高層建筑混凝土結構優化設計分析研究

劉宇

摘 要：高層建筑的結構層數多，承受的荷載大，還要通過實現混凝土結構的優化設計保證結構具有穩定性。結合高層建筑混凝土結構設計問題，本文從結構布局、單元優化、抗震優化三個方面提出了結構優化設計方法，然后結合工程實例對混凝土結構優化設計實施問題進行了探討，為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：高層建筑;混凝土結構;抗震性能

伴隨著社會經濟的快速發展，大量高層建筑得到了建設。相較于多層建筑，高層建筑具有層數多、高度大等特點，構件承載力設計、結構抗震設計等各方面都存在差異。對混凝土結構設計問題不夠關注，導致設計細節被忽略，在建筑結構同時受突出地震作用和風荷載影響的情況下，容易造成結構出現剛度突變等不利因素。因此，還應加強結構優化設計研究，從而使建筑安全得到保證。

1 高層建筑混凝土結構設計問題

作為建筑工程中常用的結構形式，混凝土結構性能優異，采用的材料以混凝土和鋼筋為主，通過合理設計能夠保證結構穩定，繼而使建筑整體質量得到保證。而在高層建筑混凝土結構設計方面，由于建筑高度和層數不斷增多，承受的地震作用和風荷載也更加明顯，對結構設計的合理性提出了更高要求。現階段，高層建筑主要采用的結構體系包含三類，分別為框架結構、剪力墻結構和框架-剪力墻結構，超高層和不規則建筑則多采用框筒、束筒等結構。目前，高層建筑結構設計存在過分關注概念設計的問題，對結構總體布局關注度不足，一味強調按照規范進行結構設計計算，主要關注強度、變形兩方面的問題。但實際上在混凝土結構設計上，還應加強整體性把握，以便使結構穩定性和安全性得到保證。未能做到從整體設計向局部設計逐步推進，將導致設計師缺少對建筑整體承載力、剛度等目標的設定，繼而導致結構方案布置存在不合理的問題。在細節設計方面，則存在忽視各獨立單元結構承載力、剛度等性能的問題。現代高層建筑混凝土結構復雜，存在較多變量因素，一味認為軟件計算得到結構尺寸準確，強調結構經濟性問題，導致選擇的建筑構件截面過小，容易導致構件在復雜因素作用下出現安全風險。此外，高層建筑需要采用剛柔結合設計方式，而并非是一味加大結構整體剛度對地震作用進行抵抗。缺少多道設防，將導致結構在多遇地震下缺少足夠彈塑性變形能力和延性，繼而使結構受到較大危害。

2 高層建筑混凝土結構優化設計方法

2.1 合理設計結構布局

結合結構設計容易出現的問題，在對高層建筑混凝土結構進行優化設計時，還要做好整體結構方案布置。在結構平面布置方面，需要以增強結構抗側力為目標，通過合理布置抗側力構件使建筑結構抗側力剛度得到增強，并使結構側向位移得到減少。通過對構件承載能力和抗震延性進行最大限度發揮，能夠使建筑結構在極限狀態下避免出現剛度突變等問題。對地震作用、風荷載等可能給結構帶來扭轉影響的偏心因素展開分析，可以完成豎向構件水平位移和層間位移的合理評估。在建筑達到A級時，需要將位移量控制在層平均數的1.2倍以內，最大不超1.5倍。在建筑為B級且未混合性結構時，位移量應不超樓層平均1.2倍。通常狀況下，高層建筑無需設置防震縫。但如果平面結構形式復雜，難以通過調整平面布局加強結構調整，還要利用防震縫完成單元結構劃分。在豎向結構布置上，應保證建筑結構整體對稱、均勻，無特殊要求應避免進行外挑或內收設計。遵循上小下大原理進行豎向結構布置，需確保結構側向變化緩慢、均勻，能夠使結構重心保持穩定。在剪力墻布置上，尤其應保證均勻、對稱，并在周邊進行結構布置，使豎向上保持結構連續，以免出現剛度或承載力突變問題。如果豎向結構內收，應確保樓層側向剛度至少達到臨界樓層側向剛度70%或鄰近3層側向剛度平均值的80%。在結構處于樓層上部的情況下，縮進位置應與室外地面高、建筑整體高保持0.2的比值，上部縮進后的長度占下部長的75%以上。

2.2 重視單元結構優化

高層建筑高度加到，需要保證結構擁有良好延性，允許部分構件率先出現塑性鉸，確保地震能量得到不斷消耗，以免重要構件發生破壞，導致結構受到嚴重損毀。結合這一目標進行單元結構優化，還要重視關鍵構件的延性設計，使構件擁有較高的豎向抗側力，能夠順利實現水平力的傳遞，以便使結構安全得到保證[1]。針對高層建筑各獨立結構單元，需要保證平面形狀規格、對稱，能夠對混凝土結構承載力和剛度等壓力進行均勻承擔。在對構件截面進行優化時，需要同時考慮安全性和經濟性問題，在選用性價比高的構件截面時，保證截面尺寸符合結構安全性要求，以便使結構設計安全風險得到降低。在抗彎結構體系設計中，在不改變其他條件的情況下，可以按寬度增加三次方的比例對側移寬度進行減小。而增加寬度，能夠使抵抗力臂增大，促使抗傾覆力得到減小。因此對體系的有效寬度進行增加，能夠使結構的抗側剛度得到提高。通常情況下，高層建筑會設計地下室和人防結構，在結構頂板上設置嵌固端，將給結構整體帶來不同程度影響。重視這一細節設計，在對嵌固端上下層剛度進行設計時，還應結合樓板結構縫位置、限制范圍等確定結構是否協調，保證上下層擁有一致的抗震等級，使結構的安全性得到保證。此外，高層建筑應盡量避免采用短肢剪力墻結構，以便因設計不規范導致結構出現不足。

2.3 加強抗震性能優化

在高層建筑結構優化設計中，還應重視抗震性能優化問題。針對混凝土結構中存在的各種懸臂桿，還應劃分為剪切、彎曲和彎剪三種類型，剪切類型的將導致樓層出現不同程度結構失穩，還要進行重點優化。在框架梁柱中，容易因雙曲率彎曲產生而出現側位移狀態，因此還應加強臨界荷重分析。在實際分析中，需要采用荷載效應標準組合分析形勢，對地震作用影響進行驗算，確定裂縫、變形等不超規定最大限度。對混凝土等材料強度和鋼筋配筋率等數據進行分析，能夠按照時間變異性將結構荷載劃分為永久、可變和偶然三種，根據取值標準對荷重進行確認。發現薄弱層，需要進行強化設計，以免出現剛度突變問題。為使結構抗倒塌和塑性變形能力得到提升，還要加強結構軸壓比限制分析，保證各樓層地震潛力值合理[2]。根據驗算分析得到的結構抗震系數，結合類似建筑抗震設計經驗，可以對建筑平立面、結構體系等進行優化，使建筑的抗震能力得到提高。如在建筑平立面設計上，還應保證豎向剛度方面各轉換層結構能夠得到均勻分布。對結構延性進行優化，可以對梁柱端的組合剪力或柱體抗彎能力進行增大，促使鋼筋實際彎矩得到提升。在組合作用力的影響下，梁端能夠比柱端更早發揮塑性，促使結構維持穩定。因此在高層建筑混凝土結構抗震性能優化方面，結構方案還應經得起考驗，以便使建筑結構的實用性、耐久性等性能得到增強。

3 高層建筑混凝土結構優化設計實踐

3.1 工程概況

某高層住宅樓高74.2m，建筑面積約11657㎡，包含地上和地下兩部分，地上共24層， 地下2層，建筑標準層高2.8m。結合建筑實際情況，考慮到框架結構主要適用于60m高度建筑，框剪結構適用于高度低于120m的建筑，筒體結構適用于高度達到150m以上建筑，因此建筑采用框架剪力墻結構。建筑基本風壓為0.5kN/㎡，設計地震分組為第二組，抗震設防烈度為7度。工程設計使用期限為50年，特征周期為0.55s，結構安全等級為二級，剪力墻抗震等級為三級，地震加速度為0.15g，抗震設防類為丙類，耐火等級為二級。

3.2 優化設計

結合建筑各層構件混凝土強度等級可知，基礎層為C15，基礎底板為C35，-2層到4層的框架柱剪力墻、樓板、梁和樓梯為C35，圈梁、過梁和構造柱為C35，5層到屋頂層及機房的框架柱剪力墻、樓板、梁和樓梯為C30，圈梁、過梁和構造柱為C20。從樓（屋）面主要部位活荷載值分布情況來看，臥室、起居室荷載能夠達到2kN/㎡，陽臺、衛生間達2.5kN/㎡，門廳、過道、樓梯間達3.5kN/㎡，樓板達5kN/㎡，機房達7kN/㎡。對原本設計方案的混凝土結構展開分析可以發現，剪力墻結構整體性指標符合要求，但設計過于保守，使得材料性能遠遠未能達到最大限度，造成了結構成本增加。

對結構進行優化設計，考慮到建筑整體結構達到了安全、可靠度要求，為減少成本投入，對剪力墻布局和局部進行優化設計，在不改變其他構件尺寸的基礎上，對部分剪力墻進行簡化。剪力墻結構體系由樓板和縱橫向結構墻構成，主要用于對橫向和豎向荷載進行抵抗，擁有較大抗側力剛度，在結構合理的情況下可以保持較好延性。在平面布置優化中，考慮到結構設計可以滿足整體性能要求，可以將對結構影響較小的中部位置剪力墻數量進行削減，具體可以對樓梯、電梯間周圍的剪力墻進行減少[3]。在保證墻肢尺寸合理的基礎上，需要使墻與墻保持4-6m間距，在保證結構承載力要求得到滿足的基礎上，實現剪力墻的靈活布置，使邊緣構件數量得到減少，促使結構整體抗側剛度得到增加。此外，需要使結構墻肢軸壓比接近規范限值，使結構重量隨之減少，達到削弱地震作用的目標。

3.3 效果分析

采用PKPM系列軟件對結構優化設計效果展開分析可以發現，優化前后剪力墻配筋量無顯著變化，但由于剪力墻數量有所減少，材料投入得到了降低，使結構總體造價降低6%左右。從結構安全性角度來看，優化后結構自振周期從1.65s變為1.86s，剛度有所減小，彈性隨之增加。在抗震設防烈度為7度時，結構最大層間位移有所增加，X方向從1/1526變為1/1191，Y方向從1/1259變為1/1116，但仍然符合規范，并且構件軸壓比有所增加，能夠起到減震效果，因此能夠使材料性能得到最大限度發揮，保證結構安全。

4 結語

綜上所述，實際在對混凝土結構進行優化設計時，還要結合高層建筑特點提出合理的設計方案，使結構得到合理布局，并做好細部優化設計，促使結構抗震性能得到提升。保證建筑結構優化設計取得良好效果，能夠使建筑在遭遇地震等自然災害的情況下依然維持結構穩固，繼而為人員的生命財產安全提供保障。

參考文獻：

[1]達欣子.高層建筑混凝土結構的穩定設計分析[J].科技創新與應用，2019（29）：85-87.

[2]周弦.高層建筑混凝土結構穩定設計分析[J].低碳世界，2019，9（03）：200-201.

[3]劉福旺.高層建筑混凝土剪力墻結構設計分析[J].建材與裝飾，2018（23）：110-111.