高层建筑混凝土结构优化设计的探讨

高层建筑混凝土结构优化设计的探讨

摘要：随着城市现代化建设的不断加快，我国高层建筑也得到了快速地发展，并且随着人们对建筑物功能和使用上的要求，使得建筑结构技术的难度也随之增加。然而高层建筑容易发生侧向位移，使得在设计过程中高层建筑不仅需要保证良好的强度，还必须具备足够的刚度，才能将水平力作用下的层间位移限制在最小范围内。当高层建筑受到地震影响出现倒塌现象时，在设计过程中，不仅要满足使用上所需要的强度，还应该对整个建筑制定合理的结构方案，从整体上改进建筑的结构性能，增加高层建筑的使用寿命。本文简要介绍了高层建筑各种混凝土结构的发展及高层建筑结构设计的基本原则，并探讨了高层建筑混凝土结构优化设计的对策。

关键词：高层建筑；混凝土结构；优化设计；对策

Abstract:

Along with the modernization of the city to speed up, our country high-rise buildings also obtained fast development, and along with the people to the building function and use of the demands of, makes the difficulty of building structure technology also will increase. But high-rise buildings prone to lateral displacement, make in the design process not only need to ensure good high-level building the strength, still must have enough rigidity, to the level of the forces of displacements at the minimum limit range. When high-rise buildings appear in quake-hit collapsed phenomenon in the design process, not only to meet on the strength of the need to use, but also to the whole building should formulate rational structure scheme, overall improve the building of the structure performance, increase the service life of the high-rise building. This paper briefly introduces the concrete structure of the high-rise building development and high building structure design of the basic principle, and probes into the concrete structures of tall building optimization design countermeasures.

Keywords: high building; Concrete structure; Optimization design; countermeasures

引言

近年来，随着我国社会经济的迅速发展，各类高层建筑在全国各地日益增多。它们给城市建设带来了崭新的面貌，也节约了城市用地，同时也给高层建筑结构

设计者带来了严峻的挑战。下面就高层建筑的各种混凝土结构的发展及高层建筑结构的设计的基本原则做一下简单的介绍，并对于高层建筑混凝土结构优化设计的对策进行探讨。

1．高层建筑混凝土结构

目前，社会上采用的高层建筑混凝土结构主要有钢筋混凝土结构、组合结构、新型结构和智能建筑几种，这也是混凝土结构的发展过程。

1．1 钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构具有耐高温、抗腐蚀、刚度大、整体性较好、位移不大、舒适度较好、维护方便和成本低的特点，这些也是钢结构比不上的。另外，我国混凝土增强材料技术(如新型预应力钢棒和非金属配筋等)不断地得到发展，而且混凝土、钢管混凝土、高强混凝土和轻混凝土等方面的理论技术已达到了成熟水平。因此，现浇钢筋混凝土结构在我国绝大多数的高层建筑中的到了广泛应用。

1．2 组合结构

组合结构除了具有钢筋混凝土结构的优点外，还具有静、动力工作性能优异、科技含量高、对环境污染少、大量节约钢材、降低成本和施工进程快等优点，其中提到的能够大量节约钢材的原因是由于其混凝土在钢管内处于三轴受压状态，能够提高其自身承载力导致的。因此，在某些情况下组合结构可以取代钢结构和钢筋混凝土结构，广泛应用于高层建筑中，并且在造船、电力、冶金和交通等方面也已经得到了普遍的应用。

1．3 新型结构

以往高层建筑的结构体系可以将其归纳为三种类型，即框架体系、剪力墙体系和框架-剪力墙体系这三种，而我们新型的结构体系主要是以筒体的组成方式来划分的，主要可以把它分为框筒体系、筒中筒体系和多束筒体系这三种。新型结构体系中的筒体与传统的单片平面结构不同，它在水平力的作用下可以看成是固定于基础上的箱型悬臂结构，具有更大的抗侧移刚度和更大的承载力。目前，这种新型的筒体结构体系在层数较多、功能较多、用途较多的高层建筑中已得到广泛的应用。

1．4 智能建筑

智能建筑是现代建筑技术和高新技术产业的结合产物，在高层建筑中具有比以上三种结构更广阔的应用前景。而智能建筑主要是通过建筑物的结构、系统、服务和管理四要素的内在联系，以及以最优化的设计提供给我们了一个安全、快捷、便利、舒适和高效率、高投资的环境空间。

2．高层建筑结构设计的基本原则

2．1 建筑结构的功能要求

建筑结构在正常设计、施工和使用的条件下的功能要求，可分为以下三个：

①安全性。建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。

②适用性。建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等。

③耐久性。建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。

2．2 结构的可靠度和结构的可靠性

结构的可靠性是指结构在规定的时间内(即设计基准期)，在规定的条件下(结构正常的设计、施工、使用和维修条件)，完成预定功能(如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等)的能力。需要说明的是，当建筑结构的设计使用年限到达或超过设计基准使用期后，并不意味该结构立即报废不能使用了，而是说它的可靠性水平正在逐渐地降低，但是在做结构鉴定及必要加固后，仍可继续使用。结构可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。结构可靠度的分析就是要合理地确定结构的可靠度水平，使结构设计符合技术先进、经济合理、安全适用和确保质量的要求。

3.高层建筑混凝土结构设计易出现的问题

在高层建筑结构的设计中需要考虑的问题很多，尤其是高层建筑中的钢筋混凝土结构的设计。

3. 1 结构选型问题

在新的规范要求中，结构选型增加了很多限制性条件，尤其是结构的规则性问题；其次就是结构的超高问题，在抗震规范要求中，把原来的限制高度设置为A 级高度的建筑的同时，还进行了B 级高度的建筑的增加，所以应该严格控制结构的这项因素。

3.2地基和基础设计中的问题

在柱下独立基础带梁板式的地下室底板设计中，往往会忽视建筑物沉降带来的附加应力的影响，而产生沉降变形以及共同受力，如果没有考虑其产生的附加应力，会使底板偏于不安全，还可能导致地下室底板承载能力不足而引起其开裂，

在采用天然地基状况下，会带来更为显著的影响。还有在地下室的高层建筑设计中，在地下水位比较高的情况下，应该使室外地坪下面的结构部分外轮廓形状简洁，这样才有助于建筑防水的施工。在进行地下室底板以及外墙配筋计算时，由于实际情况和假设的条件往往不相符合，在进行地下室外墙配筋计算中，一些工程外墙配筋计算时，对于带扶壁柱的外墙，不进行扶壁柱尺寸大小的区分，完全按照双向板进行配筋的计算。根据外墙和扶壁柱变形协调的原理进行分析，它的外墙竖向受力筋没有足够的配筋，扶壁柱配筋不多，同时外墙的水平分布筋有富余量。最好垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块按双向板进行配筋的计算，外墙扶壁柱截面尺寸较大之间外墙板块也按双向板进行配筋的计算。另外的外墙应该按竖向单向板进行配筋的计算。

3.3 结构分析计算的问题

在结构分析计算过程中,需要对工程进行准确高效的内力分析，同时还需要根据规范要求进行处理与设计,这极大的影响着工程设计质量的好坏。第一，在进行结构整体计算的软件选择时，应根据结构类型以及计算软件的特点对计算软件进行合理的选择，以保证高层建筑混凝土整体结构分析计算的合理性；第二，在高层建筑混凝土结构设计中,由于非主体承重骨架体系以内的一些非结构构件及为了满足美观要求而设计的结构体常常出现，务必严格按照规范要求中的非结构构件的计算处理措施进行设计；第三，竖向承重构件——柱与剪力墙等的合理布置是高层建筑结构设计的难点。

4. 高层建筑混凝土结构优化设计的对策

4.1 抗震设计中应考虑混凝土筒体的承载力和延性

在混合结构体系的高层建筑中， 7度抗震设计时，宜在楼面钢梁或型钢混凝土梁与筒体交接处及筒体四角墙内设置型钢柱；8、9度抗震设计时，应在楼面钢梁或型钢混凝土梁与筒体交接处及筒体四角墙内设置型钢柱。

4.2 增强外围框架的刚度及承载力

采取刚性连接外围框架平面内柱与梁的方法来增强外围框架的刚度和水平承载力。

4.3 设置外伸桁架加强层

采用分段拼装外伸桁架与筒体剪力墙的刚接，同时刚接时桁架应贯通抗侧力墙并均匀分布。这样做可以保证各柱受力均匀还可将筒体剪力墙的部分弯曲变形转换为框架柱的轴向变形，从而减少了楼层在水平方向的侧移，提高了高层建筑的侧移刚度。

4．4 地震剪力调整钢框架

混合结构框架所承担的地震剪力应符合筒体结构中框架按侧向刚度分配的楼层地震剪力标准值的相关规定；有加强层时，框架部分分配的楼层地震监理标准值的最大值不应包括加强层及其上、下层的框架剪力。

结束语

高层建筑结构的设计应该保证其具有足够的强度，刚度和良好的延展性。还应该遵守设计的基本原则；注重高层建筑的概念设计，保证结构的整体性，这是国内外历次大地震及风灾的重要经验总结；同时要明确建筑结构的总体系和主要体系之间的受力要求，这样才能设计出一个高要求，高水平的高层建筑。

参考文献

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