高層建筑混凝土結構優化設計分析研究

梁 嘉

（武漢市給排水工程設計院有限公司，湖北 武漢 430034）

1 高層建筑混凝土結構優化設計的基本原則

1.1 從根本上有效滿足高層建筑混凝土結構的功能要求

首先，充分保證整體結構的安全性，這是結構優化設計過程中首先要考慮的問題，保證整個生命周期能夠有效地抵抗各種外部因素的影響和干擾，同時，在意外因素發生的時候和之后，為保證整體混凝土結構更安全穩定，能承受外力的影響，應保持其性能和質量。其次，要全面提高高層建筑混凝土結構的適用性，使整體結構在既定的生命周期內完全滿足使用要求。經過時間的積累，整體結構的變形程度、墻體裂縫等相關性能都能保持在優良的狀態，具有應有的安全性和穩定性，不會超過限值標準。最后，要充分保證混凝土結構的耐久性得到顯著提高，使整體結構在既定范圍內不會削弱其耐久性，滿足相應的設計要求和技術標準，從根本上有效地避免了由于外界因素的影響而造成的結構嚴重腐蝕問題。

1.2 從根本上有效提升高層建筑混凝土結構的可靠性

高層建筑混凝土結構的可靠性主要是指高層建筑的混凝土結構在標準條件和規定的時間內，能夠充分表現出預定的功能和應具有的相關性能。可靠性體現在高層建筑在特定的使用年限內滿足相應的使用要求，并通過相應的技術手段進行加固改造，使這種高層建筑得到有效的應用，發揮其應有的價值。

2 高層建筑混凝土結構優化設計分析

2.1 合理布置建筑平面結構

高層建筑的平面布置結構對建筑物的抗震性能有很大的影響，抗震性能是所有建筑設計時必須注意的基礎性工作。在具體設計工作中，要按照高層建筑的原則、要求和標準進行設計，注意混凝土結構材料對建筑抗震性能的影響，根據建筑層高選擇合理的抗震等級。一般來說，簡單、對稱、規則的建筑結構可以提高建筑的整體抗震能力，消耗部分地震釋放的能量，可以很好地削弱地震的延伸效應，減少地震對高層建筑的破壞。對于多塔結構和塔頂結構，要掌握振型數，合理控制其尺寸，做好設計資料核算，嚴格按照標準規范的設計要求，遵循抗震設計理念，并在滿足建筑施工要求的基礎上，盡量選用規則性強的平面結構，以提高高層建筑混凝土結構的抗震性能。

2.2 選擇有效的抗側力結構形式

高層建筑抗側力結構體系可以提高建筑物的水平抗震性能。在日常混凝土結構設計中，需要考慮建筑功能、高度、結構等因素，選擇有效的抗側力結構形式。當建筑高度小于50m，內部空間要求較高時，混凝土結構抗震體系可選用框架結構，以充分利用框架結構的柔性空間；當建筑高度在100m左右時，為保證高層建筑混凝土結構剛度滿足規范要求，結構水平位移小，可選用剪力墻結構；對于建筑空間和結構等級，為了滿足高層建筑的功能要求，可以選擇剪力墻結構，結構的抗側力剛度可以達到標準。

2.3 根據建設要求選擇基礎類型

高層建筑的地基需要承受上部結構的全部重量。其選型需要根據水文地質勘察資料對施工區進行綜合分析，對上部結構形式、荷載等要素建立較為科學的基礎形式。此外，高層建筑的基礎類型將直接影響到建筑的安全、功能和成本，因此必須慎重對待，選擇科學有效的基礎方案。建筑樓層數量少，荷載小，施工區水文地質因素水平較好，可以選擇獨立的基礎和條形基礎，經濟性高，方便，建筑層多，荷載大，施工區水文地質要素存在較大問題，可通過樁基礎的摩擦和樁端選擇樁基礎，承載力向上傳遞荷載；如果建筑樓層較多，施工區水文地質條件優越；或樓層數量較少，地基承載層土壤質量差，筏式混凝土基礎可用于增加高層混凝土結構與下部承重層之間的基礎面積，減少土層單位面積荷載，提高地基的整體承載力。

2.4 高層建筑混凝土結構計算與分析

在計算高層建筑整體結構時，應首先控制以下參數：1）剪重比。控制各樓層的最小地震剪力，以保證建筑結構的安全。如果剪重比太小，則說明建筑物底部的剪力太小。此時，應注意結構的穩定性和結構的位移，以保證它們滿足規范的要求；2）剛度比。控制豎向結構的規則性，防止剛度突變；3）位移比。為了防止扭轉，應控制平面結構的規則性。位移比是剛體中心與質心偏離程度的反映。在建筑設計中，要做好平面布置規則和對稱平面，盡可能保證剛性中心與質心重合；4）周期比。控制了結構的扭轉效應。對于第一個自振周期，高層建筑以結構扭轉為主的自振周期與以平動為主的自振周期之比控制在0.9以內，甲級建筑控制在0.85以內。扭轉效應是扭轉剛度與側向剛度關系的反映；5）層間抗剪承載力之比。控制建筑物豎向結構的不規則性。

首先，對多塔結構和開槽結構進行了計算。隨著建筑業的發展，多塔樓、大底盤的高層建筑越來越多。在這類建筑的計算分析中，我們既可以把建筑結構看成一個整體，在此基礎上，可以按照多塔式建筑進行設計計算工作，也可以人為地將建筑結構劃分出來單獨計算。需要注意的是，如果采用后一種計算方法，則可能會導致建筑基礎與下臺之間存在較大的計算誤差，不能考慮各塔結構之間的相互作用。

3 結語

高層建筑混凝土結構的穩定性是設計過程中的一個關鍵因素。根據實際情況，掌握關鍵參數，制定有效的方案，從根本上保證建筑混凝土的穩定性，確保其滿足內部設計要求和需求。