結構設計師的煩惱

聞寶聯

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

工作關系，經常與設計院的結構設計師打交道。設計是工程的龍頭，設計師無疑是工程的靈魂人物。設計師依據國家和行業或是地方規范進行相關的結構計算和設計，其對工程的理解以及專業知識的掌握程度直接影響到工程能否順利開展，設計師在設計文件的設計說明中，經常會寫明結構材料等的相關要求，但往往由于結構設計師本身對規范的掌握和理解差異，對材料知識的掌握不足，特別是如果引用的規范出現問題，將給項目的實施帶來很大困擾。

關于圖紙要求與規范的優先順序，施工合同文件解釋順序：除專用條款另有約定外，組成本合同的文件及優先解釋順序如下：（1）本合同協議書，（2）中標通知書，（3）投標書及其附件，（4）本合同專用條款，（5）本合同通用條款，（6）標準、規范及有關技術文件，（7）圖紙，（8）工程量清單，（9）工程報價單或預算書。但是如出現認識不統一，即便圖紙要求有誤，施工方也不得擅自更改施工圖中的要求，如發現錯誤應通知設計方明確，待設計方明確并簽字后，此時的設計方文件大于規范，即再有責任由設計方負責。如果沒有通知設計方，而善改，一切后果自己負責，如果發現問題還施工，此時的責任由設計、監理、施工等方共同負責，只是責任大小不一樣。

術業有專攻，設計師的強項是結構設計，承載力、剛度、穩定性等，這通過配筋可以解決，但結構不只是承載的問題，特別是混凝土結構，對裂縫也非常敏感，涉及對材料的要求往往設計師就很難把握了，往往從相關規范或以前的設計圖一抄了之，有了問題，再進行更改，走設計變更程序并非一件容易的事。對于專項工程，制定切合實際的專項技術要求，對細節進行把控，以便于工程的開展、實現設計和規范的要求，再經過專家論證來實施，更有利于項目的進行。

我經常與做設計的朋友一起聊天，與他們講，既然材料不是你們的強項，就沒必要寫在設計文件里，因為你們往往理解出現偏差，給工程造成很多困擾，文件里只寫要求就可以了，比如強度等級、抗凍等級、耐久性相關指標等，至于如何達到指標要求，設計不要過多去要求，要求過多不僅會對后續的工程開展造成不必要的麻煩，也對新技術新材料的推廣造成障礙。

一般而言，對材料了解不足，是大多數結構設計師的短板。

比如對于 C50 混凝土，高性能混凝土設計規范里，明確要求膠凝材料用量不超過 450kg，這一條是從我國引入德國高鐵建設技術時候，連同德國規范一并引入的，主要是提高混凝土本身的抗收縮性能，而我國以前規范要求的是 C50 混凝土膠材用量不超過 500kg。混凝土最重要的性能是工作性，不超過 450kg 的前提是骨料的粒型好、級配好、空隙率要低，國外骨料是整形的，而我國骨料的生產工藝基本都是顎破＋錘破，粒型不佳、級配不良，450kg 粉料量在實驗室可以做出，但在現場很難施工，我們在處理這類問題時候，膠材用量一般控制在 480kg，對控制收縮和保障工作性能都起到了兼顧作用，現在一些最新出臺的規范也都是要求在480kg 了。

在橋面濕接頭，也就是預制箱梁或預制 T 梁架設到蓋梁以上后，要進行連接，重新澆筑混凝土，使之成為一個整體（圖 1）。

圖 1 后澆的濕接頭

既然混凝土硬化過程也是個收縮過程，為了保障新老混凝土的粘結，對于后澆帶混凝土往往會要求使用微膨脹，這在很多設計文件上都有明確要求。

用的最多的膨脹劑就是 UEA，主要組分硫鋁酸鹽熟料、明礬石、石膏等材料磨細而成，下面的方程式是膨脹劑的膨脹機理：

也就是說膨脹劑要膨脹，需要大量的水參與反應。

Power TC 通過測定和計算得到（1960 年，高效減水劑問世前）：水泥完全水化的水灰比 0.227；使水泥完全水化而無毛細孔時的水灰比 0.379（水化的結合水＋凝膠孔中水）；使水泥完全水化并具有最低毛細孔孔隙率的水灰比為 0.437；使混凝土具有可施工的流動性（無外加劑），水灰比為 0.5。

混凝土變形（膨脹和收縮）與限制是個矛盾的統一體。膨脹要通過鋼筋和鄰位約束才能在結構中建立預壓應力。使用膨脹劑時需要注意膨脹劑的使用條件。由于膨脹劑的水化特性，并不是任何場合都適于使用膨脹劑。濕接頭的混凝土為 C50，水膠比在 0.30～0.32，結構密實，內部缺乏使膠凝材料充分水化的水分，本身水化水分就不夠用，如果膨脹劑膨脹過早，特別是需水量大的硫鋁酸鹽型膨脹劑，其內部水化程度更低，膨脹劑補償收縮的作用不能發揮，混凝土強度降低兩個等級。圖 2 為 C50 混凝土摻和不摻膨脹劑的破型對比照片。

另外，對橋面板類的薄板結構，缺乏必要的約束條件，也不適合膨脹劑使用。

圖 2 C50 配比混凝土破型照片

施工經驗的欠缺，也往往造成結構設計本身的先天不足。同樣的配筋，粗而疏有利于混凝土的澆筑施工但不利于抗裂，細而密有利于結構的抗裂但有時不利于施工。

如圖 3 所示。

圖 3 不合理的配筋

圖 3 左圖可見鋼筋布置比較密，對混凝土的澆筑造成困難，如果再加上鋼筋連接、焊接不規范，圖 3 右圖，只能灌砂漿了，但從設計角度肯定會按密實的鋼筋混凝土來進行計算，但實際上很可能會形成蜂窩狗洞，留下質量隱患。

對于結構設計師，多了解一些必要的材料知識、多了解施工是很有利于工作開展的，另外，設計圖上盡量要求主要的指標，不建議過細，因為相應的規范也都有技術要求，如果引用不當適得其反。