高層建筑混凝土結構設計相關探討

申秀琴

摘 要：社會在發展，時代在進步，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，更是人們對高層建筑的研究，特別是對高層建筑中混凝土結構的研究，對于混凝土結構的設計優化，更是越來越受到人們的關注。文章對高層建筑中各種混凝土結構的發展以及高層建筑的結構設計體系及因素進行了分析，并提出了高層建筑中有關混凝土結構優化設計的一些方案。

關鍵詞：高層建筑；混凝土結構；因素；優化設計

近些年來，隨著我國社會的不斷發展，人們生活水平的不斷提高，人們對自己所居住的建筑要求也越來越高，建造的各類高層建筑層出不窮，給城市建設帶來了新的面貌，日益復雜的使用功能和多樣化的建筑特征給高層建筑結構的設計者帶來了非常嚴峻的挑戰。

1 高層建筑混凝土結構體系

1.1 鋼筋混凝土結構。鋼筋混凝土結構是最早的高層建筑結構，該結構主要由鋼筋和混凝土構成。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》對高層建筑的定義指的是：10層及10層以上或房屋高度大于28米的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑。混凝土結構的整體性較能好，且具有耐高溫、位移小、維護方便、成本低和剛度大等特點，鋼筋混凝土結構的一系列特點，都是鋼結構所望塵莫及的。民用建筑中常用的高層鋼筋混凝土結構體系主要有：（1）框架結構。（2）剪力墻結構。（3）框架剪力墻結構。（4）筒體結構。（5）板柱結構、板柱-剪力墻結構等。隨著我國混凝土材料技術的不斷發展。鋼筋混凝土結構已經成為我國大多數高層建筑所采用的結構體系，是目前我國應用最廣泛的、也是大多數設計者最熟悉的建筑結構型式。

1.2 混合結構。混合結構是由鋼框架（框筒）、鋼管混凝土框架（框筒）、型鋼混凝土框架（框筒）與鋼筋混凝土核心筒體所組成的共同承受水平和豎向作用的建筑結構.混合結構是在鋼結構和混凝土結構的基礎上發展起來的一種新型結構，混合結構是近年來在國內迅速發展并廣泛應用的一種高層建筑結構體系，它不僅具有混凝土的抗壓能力和承重能力強的優點，還具有鋼的抗拉能力及抗剪能力好的優越性能，在實踐中已經取得良好的經濟效益和社會效益。通常，根據鋼與混凝土組合結構所采用鋼材形式與配鋼方式的不同，可以將其分為組合樓板、鋼與混凝土組合梁、型鋼混凝土、鋼管混凝土等多種形式。其主要特點有：（1）承載力提高。據相關實驗表明，鋼—混凝土混合結構在梁截面受局部載荷時，可破壞載荷大約為設計載荷的2.2～2.6倍，能夠有效的提高承載力。（2）抗疲勞性能好。由于混凝土翼板的存在，有效的降低了鋼梁上翼緣應力，在實際應用中也表明混合結構梁比純鋼梁具有更好的抗沖擊、抗疲勞的能力。（3）節約鋼材用量。在該混合結構中，混凝土可以替代部分鋼結構，使得用鋼量大幅下降，實踐表明，鋼—混凝土混合結構梁比鋼結構梁用鋼量少20%～40%。（4）增加剛度，提高抗震性和穩定性。一方面，混凝土板參與梁的工作，有效的增加了梁的剛度，在用鋼量相同的條件下，與鋼梁結構相比，梁撓度可減少30%～50%，并且截面高度減小1/4～1/3。另一方面，混合結構梁上翼緣側向剛度大，進而使得整體穩定性提高，從而提高了抗震性能。

在高層建筑結構體系中，剪力墻體系和框架體系等幾種類型是比較常見的，而對于新型的結構體系，它主要是以筒體的組成方式來作為區分標準的，新型結構體系可分為三種體系：筒中筒體系、框筒體系和束筒體系。相比于傳統的單片平面結構體系，新型結構體系中的筒體則具有更大的抗側剛度，且承載力更大。目前，在功能較全且層數較多用途較廣的高層建筑中，這種新型結構體系相對比較適用。

2 高層建筑結構設計考慮因素

在高層建筑中，當建筑物達到一定高度，安全性就會成為重要的考慮因素，混凝土結構的優化設計是安全性的一個重要保證，因此，對于具有一定高度的高層建筑，在設計時，混凝土結構的優化設計就顯得異常重要。高層建筑結構設計必須充分考慮各方面因素，使其達到強度足夠、剛度適宜、延性良好、設計合理的標準。需要考慮的因素主要包括：

2.1 側向力。側向力主要是指建筑物在建成以后所承受的風力、地震力和垂直載荷等外力。無論是高層建筑還是低層建筑都要承受這樣的側向力，低層建筑受到水平力較小，而高層建筑受到水平力隨著層數的增多而不斷增大。因此，風荷載和地震力等側向力應該成為高層建筑結構設計時著重考慮的因素，這些因素正是影響高層建筑物結構變形、結構內力的主要因素。

2.2 適宜的剛度。據胡克定律，剪切模量G能夠在很大程度上決定向同材料的剛度，同時，建筑物的形狀購置也將在很大程度上決定建筑物在塑性期的剛度。在高層建筑建設過程中，建筑高度是一系列風險因素的出現原因，其中不僅包括側向力，更包括側向位移，它是會隨著建筑物高度的增加而逐漸增大，當高層建筑在水平力的作用之下，為了使高層建筑的側向位移保持在一定范圍之內，高層建筑必須具有足夠的強度，同時，自振周期必須控制在最合理范圍內。只有這樣，高層建筑的結構設計才是最優化的。

2.3 延性良好。正如我們的常識所知，當同時受到地震等側向力的作用，高層建筑比低層建筑更容易變形，其原因主要就在于高層建筑更具柔性。因此，在高層建筑結構設計中，在滿足具有足夠的強度之后，提高高層建筑結構整體和局部的變形能力成為第二個需要重點研究的問題。當整體結構進入塑性變形階段仍具有較強的變形能力，在當今的設計技術條件下，通過優良的概念設計和合理的構造措施使高層建筑具有足夠的延性這才是設計問題的重點。避免高層建筑在大地震作用下而倒坍，確保生命和財產安全。

2.4 控制含泥量以及骨料級配。施工人員在配置混凝土時，應采用10.4mm連續級配碎石，其中65%都應為10.3mm級配碎石。施工企業所使用的中砂，細度模數應控制于2.8至3.0，施工人員可借助0.315凹篩孔篩選中砂，篩出砂的重量不少于中砂總重量的15%即可。砂、石的含泥量不得高于1%，且其中不得含有有機質雜物，施工企業不可使用海砂作為混凝土材料。

3 高層建筑混凝土結構優化設計的具體方法

3.1 合理使用高強砼和高強鋼筋。在建筑的整個施工過程中，用鋼量是影響總造價的一個重要因素。因此，為了合理降低用鋼量，降低造價，節約成本，設計中必須合理使用高強鋼筋。然而在高層建筑位于深厚軟弱地基之上的情況下，強砼和高強鋼筋高優化構件截面尺寸的合理使用，對于減輕地基載荷，降低基礎施工的難度，縮減造價，將具有非常直觀的經濟效果。由于地震對于一幢建筑的破壞程度，是與該幢建筑的自重成正比的，自重越大，受損毀的可能性，破壞程度就越大。因此，減輕建筑物自重能夠減小其受地震破壞的程度，為建筑物的安全提供保證。所以，高強砼和高強鋼筋在設計中的合理使用對于快速、有效的減少墻、柱、梁、板等構件的截面尺寸，減少用鋼量，減輕建筑自重，最后達到降低造價及安全使用的目的具有十分重要的作用。

3.2 注重剪力墻的平面布置。具體應如何注重剪力墻的平面布置，我們應該從以下幾方面做起：（1）剪力墻的布置原則在于沿周邊均勻、相對集中布置，同時又不損害建筑原有的使用功能。一般布置在建筑物的樓梯間、電梯間處，以及平面形狀變化及恒載較大的部位，其間距宜適中，不宜過大。（2）剪力墻墻肢截面應具有簡單、規則的特點，剪力墻結構應具有一定側向剛度，但不宜過大。（3）較多的短肢剪力墻不會起到聯合剪力的良好效果，全部為短肢剪力墻的情況更是應該避免出現。

3.3 抗震設計中，注意鋼筋混凝土結構的延性。在構件設計的時候，要加強設計中的科學性，需遵循：“強節點弱桿件、強柱弱梁、強剪弱彎、強壓弱拉”的設計準則。在實際設計的時候，一定要注意結構的抗震設計，主要破壞屬于延性的破壞，而不是脆性破壞，這一點非常重要。

其次，對鋼筋混凝土構件，合理確定截面尺寸，恰當配置縱筋和箍筋（抗剪斜筋），加強鋼筋的錨固，避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土壓潰先于鋼筋屈服、鋼筋粘結錨固失效先于桿件破壞。

在具體的結構抗震設計中，要重視鋼筋混凝土的延性構件分析，在設計中要加強延性指標設計，對截面曲率延性要設計合理，針對構件位移延性，應按照相應的公式保證設計的科學性。

4 結語

總而言之，在高層建筑混凝土結構設計時，應充分考慮各方面因素，如高層建筑的風荷載和地震力的影響；考慮自重和地基基礎的影響；保證高層建筑結構具有足夠的承載力，具有適宜的剛度，具有良好的延性。與此同時，也應該能夠從整體上把握結構整體的設計，了解總體系和主要體系間的最佳傳力途徑，從而找到最優化的結構方案，滿足建筑物的使用要求。

參考文獻

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