简论高层建筑混凝土结构优化设计

简论高层建筑混凝土结构优化设计

陈琳

陈琳

身份证号码：321181198810030224

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。

关键词：高层建筑；混凝土；结构设计；优化

1.高层建筑的混凝土结构的设计要求

1.1延展性。高层建筑的结构柔性比低层的楼房要高，一旦遭遇地震等问题，会发生更大幅度的作用变形，若要避免建筑在地震等作用下发生倒塌变形等问题，就必须在进行混凝土结构的设计时，使其结构具备足够的延展性能。

1.2侧向力。目前，高层建筑的结构设计中，其结构内力与变形等问题，主要受到地震的水平作用力及外部环境中的风力等因素的影响，层数的不断增多会带动水平作用力的持续加大。所以，在设计混凝土结构时，必须要充分地将这些侧向力的影响考虑在内。

1.3刚度要求。高层建筑面临着众多的水平作用力影响，容易出现较大幅度的侧向位移，设计人员在进行混凝土结构设计时，必须在保证其具有足够强度的基础上，同时使其具备合理的刚度及自振频率，进而将楼层水平位移控制于允许范围。

2.混凝土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、正常施工、正常使用和正常维修条件下的功能要求，有下列三个：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。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。

2.2结构可靠性是指结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的能力。但是当建筑结构的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从此要逐渐降低了，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.高层建筑结构中混凝土结构结构选型中常见的问题。

3.1结构规则性的问题。在建筑结构设计中，对于结构规则性的内容规范有很大的变化，在旧的结构规则性规范中增加了很多新的规范条件，比如平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比较的信息以及竖向规则性信息等，并且在新的规范中，采用强制性的规定，所以在高层建筑物结构设计时，应该遵循设计的规范内容，从而可以有效避免施工中要求设计的改变。

3.2嵌固端的设计问题。目前很多的高层建筑物都有两层或者两层以上的人防地下室，所以嵌固端可能设置在人防的顶板位置处，也可能设置在地下室顶板的位置处，在设置嵌固端时，建筑师以及结构设计师很容易忽略嵌固端的设置带来的问题，如：嵌固端上下层的刚度、楼板的设计以及上下层抗震等级的统一性以及结构整体计算时嵌固端的位置等一系列的问题，如果在设计中忽略任何一个问题都可能对高层建筑结构造成安全隐患，所以这就要求建筑师以及设计师在钢筋混凝土高层结构设计时，注意嵌固端设置的问题。

3.3短肢剪力墙设计的问题。在钢筋混凝土高层结构设计的规范中，对短肢剪力墙在高层建筑中应用有很多的限制，所以在高层建筑设计中，建筑师以及结构设计师应该尽量减少或者避免采用短肢剪力墙，从而可以有效避免工程设计中增加不必要的麻烦。

3.4结构超高问题。在钢筋混凝土高层结构设计中，对于高层建筑的总高度在抗震规范中具有严格的要求，特别是新规范中，除了将原来的限制的高度设置为A级高度，还增加了B级建筑物的高度，所以在高层结构设计时，应该严格控制建筑物高度，从而可以减少重新设计以及不符合要求等问题，减少对高层结构设计以及工程工期的影响。

4.高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法

整体是由局部组成的，局部的情况反作用于整体，重要的局部甚至对整体起到决定性的作用。高层建筑混凝土结构设计是高层建筑结构设计的主要部分，它的设计必须与整体结构相适应。现今，国内外建筑结构设计人员在保证整体结构合理的前提下，追求局部结构的承载力最大化。至今为止，虽然国内外很多学者和建筑设计人员都对此作了很多研究，但仍没有形成一种适用于高层建筑结构设计的成熟的数学模型。对于数字模型的要求是既能够满足各种结构设计的规范和要求，又能够让设计人员觉得方便和实用，所以在不断地实践之后，局部结构承载力的最大化成了最重要的目标。实质上，优化设计的重点是要将整体和局部统一起来，下面就是优化高层建筑混凝土结构设计方案的三种方法:

4.1高强砼和高强钢筋的合理使用

在建筑施工过程中，钢的花费在建筑总花费中占有很大的比重。因此，对于钢的用量要进行严格控制，合理地使用高强钢筋，避免过度用钢造成建筑施工资金不足或紧张。同时对于地基较软弱的高层建筑，合理布置强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸，不仅可以减少造价，还可以减轻地基载荷，方便施工。建筑物的自重越大，地震对其破坏的程度就越大，所以还可以通过减轻建筑自重来降低地震对建筑物的损坏，而合理使用高强砼和高强钢筋可以有效地减轻自重，达到降低造价和降低地震对建筑物破坏的程度。

4.2综合考虑平面性状、各部分的刚度和承载力三个方面

首先，要遵循平面结构性状简单规则的原则，将长度和凸出部分控制在一定范围内，竖向体型要规则均匀。其次，要均匀分配各部分的刚度和承载力，竖向布置要采用规则的结构，形状是下大上小，侧向刚度要均匀变化。有时候会发生结构设计严格按照标准设计，导致造型不够美观，在这种情况下，结构设计人员就要关注结构概念设计，并将其贯穿于整个设计中，在保证建筑结构合理适用的前提下，美化建筑外部形象。

4.3注重剪力墙的平面布置

具体的要从以下几项做起:(1)剪力墙的布置要遵循周边均匀和相对集中的原则，当然前提是要保证建筑的使用功能。通常情况下剪力墙的位置是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，其间距也要控制好，间距过大或过小都不可以。(2)剪力墙墙肢截面要简单规则，不宜太复杂，同时剪力墙结构的侧向刚度也要适宜。(3)短肢剪力墙的数量不宜太多，因为较多的短肢剪力墙没有联合剪力的效果好，特别是全部为短肢剪力墙的情况决不能发生。

4.4注重结构抗震性能

合理设计混凝土筒体的承载力和延性，这里特别强调了混合结构体系的高层建筑。为了保证高层建筑的抗震性能，型钢柱的设置位置与设置方法要根据建筑高度的不同而选择适用的。当建筑物高度不超过130m时，并且抗震设防等级多为7级;筒体四角和楼面钢梁与型钢混凝土梁的交接处设置型钢柱，建筑物的高度一般高于130m，型钢柱的位置设在筒体四角，抗震设防等级要设为7、8、9级，避免外围框架的刚度及承载力不达标。要想通过刚性连接外围框架平面内柱与梁的方法增强外围框架的刚度和水平承载力，降低水平作用力使楼层侧移的可能性，可使用以下方法:一是设置外伸桁架加强层;二是采用分段拼装外伸桁架与筒体剪力墙刚接的方法;三是均匀布置贯通性的刚接桁架与抗侧力墙体。

5.结语

综上所述，加强对高层建筑混凝土结构设计是非常必要的。混凝土已经成为了现代建筑的标志，而随着混凝土在现代建筑工程中的发展应用，使得现代建筑的质量和性能都得到了大幅度提升，从而为我国的城市建设奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]段凤英.对现浇混凝土结构施工的质量控制之我见[J].改革与开放,2009(05).

[2]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M].北京:中国建筑工业出版社,2012（09）.