高层混凝土结构优化设计方法探究

高层混凝土结构优化设计方法探究

李正东

基准方中建筑设计股份有限公司 湖北省武汉市 430061

摘要：进行高层建筑混凝土结构设计时，需要遵循安全性、适用性、可靠性设计原则，优化设计地基基础、建筑平面结构、剪力墙结构、薄弱层结构、转换层结构，严格控制混凝土的配合比，提高混凝土结构的密实度和强度，全面提升高层建筑的整体建设质量，延长高层建筑的使用年限。

关键词：高层混凝土  结构优化设计

中图分类号：ＴＶ４３１　     文献标识码：A

引言

混凝土结构设计是实现项目成本、安全、进度、质量等预期目标的关键，在很大程度上决定着工程的整体质量状况，一般涉及建筑、机电、水利等多个专业。 然而，水工结构尚存在一些问题，如适用性差、耐久性低等，对水利工程的正常运行造成不利影响，必须采取有效的措施提升其质量。一般地，混凝土结构具有体积大、跨度较小、结构复杂、配筋率低、所需钢筋数量多等特点。 水化过程中会释放巨大的热量，当外界温度发生变化时会产生一些温度裂缝，对此要适当增加温度钢筋的配置；部分结构处于承压状态或完全进入水中，对结构抗冻性和耐久性要求较高；水工结构作为一种非杠杆体系，在配筋计算和极限强度分析时涉及参数多，计算过程复杂。 关于混凝土结构，国内外诸多学者利用有限元分析法开展了深入研究，但仍无法准确描述载荷效应、温度作用等不确定因素，混凝土开裂后无法保证强度，水工结构设计时少筋混凝土理论不再适用。

1  建筑结构设计中的常见问题    

1.1建筑方案设计阶段结构参与深度不足

在建筑设计过程中，建筑师起了绝对的领导作用，尤其是在方案起步阶段，建筑师是项目的主导。但是项目组低估结构专业作用，或结构专业参与深度不够，很可能对方案后续带来风险。一些结构设计者对项目所在地不了解，不清楚当地地震断裂带的分布；或不了解项目的场地环境，选错水平地震影响系数；或对项目所在地的地形不了解，不清楚是否处于抗震不利地段，亦不清楚是否归类于山地建筑，不清楚地下室是四周嵌固还是架空吊层，选错结构嵌固端。如若方案阶段不能明确这些问题，很可能造成方案估算严重偏差，在实际施工时需要追加建造费用。

1.2地基选择、基础设计不合理

当结构工程师进行基础设计时，应对地勘报告中提及的土层披露信息进行仔细分析，许多设计者只关心土层埋深和土层承载力，而忽略了一系列较为隐藏的信息，例如：地下水位可能随季节大幅变化、岩层是否存在夹层或破碎层、当项目位于山地时岩层埋深可能会突变、当项目位于河岸时可能表浅土中会含大量回填块石等等。若不根据实际情况进行基础选项，容易造成地基土层选错、施工工艺选错、基础嵌入岩层不足等问题，造成施工困难或结构不安全。在进行桩基设计时，少数设计者凭本地经验，对单桩承载力设计值和检测值取值均高过了基于地勘报告中土层数据的单桩承载力计算值，造成了结构不安全。    

1.3建筑结构抗震设计不合理

伴随着经济的快速发展，建筑风格更加多样化，一些不同于常规的建筑层出不穷，时代的变化对结构设计人员的抗震设计能力提出了更高的要求。部分设计师抱着只要抗震计算指标满足规范即可的想法，重数字而轻概念，忽视了模型计算与现实情况的差异，即结构计算指标在特定不规则情况下会失效的问题。例如楼层存在大开洞或大错层情况下，水平力无法进行有效传递，则刚性楼板假定失效，这时设计者基于强刚假定计算得出的周期比和层间位移比则失去了作为判断规则程度的价值。在公共建筑项目设计时，不少设计者基于业主的功能要求，倾向于选择侧向刚度小、整体性差、易受填充墙影响刚度的框架结构，而不愿适度调整功能，增加部分剪力墙来提高结构的抗震能力。在居住建筑项目设计中，不少设计单位无条件地满足业主的户型要求，使结构出现多项平面不规则，即使增加弥补措施后满足了规范要求，也削弱了结构的抗震能力，同时造成建筑成本大幅上升。

2高层混凝土结构的优化设计方法

2.1合理设计建筑平面结构

只有具备良好的抗震性能，高层建筑才能抵御地震灾害的侵袭，而高层建筑的平面结构布局是影响建筑物抗震性能的主要因素。因此，需要重点关注建筑平面结构设计。在进行建筑平面结构设计时，需要严格遵循高层建筑抗震设计原则，掌握了解混凝土结构材料对建筑抗震性能的影响，参考建筑物的建设高度，确定好建筑物所要达到的抗震等级。通常情况下，如果建筑平面结构具备简单、规则、对称特点，那么它不仅符合抗震规定要求，显著提高了整体的抗震能力，还能使地震释放的能量尽快消耗掉，大大降低地震延伸所带来的破坏力。如果建筑平面结构属于多塔结构、顶塔结构，就需要对它们的振型数进行合理掌握，将其大小控制在合理范围内，认真核算设计数据，根据抗震设计理念和标准规范设计要求，在确保建筑物建设要求得到满足的前提条件下，对建筑平面结构的设计内容进行优化完善，确保高层建筑混凝土结构具有较强的抗震性能。

2.2做好转换层结构设计工作

高层建筑底部各层的建造不仅要满足建筑空间的各项建设要求，还需要在建筑中的相应位置设置一定的转换层，确保上下结构的转换具有良好的过渡性。因此，在进行高层建筑混凝土结构优化设计时，需要做好转换层结构的设计工作，不仅要保证转换层上下垂直方向的结构设计符合设计标准，还需要对转换层的上部和下部结构的刚度比进行严格控制，这样在剪力墙建造施工比例合理控制的前提条件下，能够显著降低上下混凝土结构刚度突然变化带来的影响力。如果转换层的结构设计存在不足，就会导致建筑物的整体结构存在缺陷，这个缺陷的位置就会成为地震侵袭的突破口，安全隐患很大。同时，还需要对高层建筑转换层以上竖向构件的数量进行严格控制，从而使转换层结构刚度的差异性大大降低，这样即便混凝土结构的转换层发生了刚度转变，也不会对建筑物整体的安全性能带来太大的影响。此外，高层建筑转换层的混凝土浇筑面积很大，对混凝土结构强度提出了很高的要求，施工过程中需要格外注意混凝土温度裂缝问题。相关人员需要合理调整振捣点及振捣范围，不仅要避免振捣棒碰撞钢筋，还需要保证混凝土内部振捣的均匀性

[1]。

2.3提高对薄弱层结构设计的重视度

在高层建筑混凝土结构设计中，需要高度重视薄弱层结构的设计工作。在地震等自然灾害影响下，高层建筑的薄弱层会出现下沉、变形情况，从而严重破坏了建筑内部的混凝土结构，降低了混凝土结构的稳固性，带来了安全隐患。因此，设计人员需要优化设计建筑中的薄弱层，确保高层建筑具有良好的安全性能。如果高层建筑混凝土结构的竖向结构刚度无法保持连续性，再加上建筑物没有按照标准规定要求的楼层刚度进行施工作业，那么就会很容易出现建筑结构薄弱层，建筑物的安全隐患也会大大增加。这种情况下，设计人员进行薄弱层结构优化设计时，就需要通过对薄弱楼层的安全标准进行适当调整，确保薄弱层的设计能够符合设计规范和安全标准要求。如果制定的安全标准缺乏合理性，那么薄弱楼层的施工质量必将达不到相关规定要求。此外，进行混凝土结构设计时，还需要加强对薄弱层周边区域和周边构架的设计，这样能够提高高层建筑薄弱层的设计效果，让建筑物整体具备较强的抗震性能，确保建筑物的使用安全[2]。

结束语

随着科技的不断发展，还会有更多的途径和方法解决混凝土结构现存问题，未来也将有更多的新型技术用于实际工程，为促进建筑事业发展和促进区域经济发展发挥更大的作用[3]。

参考文献：

[1]王晨.高层混凝土结构优化设计方法探究[J].科技与创新,2022(13):13-16.DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2022.13.005.

[2]代玉华.混凝土结构设计存在的问题与对策分析[J].地下水,2022,44(03):284-285.DOI:10.19807/j.cnki.DXS.2022-03-100.

[3]白小斐.高层钢筋混凝土框架结构加固方法优化设计[J].粘接,2021,45(02):120-122+137.