高層建筑中混凝土結構的優化設計研究

蘇永平

(山西西山晉興能源有限責任公司，山西太原 030053)

0 引言

混凝土作為當前建筑工程建設中的基礎材料，既存在著較高的結構強度、剛度以及較長的安全性與耐久性等方面的優勢，同時，也容易在外部環境因素與自身因素的影響下發生變形、裂縫、斷裂等問題，建筑單位要想切實地使混凝土的應用充分發揮各種優勢，就必須努力地做好對于其結構設計的優化。就高層建筑來講，由于其層數較多、空間結構的變化性較大，對于安全性、耐久性以及抗震性能具有特殊的要求，混凝土的結構設計狀況在更高的程度上，為建筑質量施加直接的影響。因此，高層建筑的建設單位極其注重其中混凝土結構的設計工作。

1 高層建筑的混凝土結構的設計原則與要求

1.1 設計原則

當前時期，設計人員對高層建筑中的混凝土實施結構設計，必須遵循適用性、安全性、耐久性以及可靠性幾個方面的原則，以保證此項結構的設計工作，為該高層建筑的建設帶來質優價廉的效果，使其結構的各項功能均達到預計要求。下面就具體地對這幾個設計原則加以分析:

1)適用性。高層建筑中結構設計的適用性原則，是以該建筑設計時所設定的具體使用年限為參照，保證建筑的結構設計能夠在此年限中，使自身的裂縫、變形、振動等各項性能變動，始終控制在允許的限度內，使建筑在各項結構性能的支撐下，得以為建筑用戶正常順利地提供各方面的使用功能。

2)安全性。高層建筑中結構設計的安全性原則，亦是以設計使用年限為依據，使該建筑的結構設計在預定年限范圍內，始終可以達到對內部與外部各項荷載力的有效承受，即使遭遇某些偶然的破壞性事故，也要能夠使自身結構控制在整體穩定的狀態中，避免出現大范圍的結構性損害。

3)耐久性。高層建筑的耐久性設計原則，是指建筑的結構設計必須在規定的使用年限內，維持足夠的結構耐久性，比如，混凝土結構出現的裂縫寬度不得超出允許的范圍，且鋼筋保護層的厚度不能夠變得過于單薄，以免鋼筋在遭受外部潮濕空氣的狀況下出現銹蝕問題。

4)可靠性。可靠性的設計原則，是指高層建筑的結構設計，必須在設計的基準期與建筑的使用年限范圍內，充分達到耐久性、安全性、穩定性、剛度、動力性能等各方面的性能要求，即使超出年限的基準期范圍，也能夠在各項性能出現不同程度降低的基礎上，維持正常的使用。

1.2 設計要求

1)延展性。

高層建筑的結構柔性比低層的樓房要高，一旦遭遇地震等問題，會發生更大幅度的作用變形，若要避免建筑在地震等作用下發生倒塌變形等問題，就必須在進行混凝土結構的設計時，使其結構具備足夠的延展性能。

2)側向力。

目前，高層建筑的結構設計中，其結構內力與變形等問題，主要受到地震的水平作用力及外部環境中的風力等因素的影響，層數的不斷增多會帶動水平作用力的持續加大。所以，在設計混凝土結構時，必須要充分地將這些側向力的影響考慮在內。

3)剛度要求。

高層建筑面臨著眾多的水平作用力影響，容易出現較大幅度的側向位移，設計人員在進行混凝土結構設計時，必須在保證其具有足夠強度的基礎上，同時使其具備合理的剛度及自振頻率，進而將樓層水平位移控制于允許范圍。

2 高層建筑混凝土結構的具體設計方法

2.1 完善單元結構的布局設計

獨立的結構單元設計，是高層建筑中的主要結構設計內容，此結構設計工作適合采用簡單、規則的平面形式，但平面的整體長度與突出部分的長度應當控制于適宜的范圍，且具備均勻分布的承載力與剛度，同時，豎向結構適合采取均勻、規則的形式，以保證建筑的外挑與內收問題得到有效的控制。

要達到這一目標，混凝土結構的設計者，應當在制定結構設計方案的階段，便努力地將概念設計的理念與知識作為參考，使建筑的適用性與美觀度等要求在得到滿足的基礎上，通過進行優化設計，使其結構的平面與豎向布局盡可能地實現簡單、均勻與規則性，保證其結構剛度與承載力的合理分布，避免建筑獨立結構單元出現過于集中的塑性變形或應力。

2.2 優化高強的混凝土與鋼筋使用

高層建筑建設需要耗費較多的混凝土、鋼等材料，若混凝土和鋼的強度過大，勢必會造成建筑材料總造價的超限，同時加大其他構件的造價，從而降低建筑建設的經濟效益。因此，混凝土的結構設計人員應當對高強度的混凝土與鋼筋的使用進行合理的優化控制。

以軟土地基上的高層建筑設計為例，該結構地基受到的荷載較高，設計人員可以通過優化高強度的混凝土以及鋼筋的使用，使建筑中各構件的截面尺寸得到合理優化，從而減輕建筑的結構自重，使建筑的基礎工程建設難度得到大幅度的削減，降低工程的地基處理工作造價。

再以位于震區的高層建筑的結構設計為例，建筑的自重與地震作用程度成正比例關系，設計人員通過將高強度的混凝土與鋼筋的使用量減少，可以在減輕其梁、板、墻、柱等構件自重的基礎上，降低地震的作用力，進而保證建筑結構的安全程度，使建筑的整體安全度得以提升。

2.3 合理設計剪力墻平面結構

高層建筑的結構設計人員對混凝土結構進行設計，還需要充分地重視剪力墻結構的平面布局問題，以保證建筑整體結構受力的均勻性，并使建筑在側向力的影響下出現的位移控制于允許狀態。具體來講，剪力墻平面結構的優化設計主要為以下幾個方面:

1)以建筑的各項基本結構功能為依據，在滿足這些功能的前提下，盡可能地使剪力墻的布置實現相對的集中化與均勻化，對具有較高的恒載或者平面形式變化較大的部位設計剪力墻，應當盡量縮小其間距。2)以建筑的主軸方向或者是其他方向為基準，對剪力墻進行雙向的布置，且墻肢截面適合為具備較小的側向剛度的簡單規則的形式，在設計中還要盡量地減少對短肢剪力墻的使用。

3 高層建筑的混凝土結構具體設計優化措施

3.1 結構安全性

高層建筑人群密度高，且不易逃避、實施救治，一旦發生災害，造成的危害要比普通建筑高出許多。因此，結構設計人員必須加強對于混凝土結構的安全性設計，以盡可能降低災害造成的傷害程度。具體來講，設計人員可以從以下幾個方面開展結構的安全性設計:

1)設計人員應當在保證建筑各項功能的同時，通過考慮結構自身的抗震性能及外部人為因素可能造成的結構破壞，有目的地將高層建筑的抗震等級提升。同時，還要從整體上，加強結構設計的穩定性與牢固度，避免將磚砌體承重或者裝配式的混凝土結構應用于高層的公用屬性較高的建筑中，而要優先選取現澆的鋼筋混凝土的結構。

2)設計人員要從建筑建設過程中及投入應用后的各個方面入手，綜合考慮其荷載變化的狀況，盡可能地將建筑結構的荷載標準值與構件承載力設置出較大的彈性裕度，并且為樓面等部位進行額外的增加荷載的設計，以保證建筑在各級的地震與火災等災害中，都可以實現對于自身結構安全的維護。

3.2 抗震概念

高層建筑的混凝土結構在應用過程中，最容易受到的破壞，便是來自于地震威脅，在進行設計的過程中，設計人員要以抗震概念設計為依據，通過進行抗震試驗得出該建筑結構的抗震等級，或者借鑒相似建筑的抗震設計經驗等，對高層建筑的結構體系、平立面設計、結構構件延展性等進行優化設計，以使建筑的抗震能力得到有效的提升。

具體來講，在結構體系設計方面，設計人員要盡可能地選擇空間結構以及平面布局簡單規則的形式，作為建筑的整體結構形式。以平面布局為例，可以將矩形、圓形、方形、扇形的結構作為抗震結構的體系形式，并減少對于不對稱的側翼或過長的伸展翼的使用。同時，設計人員還要通過進行合理的布局，使建筑的質量與剛度實現均勻平衡的分布。

而在平立面設計方面，設計人員可以將墻體設置為均勻對稱的形式，并提升樓梯或電梯的井筒等具備較高剛度的結構布置的集中性，同時，將抗震墻設計為符合建筑結構整體抗震需求的形式，以提升建筑平面結構的抗震性能。而且，還要保持各轉換層結構在豎向剛度方面分布的接近，并使剪力墻的設計可以將墻面豎向持續地貫通到建筑底部。

在結構構件的延展性方面，可以將梁、柱端的組合剪力加大，或者提高柱體抗彎性能，并配合將梁端的鋼筋實際彎矩提升，以使建筑梁端早于柱端發揮塑性，使二者在外部荷載下，保持結構變形的穩定協調。

3.3 耐久性

高層建筑的結構設計人員對混凝土結構進行設計，還要努力提升其耐久性，以延長建筑的有效使用壽命，并且使建筑在遭遇各種災害之后，依舊能夠維持其應用的各項結構性能。下面就從幾個方面談論一下混凝土的結構耐久性設計的策略:

1)選擇良好的混凝土材料。

設計人員應當在保證混凝土材料的質量與基本性能的基礎上，重點從結構的穩定性能、抗侵入性能、抗裂性能等幾個方面入手，選擇堅固、耐久、潔凈的骨料，含堿量與水化熱反應較低的水泥，減少對于硅酸鹽水泥與用水量的應用，并適當地將礦物摻合料加入到材料中。

2)優化結構使用設計工作。

高層建筑中的混凝土結構物普遍包括多個構件，每一個構件所處的環境存在顯著的差別，這就決定了不同構件具備的耐久性壽命存在差異，因此，設計人員要根據實際的使用環境，明確建筑中不同結構構件的使用界限與注意事項。以屋面、陽臺及女兒墻的設計為例，這些部位的梁柱構件，耐久性壽命普遍低于室內，必須合理設定這些部件維修或更換的時間。

3)合理設計結構構造形式。

設計人員根據建筑的具體侵蝕環境與設計使用年限，設計厚度在20 mm～70 mm之間的混凝土保護層，并通過協調構件的截面積與表面積，避免侵蝕性物質集中停留區域的形成，同時注意高侵蝕度的環境中，混凝土墻板的通風效果，并注意配筋間距的合理設計，以減少鋼筋銹蝕、保護層剝離等問題的出現。

4 結語

高層建筑中混凝土是影響建設質量的關鍵決定性因素之一，因此，建筑設計人員必須加強對于其設計原則的分析與掌握，立足于具體的設計原則及要求，從整體的設計工作及具體的設計內容等方面入手，采取有效的策略，以推動混凝土結構設計的優化完善。

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