn)結(jié)合此工程實踐，分析建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計需要把控的要點。

3.2 耐久性設(shè)計要點

3.2.1 合理選擇耐久性材料

在進(jìn)行設(shè)計時，要按照建筑設(shè)計使用年限，結(jié)合環(huán)境條件以及耐久性要求等，來選擇混凝土材料，設(shè)計配合比。如果混凝土的應(yīng)用環(huán)境為凍融環(huán)境，則按照年平均凍融次數(shù)，合理摻入引氣劑，摻入量為水泥質(zhì)量的4.4%～7.2%。如果應(yīng)用環(huán)境中存在氯侵蝕，為保證混凝土的耐久性，必須要控制好氯離子含量，保證其小于水泥用量的0.1%。如果應(yīng)用環(huán)境存在嚴(yán)重的化學(xué)侵蝕情況，則選擇耐腐蝕合金鋼材或者環(huán)氧涂層鋼筋。

3.2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計

考慮到預(yù)應(yīng)力混凝土和普通混凝土等材料的差異，在設(shè)計時，要根據(jù)設(shè)計使用年限以及侵蝕環(huán)境，來選擇混凝土保護(hù)層的厚度。如果構(gòu)件所處的環(huán)境存在比較嚴(yán)重的銹蝕情況，受力鋼筋的直徑必須要大于16.5 mm。為保證結(jié)構(gòu)使用的性能，對于結(jié)構(gòu)表面形狀的設(shè)計，要便于排水，并且要能夠預(yù)防積水。設(shè)置在室外的構(gòu)件，布置滴水溝。如果構(gòu)件應(yīng)用環(huán)境，存在化學(xué)腐蝕情況，那么需要對混凝土進(jìn)行防腐設(shè)計[2]。

3.2.3 限制裂縫的寬度

按照建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)規(guī)定，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，根據(jù)不同環(huán)境類別進(jìn)行控制。具體如表1所示。此工程設(shè)計實踐中，對疊合梁端豎向接縫以及預(yù)制柱水平接縫剪承載力，進(jìn)行了細(xì)致地驗算，都能夠達(dá)到要求。

表1 構(gòu)件最大裂縫寬度限值以及裂縫控制等級

3.2.4 施工要求

從影響建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素來說，除了使用環(huán)境因素外，混凝土質(zhì)量也是重要因素。因此，在進(jìn)行建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要明確提出施工要求。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，如果混凝土耐久性對抗凍或者抗?jié)B等，有著具體的要求，那么開展施工作業(yè)前，按照抗腐蝕要求，開展混凝土材料配合比試驗，確定最優(yōu)的配合比。使用的外加劑材料，含有的氯離子不可以超過水泥含量的0.02%。使用的高效減水劑，含有的硫酸鈉不可以超過減水劑干重的20%。在開展?jié)仓鳂I(yè)前，需要做好鋼筋位置以及保護(hù)層墊塊等的檢查，保證保護(hù)厚度合理。除此之外，對于大面積混凝土澆筑作業(yè)，要合理設(shè)置施工縫，水灰比要小于0.45，做好混凝土養(yǎng)護(hù)，保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。需要注意的是，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工作業(yè)時，要合理把控混凝土拌合全過程。一般來說，建筑工程建設(shè)使用的混凝土，主要為商品混凝土。在進(jìn)行自拌時，必須嚴(yán)格按照設(shè)計的配合比作業(yè)，保證混凝土的性能達(dá)標(biāo)。按照原材料使用量和投放順序進(jìn)行配制，均勻攪拌，保證混凝土的質(zhì)量。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點的總結(jié)

在進(jìn)行建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要把控以下要點：（1）概念設(shè)計。一般來說，進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，能夠確保結(jié)構(gòu)有著不錯的抗震性能。在具體設(shè)計時，需要設(shè)計人員嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和規(guī)程，開展結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，在設(shè)計的過程中，不可以陷入只憑計算的誤區(qū)。（2）結(jié)構(gòu)選型。在進(jìn)行設(shè)計時，嚴(yán)格按照“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案”的要求等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免后續(xù)施工作業(yè)出現(xiàn)工作波動。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，要積極改進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計。按照相關(guān)設(shè)計指導(dǎo)方案，開展結(jié)構(gòu)件的設(shè)計時，混凝土的實際保護(hù)層相比要求少50%，則碳化或者氯離子等侵蝕鋼筋表面的時間將會提前3/4左右，因此，開展建筑施工作業(yè)，必須要保證實際保護(hù)層達(dá)標(biāo)，避免出現(xiàn)質(zhì)量問題。除此之外，要嚴(yán)格按照構(gòu)件設(shè)計的要求，做好其類型和混凝土強(qiáng)度等的把控。若為一般構(gòu)件，那么混凝土要求為C25-C30，則保護(hù)層的厚度不可以低于35 cm。若為海上建筑物，則參考相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格把控保護(hù)層厚度。（3）做好結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)的設(shè)計。若建筑工程對沉降量，有著具體的要求，則在地基以及基礎(chǔ)建設(shè)時要嚴(yán)格把控，選擇不同的處理方式。若工程沉降量比較小，可以使用褥墊作業(yè)法進(jìn)行處理，設(shè)置建筑物地帶，當(dāng)發(fā)生沉降問題時，發(fā)揮混凝土保護(hù)層的作用，分擔(dān)部分附加外盈利，避免沉降問題的發(fā)生。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對地基的有效養(yǎng)護(hù)，還能夠解決地基機(jī)構(gòu)的保養(yǎng)問題。

4 結(jié)語

綜上所述，建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計，要結(jié)合影響耐久性的因素特點，做好優(yōu)化設(shè)計。在設(shè)計的過程中，合理選擇耐久性材料；優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計；限制裂縫的寬度，提出混凝土結(jié)構(gòu)施工的要求，保證結(jié)構(gòu)的耐久性。