混凝土结构设计的基本规定 混凝土结构设计的基本规定

混凝土，简称为"砼“，是当代最主要的土木工程材料之一。混凝土结构又称之为砼结构，主要以混凝土为主要成分，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构以及预应力混凝土结构。

1、混凝土的特点

混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。这些特点使其使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。

2、混凝土的功能作用

1.和易性

混凝土拌合物最重要的性能。它综合表示拌合物的稠度、流动性、可塑性、抗分层离析泌水的性能及易抹面性等。测定和表示拌合物和易性的方法和指标很多，中国主要采用截锥坍落筒测定的坍落度（毫米）及用维勃仪测定的维勃时间（秒），作为稠度的主要指标。

2.强度

混凝土硬化后的最重要的力学性能，是指混凝土抵抗压、拉、弯、剪等应力的能力。水灰比、水泥品种和用量、集料的品种和用量以及搅拌、成型、养护，都直接影响混凝土的强度。混凝土按标准抗压强度（以边长为150mm的立方体为标准试件，在标准养护条件下养护28天，按照标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度）划分的强度等级，称为标号，分为C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80、C85、C90、C95、C100共19个等级。混凝土的抗拉强度仅为其抗压强度的1/10～1/20。提高混凝土抗拉、抗压强度的比值是混凝土改性的重要方面。

3.变形

混凝土在荷载或温湿度作用下会产生变形，主要包括弹性变形、塑性变形、收缩和温度变形等。混凝土在短期荷载作用下的弹性变形主要用弹性模量表示。在长期荷载作用下，应力不变，应变持续增加的现象为徐变；应变不变，应力持续减少的现象为松弛。由于水泥水化、水泥石的碳化和失水等原因产生的体积变形，称为收缩。

硬化混凝土的变形来自两方面：环境因素（温、湿度变化）和外加荷载因素，因此有：

1）荷载作用下的变形：弹性变形和非弹性变形。

2）非荷载作用下的变形：收缩变形（干缩、自收缩）和膨胀变形（湿胀）。

3）复合作用下的变形：徐变

4.耐久性

在一般情况下，混凝土具有良好的耐久性。但在寒冷地区，特别是在水位变化的工程部位以及在饱水状态下受到频繁的冻融交替作用时，混凝土易于损坏。为此对混凝土要有一定的抗冻性要求。用于不透水的工程时，要求混凝土具有良好的抗渗性和耐蚀性。抗渗性 、抗冻性 、抗侵蚀性 为混凝土耐久性。

3、混凝土结构主要种类

1.素混凝土

素混凝土是指无筋或不配置受力钢筋的混凝土结构。素混凝土是钢筋混凝土结构的重要组成部分，由水泥、砂（细骨料）、石子（粗骨料）、矿物参合料、外加剂等，按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。普通混凝土干表观密度为1900～2500kg/m³，由天然砂、石作骨料制成的。当构件的配筋率小于钢筋混凝土中纵向受力钢筋最小配筋百分率时，应视为素混凝土结构。这种材料具有较高的抗压强度，而抗拉强度却很低，故一般在以受压为主的结构构件中采用，如柱墩、基础墙等。

2.钢筋混凝土

当在混凝土中配以适量的钢筋，则为钢筋混凝土。钢筋和混凝土这种物理、力学性能很不相同的材料之所以能有效地结合在一起共同工作，主要靠两者之间存在粘结力，受荷后协调变形。再者这两种材料温度线膨胀系数接近，此外钢筋至混凝土边缘之间的混凝土，作为钢筋的保护层，使钢筋不受锈蚀并提高构件的防火性能。

由于钢筋混凝土结构合理地利用了钢筋和混凝土两者性能特点，可形成强度较高，刚度较大的结构，其耐久性和防火性能好，可模性好，结构造型灵活，以及整体性、延性好，减少自身重量，适用于抗震结构等特点，因而在建筑结构及其他土木工程中得到广泛应用。

3.预应力混凝土

是指配置受力的预应力筋，通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土结构。

预应力混凝土在混凝土结构构件承受荷载之前，利用张拉配在混凝土中的高强度预应力钢筋而使混凝土受到挤压，所产生的预压应力可以抵消外荷载所引起的大部分或全部拉应力，也就提高了结构构件的抗裂度。这样的预应力混凝土一方面由于不出现裂缝或裂缝宽度较小，所以它比相应的普通钢筋混凝土的截面刚度要大，变形要小；另一方面预应力使构件或结构产生的变形与外荷载产生的变形方向相反（习惯称为“反拱”），因而可抵销后者一部分变形，使之容易满足结构对变形的要求，故预应力混凝土适宜于建造大跨度结构。

混凝土和预应力钢筋强度越高，可建立的预应力值越大，则构件的抗裂性越好。同时，由于合理有效地利用高强度钢材，从而节约钢材，减轻结构自重。由于抗裂性高，可建造水工、储水和其它不渗漏结构。

4、混凝土结构设计基本规定

《混凝土结构设计规范》是根据建设部建标1997108号文的要求，由中国建筑科学研究院会同有关的高等院校及科研、设计、企业单位共同修订而成的。目前，现行的最新版《混凝土结构设计规范》是经2015年局部修订的GB50010-2010。其对混凝土结构的基本设计作出了以下规定：

1.一般规定

1.混凝土结构设计应包括下列内容：

1）结构方案设计，包括结构选型、构件布置和传力途径；

2）作用及作用效应分析；

3）结构的极限状态设计

4）结构及构件的构造、连接措施；

5）耐久性及施工的要求；

6）满足特殊要求结构的专门性能设计。

2.本规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。

3.混凝土结构的极限状态设计应包括:

1）承载能力极限状态：结构或结构构件达到最大承载力、出现疲劳破坏、发生不适于继续承载的变形或因结构局部破坏而引发的连续倒塌；

2）正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值或耐久性能的某种规定状态。

4.结构上的直接作用（荷载）应根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009及相关标准确定;地震作用应根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011确定。

间接作用和偶然作用应根据有关的标准或具体情况确定。

直接承受吊车荷载的结构构件应考虑吊车荷载的动力系数。

预制构件制作、运输及安装时应考虑相应的动力系数。对现浇结构，必要时应考虑施工阶段的荷载。

5.混凝土结构的安全等级和设计使用年限应符合现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153的规定。

混凝土结构中各类结构构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同。对其中部分结构构件的安全等级，可根据其重要程度适当调整。对于结构中重要构件和关键传力部位，宜适当提高其安全等级。

6.混凝土结构设计应考虑施工技术水平以及实际工程条件的可行性。有特殊要求的混凝土结构，应提出相应的施工要求。

7.设计应明确结构的用途；在设计使用年限内未经技术鉴定或设计许可，不得改变结构的用途和使用环境。

2.结构方案

1.混凝土结构的设计方案应符合下列要求：

1）选用合理的结构体系、构件形式和布置；

2）结构的平、立面布置宜规则，各部分的质量和刚度宜均匀、连续；

3）结构传力途径应简捷、明确，竖向构件宜连续贯通、对齐；

4）宜采用超静定结构，重要构件和关键传力部位应增加冗余约束或有多条传力途径；

5宜采取减小偶然作用影响的措施。

2.混凝土结构中结构缝的设计应符合下列要求：

1）应根据结构受力特点及建筑尺度、形状、使用功能要求，合理确定结构缝的位置和构造形式；

2）宜控制结构缝的数量，并应采取有效措施减少设缝对使用功能的不利影响；

3）可根据需要设置施工阶段的临时性结构缝。

3. 结构构件的连接应符合下列要求：

1）连接部位的承载力应保证被连接构件之间的传力性能；

2）当混凝土构件与其他材料构件连接时，应采取可靠的措施；

3）应考虑构件变形对连接节点及相邻结构或构件造成的影响。

4.混凝土结构设计应符合节省材料、方便施工、降低能耗与环境保护的要求

3.承载能力极限状态计算

1.混凝土结构的承载能力极限状态计算应包括下列内容：

1）结构构件应进行承载力（包括失稳）计算；

2）直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算；

3）有抗震设防要求时，应进行抗震承载力计算；

4）必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算；

5）对于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起严重后果的重要结构，宜进行防连续倒塌设计。

2.对持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况，当用内力的形式表达时，结构构件应采用下列承载能力极限状态设计表达式：

y0S ≤R （3.3.2-1）

R=R(fc,fs,ak…)/yRd （3.3.2-2）

式中：y0—一结构重要性系数:在持久设计状况和短暂设计状况下，对安全等级为一级的结构构件不应小于1.1，对安全等级为二级的结构构件不应小于1.0，对安全等级为三级的结构构件不应小于0.9；对地震设计状况下应取1.0；

S—一承载能力极限状态下作用组合的效应设计值：对持久设计状况和短暂设计状况应按作用的基本组合计算；对地震设计状况应按作用的地震组合计算；

R——结构构件的抗力设计值；

R( · )—一结构构件的抗力函数；

yRd—一结构构件的抗力模型不定性系数：静力设计取1.0，对不确定性较大的结构构件根据具体情况取大于1.0的数值；抗震设计应采用承载力抗震调整系数yRE代替yRd ;

fc、fs——混凝土、钢筋的强度设计值，应根据本规范第4.1.4条及第4.2.3条的规定取值；

ak——几何参数的标准值，当几何参数的变异性对结构性能有明显的不利影响时，应增减一个附加值。

注：公式中的y0S为内力设计值，在本规范各章中用N、M、V、T等表达。

3.对二维、三维混凝土结构构件，当按弹性或弹塑性方法分析并以应力形式表达时，可将混凝土应力按区域等代成内力设计值，按上述公式进行计算；也可直接采用多轴强度准则进行设计验算。

4.对偶然作用下的结构进行承载能力极限状态设计时，公式（3.3.2-1）中的作用效应设计值S按偶然组合计算，结构重要性系数y。取不小于1.0的数值;公式（3.3.2-2）中混凝土、钢筋的强度设计值fc、fs改用强度标准值fck 、fyk(或fpyk) 。

当进行结构防连续倒塌验算时，结构构件的承载力函数应按本规范第3.6节的原则确定。

5.对既有结构的承载能力极限状态设计，应按下列规定进行：

1）对既有结构进行安全复核、改变用途或延长使用年限而需验算承载能力极限状态时，宜符合本规范第3.3.2条的规定；

2）对既有结构进行改建、扩建或加固改造而重新设计时，承载能力极限状态的计算应符合本规范第3.7节的规定。

4.正常使用极限状态验算

1.混凝土结构构件应根据其使用功能及外观要求，按下列规定进行正常使用极限状态验算：

1）对需要控制变形的构件，应进行变形验算；

2）对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；

3）对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算；

4）对舒适度有要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。

2.对于正常使用极限状态，钢筋混凝土构件、预应力混凝土构件应分别按荷载的准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响，采用下列极限状态设计表达式进行验算：

S≤C （3.4.2）

式中：S——正常使用极限状态荷载组合的效应设计值；

C——结构构件达到正常使用要求所规定的变形、应力、裂缝宽度和自振频率等的限值。

3.钢筋混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载的准永久组合，预应力混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载的标准组合，并均应考虑荷载长期作用的影响进行计算，其计算值不应超过表3.4.3规定的挠度限值。

注：① 表中l0为构件的计算跨度;计算悬臂构件的挠度限值时，其计算跨度l0按实际悬臂长度的2倍取用；

② 表中括号内的数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件；

③ 如果构件制作时预先起拱， 且使用上也允许，则在验算挠度时，可将计算所得的挠度值减去起拱值;对预应力混凝土构件，尚可减去预加力所产生的反拱值；

④ 构件制作时的起拱值和预加力所产生的反拱值，不宜超过构件在相应荷载组合作用下的计算挠度值。

4.结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级，等级划分及要求应符合下列规定：

一级——严格要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。

二级——般要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值。

三级——允许出现裂缝的构件，对钢筋混凝土构件，按荷载准永久组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过本规范表3.4.5规定的最大裂缝宽度限值。对预应力混凝土构件，按荷载标准组合并考虑长期作用的影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过本规范第3.4.5条规定的最大裂缝宽度限值；对二a类环境的预应力混凝土构件，尚应按荷载准永久组合计算，且构件受拉边缘混凝土的拉应力不应大于混凝土的抗拉强度标准值。

5.结构构件应 根据结构类型和本规范第3.5.2条规定的环境类别，按表3.4.5的规定选用不同的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值wlim。

注： ① 对处于年 平均相对湿度小于60%地区一类环境下的受弯构件，其最大裂缝宽度限值可采用括号内的数值；

② 在一类环境下，对钢筋混凝土屋架、托架及需作疲劳验算的吊车梁，其最大裂缝宽度限值应取为0.20mm；对钢筋混凝土屋面梁和托梁，其最大裂缝宽度限值应取为0. 30mm；

③ 在一类环境下，对预应力混凝土屋架、托架及双向板体系，应按二级裂缝控制等级进行验算；对一类环境下的预应力混凝土屋面梁、托梁、单向板，应按表中二a类环境的要求进行验算；在一类和二a类环境下需作疲劳验算的预应力混凝土吊车梁，应按裂缝控制等级不低于二级的构件进行验算；

④ 表中规定的预应力混凝土构件的裂缝控制等级和最大裂缝宽度限值仅适用于正截面的验算；预应力混凝土构件的斜截面裂缝控制验算应符合本规范第7章的有关规定；

⑤ 对于烟囱、简仓和处于液体压力下的结构，其裂缝控制要求应符合专门标准的有关规定；

⑥ 对于处于四、五类环境下的结构构件，其裂缝控制要求应符合专门标准的有关规定；

⑦ 表中的最大裂缝宽度限值为用于验算荷载作用引起的最大裂缝宽度。

6.对混凝土楼盖结构应根据使用功能的要求进行竖向自振频率验算，并宜符合下列要求：

1）住宅和公寓不宜低于5Hz；

2）办公 楼和旅馆不宜低于4Hz；

3）大跨度公共建筑不宜低于3Hz。

5.耐久性设计

1.混凝土结构应根据设计使用年限和环境类别进行耐久性设计，耐久性设计包括下列内容：

1）确定结构所处的环境类别；

2）提出对混凝 土材料的耐久性基本要求；

3）确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度；

4）不同环境条件下的耐久性技术措施；

5）提出结 构使用阶段的检测与维护要求。

注：对临时性的混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。

2.混凝土结构暴露的环境类别应按表3.5.2的要求划分。

注：① 室内潮湿环境是指构件表面经常处于结露或湿润状态的环境；

② 严寒和寒冷地区的划分应符合现行国家标准《民用建筑热工设计规范》GB 50176的有关规定；

③ 海岸环境和海风环境宜根据当地情况，考虑主导风向及结构所处迎风、背风部位等因素的影响，由调查研究和工程经验确定；

④ 受除冰盐影响环境是指受到除冰盐盐雾影响的环境；受除冰盐作用环境是指被除冰盐溶液溅射的环境以及使用除冰盐地区的洗车房、停车楼等建筑；

⑤ 暴露的环境是指混凝土结构表面所处的环境。

3.设计使用年限为50年的混凝土结构，其混凝土材料宜符合表3.5.3的规定。

注：①氯离子含量系指其占胶凝材料总量的百分比；

② 预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0. 06%；其最低混凝土强度等级宜按表中的规定提高两个等级；

③ 素混凝士构件的水胶比及最低强度等级的要求可适当放松；

④ 有可靠工程经验时， 二类环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等级；

⑤ 处于严寒和寒冷地区二b、三a类环境中的混凝土应使用引气剂，并可采用括号中的有关参数；

⑥ 当使用非碱活性骨料时，对混凝土中的碱含量可不作限制。

4.混凝土结构及构件尚应采取下列耐久性技术措施：

1）预应力混凝土结构中的预应力筋应根据具体情况采取表面防护、孔道灌浆、加大混凝土保护层厚度等措施，外露的锚固端应采取封锚和混凝土表面处理等有效措施；

2）有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求；

3）严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求；

4）处于二、三类环境中的悬臂构件宜采用悬臂梁板的结构形式，或在其上表面增设防护层；

5）处于二、 三类环境中的结构构件，其表面的预埋件、吊钩、连接件等金属部件应采取可靠的防锈措施，对于后张预应力混凝土外露金属锚具，其防护要求见本规范第10.3.13条；

6）处在三类环境中的混凝土结构构件，可采用阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋或其他具有耐腐蚀性能的钢筋、采取阴极保护措施或采用可更换的构件等措施。

5.一 类环境中，设计使用年限为100年的混凝土结构应符合下列规定：

1）钢筋混凝土结构的最低强度等级为C30；预应力混凝土结构的最低强度等级为C40；

2）混凝土中的最大氯离子含量为0.06%；

3）宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，混凝土中的最大碱含量为3. 0kg/m³ ;

4）混凝土保护层厚度应符合本规范第8.2.1条的规定;当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减小。

6.二、 三类环境中，设计使用年限100年的混凝土结构应采取专门的有效措施。

7.耐久性环境类别为四类和五类的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。

8.混凝土结构在设计使用年限内尚应遵守下列规定：

1）建立定期检测、 维修制度；

2）设计中 可更换的混凝土构件应按规定更换；

3）构件表面的防护层， 应按规定维护或更换；

4）结构出现可见的耐久性缺陷时，应及时进行处理。

6.防连续倒塌设计原则

1.混凝 土结构防连续倒塌设计宜符合下列要求：

1）采取减小偶然作用效应的措施；

2）采取使重要构件及关键传力部位避免直接遭受偶然作用的措施；

3）在结构容易遭受偶然作用影响的区域增加冗余约束，布置备用的传力途径；

4）增强疏散通道、 避难空间等重要结构构件及关键传力部位的承载力和变形性能；

5）配置贯通水平、竖向构件的钢筋，并与周边构件可靠地锚固；

6）设置结构缝，控制可能发生连续倒塌的范围。

2.重要结构的防连续倒塌设计可采用下列方法：

1）局部加强法：提高可能遭受偶然作用而发生局部破坏的竖向重要构件和关键传力部位的安全储备，也可直接考虑偶然作用进行设计。

2）拉结构件法：在结构局部竖向构件失效的条件下，可根据具体情况分别按梁拉结模型、悬索拉结模型和悬臂拉结模型进行承载力验算，维持结构的整体稳固性。

3）拆除构件法: 按一定规则拆除结构的主要受力构件，验算剩余结构体系的极限承载力；也可采用倒塌全过程分析进行设计。

3.当进行偶然作用下结构防连续倒塌的验算时，作用宜考虑结构相应部位倒塌冲击引起的动力系数。在抗力函数的计算中，混凝土强度取强度标准值fck；普通钢筋强度取极限强度标准值fstk，预应力筋强度取极限强度标准值fptk并考虑锚具的影响。宜考虑偶然作用下结构倒塌对结构几何参数的影响。必要时尚应考虑材料性能在动力作用下的强化和脆性，并取相应的强度特征值。

7.既有结构设计原则

1.既有结构延长使用年限、 改变用途、改建、扩建或需要进行加固、修复等，均应对其进行评定、验算或重新设计。

2.对既有结构进行安全性、 适用性、耐久性及抗灾害能力评定时，应符合现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153的原则要求，并应符合下列规定：

1）应根据评定结果、使用要求和后续使用年限确定既有结构的设计方案；

2）既有结构改变用途或延长使用年限时， 承载能力极限状态验算宜符合本规范的有关规定；

3）对既有结构进行改建、扩建或加固改造而重新设计时，承载能力极限状态的计算应符合本规范和相关标准的规定；

4）既有结构的正常使用极限状态验算及构造要求宜符合本规范的规定；

5）必要时可对使用功能作相应的调整，提出限制使用的要求。

3.既有结构的设计应符合下列规定：

1）应优化结构方案，保证结构的整体稳固性；

2）荷载可按现行规范的规定确定，也可根据使用功能作适当的调整；

3）结构既有部分混凝土、钢筋的强度设计值应根据强度的实测值确定;当材料的性能符合原设计的要求时，可按原设计的规定取值；

4）设计时应考虑既有结构构件实际的几何尺寸、截面配筋、连接构造和已有缺陷的影响；当符合原设计的要求时，可按原设计的规定取值；

5）应考虑既有结构的承载历史及施工状态的影响；对二阶段成形的叠合构件，可按本规范第9. 5节的规定进行设计。

5、混凝土结构设计软件

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生成施工文档（如平面图、剖面图和详图），这些全部与三维模型自动关联。对三维模型所作的更改会在工程图中自动更新。使用工程图中需要重新发布的自动标记来轻松管理模型的更改和修订。

8.生成结构设计文档

自动生成结构设计文档，包括用于传递设计意图的必要平面图和立面图。对三维模型所作的更改会在文档中自动更新。

9.生成结构详图

利用在结构模型中建立的设计结果直接生成详细的二维工程图。使用软件中提供的设置自定义工程图的样式和格式。

10.共享结构模型

将结构模型几何图形和设计结果从一个应用程序传输到另一个应用程序，并同步未来变化。快速共享结构模型、工程图和信息以供整个团队查看。

11.跟踪和恢复结构设计变更

管理三维模型的设计变更，利用可选说明和时间戳跟踪版本修订。在项目期间，可以随时回退或撤销选定的变更。查看多个设计方案，并从建模错误中快速恢复。

12.充分利用国际通用标准截面配置文件

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