淺論高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：隨著社會(huì)在發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，在一座座迅速崛起的城市中，增多的不僅是一幢幢的高層建筑，更是人們對(duì)高層建筑的研究，特別是對(duì)高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，更是越來越受到人們的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：高層建筑;混凝土結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

1.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

1.1建筑結(jié)構(gòu)的功能要求建筑結(jié)構(gòu)在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和正常維修條件下的功能要求，有下列三個(gè)：①安全性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用。②適用性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)能滿足預(yù)定的使用要求，有良好的工作性能，其變形、裂縫或振動(dòng)等性能均不超過規(guī)定的限度等。③耐久性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)有足夠的耐久性。

1.2結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。但是當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的使用年限到達(dá)或超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)使用期后，并不意味該結(jié)構(gòu)立即報(bào)廢不能使用了，而是說它的可靠性水平從此要逐漸降低了，在做結(jié)構(gòu)鑒定及必要加固后，仍可繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率，即結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。結(jié)構(gòu)可靠度的分析就是要合理地確定結(jié)構(gòu)的可靠度水平，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用和確保質(zhì)量的要求。

2.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方法

2.1完善單元結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)

獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)，是高層建筑中的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作適合采用簡(jiǎn)單、規(guī)則的平面形式，但平面的整體長(zhǎng)度與突出部分的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)控制于適宜的范圍，且具備均勻分布的承載力與剛度，同時(shí)，豎向結(jié)構(gòu)適合采取均勻、規(guī)則的形式，以保證建筑的外挑與內(nèi)收問題得到有效的控制。要達(dá)到這一目標(biāo)，混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者，應(yīng)當(dāng)在制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的階段，便努力地將概念設(shè)計(jì)的理念與知識(shí)作為參考，使建筑的適用性與美觀度等要求在得到滿足的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)的平面與豎向布局盡可能地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、均勻與規(guī)則性，保證其結(jié)構(gòu)剛度與承載力的合理分布，避免建筑獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn)過于集中的塑性變形或應(yīng)力。

2.2優(yōu)化高強(qiáng)的混凝土與鋼筋使用

高層建筑建設(shè)需要耗費(fèi)較多的混凝土、鋼等材料，若混凝土和鋼的強(qiáng)度過大，勢(shì)必會(huì)造成建筑材料總造價(jià)的超限，同時(shí)加大其他構(gòu)件的造價(jià)，從而降低建筑建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)高強(qiáng)度的混凝土與鋼筋的使用進(jìn)行合理的優(yōu)化控制。以軟土地基上的高層建筑設(shè)計(jì)為例，該結(jié)構(gòu)地基受到的荷載較高，設(shè)計(jì)人員可以通過優(yōu)化高強(qiáng)度的混凝土以及鋼筋的使用，使建筑中各構(gòu)件的截面尺寸得到合理優(yōu)化，從而減輕建筑的結(jié)構(gòu)自重，使建筑的基礎(chǔ)工程建設(shè)難度得到大幅度的削減，降低工程的地基處理工作造價(jià)。再以位于震區(qū)的高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，建筑的自重與地震作用程度成正比例關(guān)系，設(shè)計(jì)人員通過將高強(qiáng)度的混凝土與鋼筋的使用量減少，可以在減輕其梁、板、墻、柱等構(gòu)件自重的基礎(chǔ)上，降低地震的作用力，進(jìn)而保證建筑結(jié)構(gòu)的安全程度，使建筑的整體安全度得以提升。

2.3合理設(shè)計(jì)剪力墻平面結(jié)構(gòu)

（1）以建筑的各項(xiàng)基本結(jié)構(gòu)功能為依據(jù)，在滿足這些功能的前提下，盡可能地使剪力墻的布置實(shí)現(xiàn)相對(duì)的集中化與均勻化，對(duì)具有較高的恒載或者平面形式變化較大的部位設(shè)計(jì)剪力墻，應(yīng)當(dāng)盡量縮小其間距。

（2）以建筑的主軸方向或者是其他方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，對(duì)剪力墻進(jìn)行雙向的布置，且墻肢截面適合為具備較小的側(cè)向剛度的簡(jiǎn)單規(guī)則的形式，在設(shè)計(jì)中還要盡量地減少對(duì)短肢剪力墻的使用。

3.高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

3.1結(jié)構(gòu)安全性

高層建筑人群密度高，且不易逃避、實(shí)施救治，一旦發(fā)生災(zāi)害，造成的危害要比普通建筑高出許多。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須加強(qiáng)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)，以盡可能降低災(zāi)害造成的傷害程度。設(shè)計(jì)人員可以從以下幾個(gè)方面開展結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)：

（1）設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在保證建筑各項(xiàng)功能的同時(shí)，通過考慮結(jié)構(gòu)自身的抗震性能及外部人為因素可能造成的結(jié)構(gòu)破壞，有目的地將高層建筑的抗震等級(jí)提升。同時(shí)，還要從整體上，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與牢固度，避免將磚砌體承重或者裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層的公用屬性較高的建筑中，而要優(yōu)先選取現(xiàn)澆的鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)。

（2）設(shè)計(jì)人員要從建筑建設(shè)過程中及投入應(yīng)用后的各個(gè)方面入手，綜合考慮其荷載變化的狀況，盡可能地將建筑結(jié)構(gòu)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值與構(gòu)件承載力設(shè)置出較大的彈性裕度，并且為樓面等部位進(jìn)行額外的增加荷載的設(shè)計(jì)，以保證建筑在各級(jí)的地震與火災(zāi)等災(zāi)害中，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于自身結(jié)構(gòu)安全的維護(hù)。

3.2抗震概念

高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中，最容易受到的破壞，便是來自于地震威脅，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員要以抗震概念設(shè)計(jì)為依據(jù)，通過進(jìn)行抗震試驗(yàn)得出該建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)，或者借鑒相似建筑的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)體系、平立面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件延展性等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使建筑的抗震能力得到有效的提升。具體來講，在結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員要盡可能地選擇空間結(jié)構(gòu)以及平面布局簡(jiǎn)單規(guī)則的形式，作為建筑的整體結(jié)構(gòu)形式。以平面布局為例，可以將矩形、圓形、方形、扇形的結(jié)構(gòu)作為抗震結(jié)構(gòu)的體系形式，并減少對(duì)于不對(duì)稱的側(cè)翼或過長(zhǎng)的伸展翼的使用。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還要通過進(jìn)行合理的布局，使建筑的質(zhì)量與剛度實(shí)現(xiàn)均勻平衡的分布。而在平立面設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員可以將墻體設(shè)置為均勻?qū)ΨQ的形式，并提升樓梯或電梯的井筒等具備較高剛度的結(jié)構(gòu)布置的集中性，同時(shí)，將抗震墻設(shè)計(jì)為符合建筑結(jié)構(gòu)整體抗震需求的形式，以提升建筑平面結(jié)構(gòu)的抗震性能。而且，還要保持各轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在豎向剛度方面分布的接近，并使剪力墻的設(shè)計(jì)可以將墻面豎向持續(xù)地貫通到建筑底部。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延展性方面，可以將梁、柱端的組合剪力加大，或者提高柱體抗彎性能，并配合將梁端的鋼筋實(shí)際彎矩提升，以使建筑梁端早于柱端發(fā)揮塑性，使二者在外部荷載下，保持結(jié)構(gòu)變形的穩(wěn)定協(xié)調(diào)。

3.3耐久性

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要努力提升其耐久性，以延長(zhǎng)建筑的有效使用壽命，并且使建筑在遭遇各種災(zāi)害之后，依舊能夠維持其應(yīng)用的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能。下面就從幾個(gè)方面談?wù)撘幌禄炷恋慕Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的策略：

（1）選擇良好的混凝土材料。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在保證混凝土材料的質(zhì)量與基本性能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能、抗侵入性能、抗裂性能等幾個(gè)方面入手，選擇堅(jiān)固、耐久、潔凈的骨料，含堿量與水化熱反應(yīng)較低的水泥，減少對(duì)于硅酸鹽水泥與用水量的應(yīng)用，并適當(dāng)?shù)貙⒌V物摻合料加入到材料中。

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用設(shè)計(jì)工作。高層建筑中的混凝土結(jié)構(gòu)物普遍包括多個(gè)構(gòu)件，每一個(gè)構(gòu)件所處的環(huán)境存在顯著的差別，這就決定了不同構(gòu)件具備的耐久性壽命存在差異，因此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境，明確建筑中不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用界限與注意事項(xiàng)。以屋面、陽(yáng)臺(tái)及女兒墻的設(shè)計(jì)為例，這些部位的梁柱構(gòu)件，耐久性壽命普遍低于室內(nèi)，必須合理設(shè)定這些部件維修或更換的時(shí)間。

4.結(jié)語(yǔ)

高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有絕對(duì)最佳的標(biāo)準(zhǔn)模式，只有通過不斷地探索、比較，去尋求相對(duì)的最優(yōu)方式。才能逐漸的完善我們的設(shè)計(jì)，才能使我們的行業(yè)不斷地追求盡善盡美的設(shè)計(jì)思想，不只盲目照搬規(guī)范和依賴計(jì)算機(jī)程序作設(shè)計(jì)，用自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念、經(jīng)驗(yàn)、判斷力和創(chuàng)造力為業(yè)主和社會(huì)設(shè)計(jì)出更好的建筑。

參考文獻(xiàn)：

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[2]徐宜和，丁勇春，等.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的探討[J].江蘇建筑，2008，（03）.