高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析研究

趙鑫

（中天設(shè)計集團有限公司，長春 130000）

1 引言

高層建筑結(jié)構(gòu)日常使用過程中，不僅要承受外部載荷，還要承擔(dān)自身質(zhì)量及其他豎向載荷。而且，高層建筑會受到地震、風(fēng)等因素的影響，在進行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要綜合考慮各種因素，結(jié)合建筑用途、結(jié)構(gòu)類型、抗震條件等要素開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則

2.1 安全性

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要將結(jié)構(gòu)安全問題擺在首位。在進行結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)工作前，要堅持以人為本的原則，以混凝土結(jié)構(gòu)安全性標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，確定高層建筑整體設(shè)計價值及意義。保證建筑的安全設(shè)計，滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，確保設(shè)計高效、合理[1]。

2.2 適用性

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合內(nèi)外多種因素進行建筑的功能性分析，對高層建筑內(nèi)部空間進行構(gòu)思，綜合分析建筑整體功能性需求，保持建筑良好的適用性，充分發(fā)揮高層建筑自身特點，以便獲取良好的結(jié)構(gòu)性能。

2.3 可靠性

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限需要結(jié)合材料、技術(shù)、工藝等要素進行綜合控制，在預(yù)設(shè)過程中針對高層建筑可靠性、安全性、耐用性進行選擇及提升，都需要考慮以上要素的影響。在后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，秉承安全性原則，以耐用性為前提進行分析，確保混凝土結(jié)構(gòu)可靠性滿足高層建筑建設(shè)需求。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

3.1 合理布置建筑平面結(jié)構(gòu)

高層建筑平面布局結(jié)構(gòu)會對建筑抗震性能產(chǎn)生較大影響，而抗震性能是所有建筑進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須重點關(guān)注的基礎(chǔ)性工作。具體設(shè)計工作中，要按照高層建筑抗震設(shè)計原則、要求、標(biāo)準(zhǔn)等進行設(shè)計，關(guān)注混凝土結(jié)構(gòu)材料對建筑抗震性能的影響，根據(jù)建筑樓層高度選擇合理的抗震等級。一般情況下，簡單、對稱、規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)能夠提升建筑整體的抗震能力，并且消耗地震釋放的部分能量，能夠很好地弱化地震的延伸作用，降低地震對高層建筑的破壞。而對于多塔結(jié)構(gòu)、頂部塔樓結(jié)構(gòu)等要掌握其振型數(shù)，合理控制其大小，做好設(shè)計數(shù)據(jù)核算，嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計要求，遵循抗震設(shè)計理念開展工作，在滿足建筑建設(shè)要求的基礎(chǔ)上，盡量選擇規(guī)則性較強的平面結(jié)構(gòu)，進而提升高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。

3.2 選擇有效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式

高層建筑抗側(cè)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠提升建筑水平抗震性能。日常混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，要綜合建筑功能性、高度、結(jié)構(gòu)等要素進行考慮，選擇有效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式。若建筑高度小于50m，且內(nèi)部空間要求標(biāo)準(zhǔn)高，可以選擇框架結(jié)構(gòu)作為混凝土結(jié)構(gòu)抗震體系，以便充分利用框架結(jié)構(gòu)的靈活空間；若建筑高度在100m左右，可以選擇剪力墻結(jié)構(gòu)，確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且結(jié)構(gòu)水平位移較小；對于建筑空間、結(jié)構(gòu)類型都要求較高的建筑，可以選擇框剪結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)等進行設(shè)計，在滿足高層建筑功能性要求的同時保障結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度達標(biāo)。

3.3 根據(jù)建設(shè)要求選擇基礎(chǔ)類型

高層建筑基礎(chǔ)需要承載上部所有結(jié)構(gòu)重量，其類型的選擇需要根據(jù)施工區(qū)域水文、地質(zhì)勘察資料，以及上部結(jié)構(gòu)形式、載荷等要素進行綜合分析才能確立較為科學(xué)的基礎(chǔ)形式。而且，高層建筑基礎(chǔ)類型會對建筑安全、功能、成本產(chǎn)生直接影響，必須以慎重的態(tài)度對待，選擇科學(xué)、有效的基礎(chǔ)方案。若建筑層數(shù)較少、載荷較小，且建設(shè)區(qū)域水文、地質(zhì)等要素處于較好水平，可以選擇獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)等，這2類基礎(chǔ)經(jīng)濟性、便利性都非常高；若建筑層數(shù)較多、載荷較大，且建設(shè)區(qū)域的水文、地質(zhì)等要素存在較大問題，可以選擇樁基礎(chǔ)，通過樁基的摩擦力、端承力將上部載荷傳遞到大地當(dāng)中；若建筑層數(shù)較多、建設(shè)區(qū)域水文地質(zhì)條件優(yōu)越，或者建筑層數(shù)較少且基礎(chǔ)持力層的土質(zhì)較差，均可使用筏板類型的混凝土基礎(chǔ)，增加高層混凝土結(jié)構(gòu)與下部持力層之間的基礎(chǔ)面積，降低土層單位面積荷載，提升基礎(chǔ)整體承載能力[3]。

3.4 關(guān)注薄弱層結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作

高層建筑薄弱層的設(shè)計非常關(guān)鍵。這主要是由于薄弱層會在外部強烈的地震作用下，出現(xiàn)屈服形變問題，給混凝土結(jié)構(gòu)帶來較為嚴(yán)重的安全影響。因此，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計期間需要對結(jié)構(gòu)薄弱層進行重點關(guān)注，選擇有效的設(shè)計方法提升整體結(jié)構(gòu)安全性。若高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)豎向結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)，而樓層剛度比低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)薄弱層。此時，在設(shè)計過程中，需要借助放大調(diào)整系數(shù)調(diào)整結(jié)構(gòu)薄弱層的構(gòu)件設(shè)計，確保薄弱層安全標(biāo)準(zhǔn)滿足規(guī)范要求，提升整個高層建筑抗震能力。

3.5 優(yōu)化轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計工作

高層建筑底部各層對建筑空間要求存在多種標(biāo)準(zhǔn)，這就需要在高層建筑當(dāng)中設(shè)計轉(zhuǎn)換層來完成整體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計需要關(guān)注轉(zhuǎn)換層上下豎向結(jié)構(gòu)設(shè)置是否合理，是否能夠?qū)⒙涞丶袅Π俜直瓤刂圃诤侠矸秶⒔鉀Q建筑豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度突變問題。若無法合理設(shè)置建筑轉(zhuǎn)換層內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，很容易造成高層建筑豎向剛度突變性轉(zhuǎn)變，進而出現(xiàn)抗震不利的薄弱點，影響高層建筑整體結(jié)構(gòu)安全。對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上、下2部分的剛度來說，需要嚴(yán)格控制其剛度比，確保能夠提升建筑豎向構(gòu)件的抗側(cè)力，來降低建筑整體豎向構(gòu)件剛度突變造成的問題。使整個高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)位移比、整體性、剛度比都能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。另外，還要通過設(shè)計控制高層建筑上部的豎向構(gòu)件數(shù)量，以便降低轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的剛度差值，避免混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層發(fā)生突變性的剛度轉(zhuǎn)換，保證高層建筑整體結(jié)構(gòu)能夠滿足工程建設(shè)要求[4]。

3.6 控制混凝土自身參數(shù)性能

優(yōu)化設(shè)計混凝土配比，選擇中水化熱的普通硅酸鹽水泥，原材料需要送檢試驗，保證測試結(jié)果合格，結(jié)合施工工程現(xiàn)場測得的各類砂石骨料的含水量、直徑等，計算出實際使用砂石料的施工配合比。

嚴(yán)格按照砂子—水泥—石子—水的順序進行上料，確保混凝土攪拌的均勻性，要按照混凝土塌落度以及攪拌機容量來確定出攪拌的時間，確保現(xiàn)場滿足早期強度要求。關(guān)注混凝土水化熱控制方式，在材料當(dāng)中適當(dāng)添加相應(yīng)的輔料、膨脹劑，替代后澆帶作用。若在冬季施工，要注意采取有效措施防范凍害問題。在高層建筑施工過程中，不可避免地會涉及大體積混凝土澆筑，通過嚴(yán)格控制混凝土水灰比、塌落度，確保混凝土性能保持一致，防范附加應(yīng)力問題，減少混凝土出現(xiàn)裂紋的問題。完成大體積混凝土澆筑施工后，及時采取措施進行覆蓋，做好保溫養(yǎng)護、保濕養(yǎng)護工作，嚴(yán)格控制混凝土表面溫度。

4 結(jié)語

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，其設(shè)計工作的經(jīng)驗、技術(shù)都有了較大發(fā)展。在此背景下，開展高層建筑混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要注重其布局，采取有效措施優(yōu)化其結(jié)構(gòu)平面狀況，選擇安全、合理的結(jié)構(gòu)類型，滿足高層建筑建設(shè)整體需求。