高层建筑混凝土结构设计相关探讨

 摘 要：社会在发展，时代在进步，在一座座迅速崛起的城市中，增多的不仅是一幢幢的高层建筑，更是人们对高层建筑的研究，特别是对高层建筑中混凝土结构的研究，对于混凝土结构的设计优化，更是越来越受到人们的关注。文章对高层建筑中各种混凝土结构的发展以及高层建筑的结构设计体系及因素进行了分析，并提出了高层建筑中有关混凝土结构优化设计的一些方案。

关键词：高层建筑；混凝土结构；因素；优化设计

近些年来，随着我国社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对自己所居住的建筑要求也越来越高，建造的各类高层建筑层出不穷，给城市建设带来了新的面貌，日益复杂的使用功能和多样化的建筑特征给高层建筑结构的设计者带来了非常严峻的挑战。

1 高层建筑混凝土结构体系

1.1 钢筋混凝土结构。钢筋混凝土结构是最早的高层建筑结构，该结构主要由钢筋和混凝土构成。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》对高层建筑的定义指的是：10层及10层以上或房屋高度大于28米的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑。混凝土结构的整体性较能好，且具有耐高温、位移小、维护方便、成本低和刚度大等特点，钢筋混凝土结构的一系列特点，都是钢结构所望尘莫及的。民用建筑中常用的高层钢筋混凝土结构体系主要有：（1）框架结构。（2）剪力墙结构。（3）框架剪力墙结构。（4）筒体结构。（5）板柱结构、板柱-剪力墙结构等。随着我国混凝土材料技术的不断发展。钢筋混凝土结构已经成为我国大多数高层建筑所采用的结构体系，是目前我国应用最广泛的、也是大多数设计者最熟悉的建筑结构型式。

1.2 混合结构。混合结构是由钢框架（框筒）、钢管混凝土框架（框筒）、型钢混凝土框架（框筒）与钢筋混凝土核心筒体所组成的共同承受水平和竖向作用的建筑结构.混合结构是在钢结构和混凝土结构的基础上发展起来的一种新型结构，混合结构是近年来在国内迅速发展并广泛应用的一种高层建筑结构体系，它不仅具有混凝土的抗压能力和承重能力强的优点，还具有钢的抗拉能力及抗剪能力好的优越性能，在实践中已经取得良好的经济效益和社会效益。通常，根据钢与混凝土组合结构所采用钢材形式与配钢方式的不同，可以将其分为组合楼板、钢与混凝土组合梁、型钢混凝土、钢管混凝土等多种形式。其主要特点有：（1）承载力提高。据相关实验表明，钢—混凝土混合结构在梁截面受局部载荷时，可破坏载荷大约为设计载荷的2.2～2.6倍，能够有效的提高承载力。（2）抗疲劳性能好。由于混凝土翼板的存在，有效的降低了钢梁上翼缘应力，在实际应用中也表明混合结构梁比纯钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳的能力。（3）节约钢材用量。在该混合结构中，混凝土可以替代部分钢结构，使得用钢量大幅下降，实践表明，钢—混凝土混合结构梁比钢结构梁用钢量少20%～40%。（4）增加刚度，提高抗震性和稳定性。一方面，混凝土板参与梁的工作，有效的增加了梁的刚度，在用钢量相同的条件下，与钢梁结构相比，梁挠度可减少30%～50%，并且截面高度减小1/4～1/3。另一方面，混合结构梁上翼缘侧向刚度大，进而使得整体稳定性提高，从而提高了抗震性能。

在高层建筑结构体系中，剪力墙体系和框架体系等几种类型是比较常见的，而对于新型的结构体系，它主要是以筒体的组成方式来作为区分标准的，新型结构体系可分为三种体系：筒中筒体系、框筒体系和束筒体系。相比于传统的单片平面结构体系，新型结构体系中的筒体则具有更大的抗侧刚度，且承载力更大。目前，在功能较全且层数较多用途较广的高层建筑中，这种新型结构体系相对比较适用。

2 高层建筑结构设计考虑因素

在高层建筑中，当建筑物达到一定高度，安全性就会成为重要的考虑因素，混凝土结构的优化设计是安全性的一个重要保证，因此，对于具有一定高度的高层建筑，在设计时，混凝土结构的优化设计就显得异常重要。高层建筑结构设计必须充分考虑各方面因素，使其达到强度足够、刚度适宜、延性良好、设计合理的标准。需要考虑的因素主要包括：

2.1 侧向力。侧向力主要是指建筑物在建成以后所承受的风力、地震力和垂直载荷等外力。无论是高层建筑还是低层建筑都要承受这样的侧向力，低层建筑受到水平力较小，而高层建筑受到水平力随着层数的增多而不断增大。因此，风荷载和地震力等侧向力应该成为高层建筑结构设计时着重考虑的因素，这些因素正是影响高层建筑物结构变形、结构内力的主要因素。

2.2 适宜的刚度。据胡克定律，剪切模量G能够在很大程度上决定向同材料的刚度，同时，建筑物的形状购置也将在很大程度上决定建筑物在塑性期的刚度。在高层建筑建设过程中，建筑高度是一系列风险因素的出现原因，其中不仅包括侧向力，更包括侧向位移，它是会随着建筑物高度的增加而逐渐增大，当高层建筑在水平力的作用之下，为了使高层建筑的侧向位移保持在一定范围之内，高层建筑必须具有足够的强度，同时，自振周期必须控制在最合理范围内。只有这样，高层建筑的结构设计才是最优化的。

2.3 延性良好。正如我们的常识所知，当同时受到地震等侧向力的作用，高层建筑比低层建筑更容易变形，其原因主要就在于高层建筑更具柔性。因此，在高层建筑结构设计中，在满足具有足够的强度之后，提高高层建筑结构整体和局部的变形能力成为第二个需要重点研究的问题。当整体结构进入塑性变形阶段仍具有较强的变形能力，在当今的设计技术条件下，通过优良的概念设计和合理的构造措施使高层建筑具有足够的延性这才是设计问题的重点。避免高层建筑在大地震作用下而倒坍，确保生命和财产安全。

2.4 控制含泥量以及骨料级配。施工人员在配置混凝土时，应采用10.4mm连续级配碎石，其中65%都应为10.3mm级配碎石。施工企业所使用的中砂，细度模数应控制于2.8至3.0，施工人员可借助0.315凹筛孔筛选中砂，筛出砂的重量不少于中砂总重量的15%即可。砂、石的含泥量不得高于1%，且其中不得含有有机质杂物，施工企业不可使用海砂作为混凝土材料。

3 高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法

3.1 合理使用高强砼和高强钢筋。在建筑的整个施工过程中，用钢量是影响总造价的一个重要因素。因此，为了合理降低用钢量，降低造价，节约成本，设计中必须合理使用高强钢筋。然而在高层建筑位于深厚软弱地基之上的情况下，强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸的合理使用，对于减轻地基载荷，降低基础施工的难度，缩减造价，将具有非常直观的经济效果。由于地震对于一幢建筑的破坏程度，是与该幢建筑的自重成正比的，自重越大，受损毁的可能性，破坏程度就越大。因此，减轻建筑物自重能够减小其受地震破坏的程度，为建筑物的安全提供保证。所以，高强砼和高强钢筋在设计中的合理使用对于快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸，减少用钢量，减轻建筑自重，最后达到降低造价及安全使用的目的具有十分重要的作用。

3.2 注重剪力墙的平面布置。具体应如何注重剪力墙的平面布置，我们应该从以下几方面做起：（1）剪力墙的布置原则在于沿周边均匀、相对集中布置，同时又不损害建筑原有的使用功能。一般布置在建筑物的楼梯间、电梯间处，以及平面形状变化及恒载较大的部位，其间距宜适中，不宜过大。（2）剪力墙墙肢截面应具有简单、规则的特点，剪力墙结构应具有一定侧向刚度，但不宜过大。（3）较多的短肢剪力墙不会起到联合剪力的良好效果，全部为短肢剪力墙的情况更是应该避免出现。

3.3 抗震设计中，注意钢筋混凝土结构的延性。在构件设计的时候，要加强设计中的科学性，需遵循：“强节点弱杆件、强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉”的设计准则。在实际设计的时候，一定要注意结构的抗震设计，主要破坏属于延性的破坏，而不是脆性破坏，这一点非常重要。

其次，对钢筋混凝土构件，合理确定截面尺寸，恰当配置纵筋和箍筋（抗剪斜筋），加强钢筋的锚固，避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土压溃先于钢筋屈服、钢筋粘结锚固失效先于杆件破坏。

在具体的结构抗震设计中，要重视钢筋混凝土的延性构件分析，在设计中要加强延性指标设计，对截面曲率延性要设计合理，针对构件位移延性，应按照相应的公式保证设计的科学性。

4 结语

总而言之，在高层建筑混凝土结构设计时，应充分考虑各方面因素，如高层建筑的风荷载和地震力的影响；考虑自重和地基基础的影响；保证高层建筑结构具有足够的承载力，具有适宜的刚度，具有良好的延性。与此同时，也应该能够从整体上把握结构整体的设计，了解总体系和主要体系间的最佳传力途径，从而找到最优化的结构方案，满足建筑物的使用要求。

参考文献

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