高層建筑混凝土結構設計分析

張環

摘要：隨著城市化建設的不斷推進，使得高層建筑日益增多，而混凝土結構作為高層建筑結構的重要形式，對于保障高層建筑工程安全非常重要，基于此，本文闡述了混高層建筑混凝土結構設計原則及其要求，對高層建筑混凝土結構設計要點進行了探討分析。

關鍵詞：高層建筑;混凝土結構;設計原則;設計要求;設計要點

一、高層建筑混凝土結構設計原則的分析

高層建筑混凝土結構設計原則主要表現為：第一、整體性原則。混凝土結構設計的整體性是指把各個部分組成一個整體，研究整體的功能和設計規律，從整體和部分中發現整體的特征。第三、整合性原則。混凝土結構設計中存在差異整合，使建筑各個部分合理的組合在一起，差異的部分相互互補，相互支持，保證著整合后的性能。第二、結構性原則。在混凝土結構設計過程中，要充分了解其結構與各要素是非常重要的。混凝土結構決定著建筑的性能和質量，同時它也是性能的載體，還可以反作用于結構。

二、高層建筑混凝土結構設計要求的分析

高層建筑混凝土結構設計要求主要體現在：（1）扭轉要求。混凝土結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心，在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用發生扭轉破壞，應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局，盡可能使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結構的扭轉振動，應使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下，由于城市規劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當需要采用不規則L形、T形、十字形等比較復雜的平面形式時，應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內。（2）側向位移限值要求。高層建筑混凝土工程結構的水平位移隨著高度增長而迅速變大，為防止位移過大，規范對頂點位移和層間位移都作了限制。控制頂點位移u/h的主要目的是保證建筑內人體有舒適感和防止房屋在罕遇地震時倒塌。但控制房屋在罕遇地震時倒塌與否的條件是結構極限變形能力而不是u/h限值。另外，為使結構具有較好的防倒塌能力，應在結構計算中考慮相關效應。（3）控制荷載要求。高層建筑需要承受地震、風力等水平荷載以及雪載、活載、自重等垂直荷載，低層建筑結構設計可以忽略水平荷載的位置和內力，但是對于高層建筑，水平荷載產生的位移和內力不斷增大，為了確保高層建筑的牢固性和穩定性，必須嚴格控制荷載變化。

三、高層建筑混凝土結構設計要點的分析

1、合理選擇混凝土結構體系。高層建筑混凝土結構體系的選擇應從建筑、結構、施工技術條件、建材、經濟等各專業進行綜合考慮。比如，第一、結構規則性問題，在規范中有相當多的限制條件，例如：平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此結構工程師在遵循規范規定上必須格外注意，避免后期施工圖設計階段工作的被動。第二、結構超高問題。在抗震規范與高規中，對結構總高度都有嚴格限制，除將原來的限制高度設定為A級高度建筑外，還增加了B級高度建筑，因此必須對結構高度嚴格控制，一旦結構為B級高度建筑或超過了B級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。高層建筑結構規范新舊版本有著很大的不同，在新規范中，對于結構的限制條件也有所增加，并且新規范明文規定建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。

2、高層建筑混凝土結構的基礎設計要點。高層建筑因其結構層數多，荷載大，基礎設計等級高等因素，因此在結構設計中不應忽視基礎設計，基礎選型應根據地質勘查報告，因地制宜，選用合理的基礎形式。高層剪力墻結構因其上部荷載較大，多選用筏板基礎或者樁基礎。基礎設計不僅要滿足承載力的要求，地基的沉降也是高層建筑必須要驗算的指標，應選用地質條件好的土層為地基持力層，選取整體剛度好的基礎形式，來減小高層建筑的沉降差，沉降量，來達到工程的要求。最后，高層建筑受水平荷載影響較大，容易產生結構的傾覆，故高層建筑基礎應該埋置一定深度來保證結構的穩定性。

3、高層建筑混凝土結構的上部結構設計要點分析。具體體現在：（1）混凝土結構中的柱設計要點分析。地震作用下的框架短柱剛度大，吸收較大的地震力，極易產生剪切破壞而形成結構抗震薄弱部位。因此在框架結構的雙跑板式樓梯設計時，為避免“框架短柱”的形成，應采取下列措施：一是采用復合箍筋沿柱全高加密的方式處理，同時保證短柱的縱向鋼筋對稱布置，且每側的縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%。二是通過提高構件受剪承載力和受壓承載力的方法來改善短柱的抗震性能，主要措施有在柱中配置螺旋箍筋、普通復合箍筋，加強對混凝土的約束，使混凝土的抗壓強度得到提高，從而防止構件在大剪壓比情況下發生剪切破壞。（2）混凝土結構中的梁設計要點。由于地震作用、風荷載等水平力的作用，往往使得框架粱的梁端負彎距遠大過跨中正彎距。因此為了避免框架粱負筋過多過密，在設計中往往都應將框架粱的負彎距乘以一個0.85左右的調幅系數進行調幅，減少粱端負彎跑，并使跨中正彎距相應增加，做到粱的上下配筋均勻一致。同時當不計算活荷載或不計算活荷載不利布置時，可通過此參數調整梁在恒活荷載作用下跨中正彎矩，一般取1.1～1.2。（3）剪力墻結構設計要點分析。高層建筑應有較好的空間工作性能，剪力墻結構應雙向布置，形成空間結構。在設計中若框剪結構剪力墻布置不均勻，單肢剛度過大的剪力墻經常出現，從而導致應力的過度集中，造成剪力墻的部分破壞。因此應該通過設計有選擇地連接兩片剪力墻，從而保持建筑物延性的連梁破壞，從而使柱子的完整性得以保證，這就是我們說的延性設計和連梁設計。設計要點是一方面為加強塑性鉸區的塑性轉動能力，及防止混凝土壓潰前受壓鋼筋過早壓屈，我們應在在梁的兩端設置箍筋加密區。同時為防止粘結破壞，可以在設計中采取措施使塑性鉸外移，將塑性鉸從柱面移開一定距離，從而避免梁端鋼筋屈服后向核心區發展。

四、結束語

綜上所述，混凝土材料在高層建筑工程建設中得到廣泛應用，并且高層建筑混凝土結構有著較高的強度以及荷載能力，可以有效保證高層建筑的結構穩定，因此對高層建筑混凝土結構設計進行分析具有重要意義。

參考文獻：

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[2]陳同舟.分析高層建筑鋼筋混凝土結構設計問題[J].建材與裝飾，2018.

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（作者單位：泰華欣業（天津）建筑設計有限公司）