高層建筑混凝土結構優化設計分析研究

楊衛東

（陜西建工第九建設集團有限公司，陜西 榆林 719000）

混凝土結構是建筑工程中較為常用的結構形式，多數狀況之下混凝土與鋼筋是主要的材料。混凝土結構具有較為優異的性能，加強對混凝土結構穩定性的分析直接影響建筑工程整體質量。

1 高層建筑混凝土結構類型分析

高層建筑混凝土結構主要可以分為鋼筋混凝土結構、組合結構以及新型結構、智能建筑結構幾種不同的類型。

1.1 鋼筋混凝土結構

鋼筋混凝土結構主要通過鋼筋以及混凝土構成，通過鋼筋混凝土建造主要包括了大模板現澆結構以及薄殼結構、應用滑模、升板等相關構造的鋼筋混凝土結構，是主要的承重構件。此種類型的結構整體性良好，具有耐高溫、位移較小，成本較低以及剛度較大的特征。

隨著混凝土增強材料技術在不斷的發展，鋼筋混凝土以及鋼混凝土等高強度的混凝土技術手段在不斷的發展，在多數的高層建筑結構中廣泛地應用了鋼筋混凝土結構。

1.2 組合結構

組合結構就是鋼筋混凝土組合結構與組合砌體結構構件構成。組合結構與鋼筋混凝土結構具有一定的差異性。相對于混凝土結構來說，可以有效地節約建筑施工需要的成本，其科技含量較高，組合結構中將混凝土填充在結構之中，可以有效地提升整體的承載能力，可以節省鋼材。組合結構應用范圍較為廣泛，在高層建筑結構等諸多行業中廣泛應用。

1.3 新型結構

高層建筑結構體系中剪力墻體系以及框架體系是較為常見的類型。新型的結構體系可以分為筒中筒體系、框筒體系以及束筒體系三種類型。相對于傳統的單片平面結構體系，新型的結構體系中具有較強的抗側剛度，其承載力更大。在高層建筑結構中應用功能較為全面，應用范圍較為廣泛。

1.4 智能建筑結構

智能化建筑結構在高層建筑中應用相對較少，是一種融合高新技術產品的建筑結構。在社會經濟發展過程中，人們的生活水平在不斷地提高，這些建筑結構在不斷地完善，建筑系統、結構體系以及服務管理在不斷地完善優化，為建筑結構設計提供了有效的技術支持。

2 高層建筑混凝土結構優化設計要點

2.1 項目概述

陜西省某地某25層高層住宅樓建筑設計施工中，要綜合建筑結構特征以及實際狀況合理分析設計。建筑結構面積為18 998.92 m。地上建筑面積約為18 308.89 m。地下建筑面積約為690.03 m。建筑層數：地上25層建筑結構，地下1層建筑結構。建筑結構的總高度為77.70 m。在此住宅建筑結構設計過程中，要根據國家規范要求與標準，綜合各項標準要求合理設計分析。在此項目設計過程中，要綜合實際狀況，進行混凝土結構設計分析，科學合理的選擇分析。

2.2 優化高層建筑結構選型

2.2.1 建筑結構規則性

新建筑規范以及舊建筑規范對比，針對高層建筑結構規則要求對其進行重大的調整，新建筑規范限制條件在不斷地完善，其主要包括建筑嵌固端上下層剛度以及平面規則性等因素。在這種狀況之下，建造師要根據規范要求對其進行高層建筑設計分析，避免在后續出現施工問題。

2.2.2 加強對建筑超高控制

現階段國家對于建筑結構的總高度進行了嚴格的限定，在高層建筑結構設計中在原有A級限制高度之外也新規范增加了B級高度要求。如果建筑高度達到了B級以及以上，在設計方案以及處理手段上來說均會出現不同程度的改變，因此在設計過程中要對其系統分析。

2.3 嵌固端位置設計

高層建筑一般狀況之下會添加人防結構以及地下室結構，在人防頂板以及地下室頂板上設置嵌固端。嵌固端的位置對于高層建筑結構會產生不同程度的影響，在設計過程中如果忽略此問題則會導致高層建筑結構出現細節問題。例如，在嵌固端的上下層剛度設計過程中，要分析限制范圍、嵌固端樓板設計以及結構縫位置是否協調，要分析上下層的抗震等級是否一致等問題，加強細節分析與設計，合理的大量設計變更分析，對建筑結構安全結構進行系統分析，合理設計。

2.4 短肢剪力墻在建筑結構中應用

新建筑規范中要保障短肢剪力墻符合設計要求，限制了高層建筑設計的短肢剪力墻的應用。在設計過程中要避免在高層建筑結構中應用短肢剪力墻，避免因為設計不規范導致其出現各種問題與不足。

2.5 高層建筑結構平面布置分析

在布置高層建筑結構平面圖的時候要降低扭轉產生的影響，同時要綜合在地震等自然災害的影響之下出現的偶然偏心因素，通過科學的方式進行樓層豎向構建層間位移、水平位移的評估分析，在評估過程中要分析建筑結構的層次。在高層建筑為A級的時候，位移量要控制在樓層平均數值的1.2倍范圍之內，其最大不得超過1.5倍，在高層建筑屬于B級高度以及混合性結構的時候，位移量最大則要避免高于樓層平均值的1.2倍。

進行高層建筑結構平面設計過程中，要綜合建筑結構的抗震性，保障高層建筑結構布置、平面形狀等符合規范要求，根據實際狀況進行結構調整。避免出現不規則結構。

在一般狀況之下高層建筑無須設置防震縫，如果建筑平面的形狀結構較為復雜，或者無法調整建筑結構布置以及平面形狀，就要根據實際狀況合理地進行防震縫的設計分析，通過防震縫隙進行單元結構的劃分處理。

2.6 高層建筑結構豎向布置分析

高層建筑混凝土結構在設計過程中，豎向結構會直接影響建筑結構的整體質量。高層建筑進行豎向設計分析過程中，要保障建筑結構整體的均勻性與規則性，如果沒有特殊性的要求，則要避免出現內收與外挑的設計。要綜合建筑重心以及結構穩定等因素，根據上小下大的基礎原則合理地進行建筑豎向結構的合理布置，建筑結構在設計過程中要保障其側向變化的均勻性、緩慢性。

如果建筑結構的豎向結構出現較為嚴重的不規則結構，則要對其系統分析，避免其對建筑結構穩定性產生不良影響。

如果建筑結構的豎向結構為內收結構，在設計過程中為了滿足高層建筑的抗震性需求，就要保障樓層的側向剛不不低于臨近上下樓層的側向剛度的70%，或者不低于鄰近3層側向剛度平均值的80%，如果高層建筑結構位于樓層上部的時候，樓層縮進位置與室外地面高度、建筑整體高度比值高于0.2，保障樓層上部縮進之后長度的樓層下部長度要高于75%以上。

2.7 高程建筑混凝土結構穩定性設計

2.7.1 臨界荷重

在高層建筑混凝土結構中會存在諸多的懸臂桿，懸臂桿主要可以分為剪切型、彎曲型以及彎剪型幾種類型。剪切型在失穩的正常狀況之下會導致整個樓層出現不同程度的失穩狀況。而純框架類型的梁以及柱會因為雙曲率彎曲而導致其出現不同程度的側位移狀態，這樣就會導致樓層出現失穩等問題。彎曲型的懸臂桿可以通過歐拉公式計算分析獲得其臨界荷重。

2.7.2 高層建筑混凝土結構臨界荷重確定

一般應用的結構構建要通過荷載效應標準組合分析，綜合長期作用產生的影響驗算分析，保障變形、裂縫等數值不會高于規定的最大限度。

通過分析混凝土材料、鋼筋實際的測量強度以及兩種材料的實際配筋率以及結構構建對應的界面集合實測值則可以確認實驗數值，分析結構上的荷載可以根據時間變異性不同將其劃分為永久荷載、可變荷載以及偶然荷載三種類型，荷載標準值取值分析如圖1所示。

圖1 荷載標準值取值分析

2.7.3 荷載標準值取值分析

不規則結構的豎向控制較為關鍵指標就是剛度比。剪切剛度則主要就是對底部大空間一層轉換結構設計評判分析，剪切剛度主要就是通過對底部為大空間且屬于多層的轉換結構進行判斷分析。樓層層間的位移數值可以判定混凝土結構豎向規則性，同時此種方式也是剛度比計算中較為普遍的缺省方式，在實踐中要綜合實際狀況進行針對性的控制分析，避免剛度突變等問題，如果出現薄弱層則就要強化分析。

抗震等級以及軸壓比限制也是關鍵因素。在實踐中要合理地進行框架柱軸壓比設定限制分析，提升抗倒塌能力，增強塑性變形能力，避免受到地震力的影響而出現不同程度的破壞與影響造成框架柱出現破壞與損壞等問題。剪重比設計過程主要對各個樓層中地震潛力最小數值合理分析，避免其受到地震作用的影響。混凝土結構構件安全系數如表1所示。

表1 混凝土結構構件安全系數

3 結語

高層建筑混凝土結構在設計過程中穩定性是較為關鍵的因素，根據實際狀況了解關鍵參數，制定有效的方案可以在根本上保障建筑混凝土的穩定性，保障其滿足內在的設計要求與需求。