高層建筑混凝土結構的穩定設計

【摘要】混凝土結構作為高層建筑的基礎結構，直接決定了高層建筑的質量和穩定，文章對高層建筑混凝土結構的穩定設計進行分析，具有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】高層建筑；混凝土結構；穩定設計

一、前言

文章對混凝土結構穩定設計的原則進行了介紹，對高層建筑結構中混凝土結構的具體設計方法進行闡述，通過分析，并結合自身實踐經驗和相關理論知識，對高層建筑混凝土結構的穩定性設計進行探討。

二、混凝土結構穩定設計的原則

穩定性是混凝土結構的一個突出問題。在各種類型的混凝土結構中，都會遇到穩定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應有的損失。根據穩定性問題在實際設計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證混凝土結構穩定設計中構件不會喪失穩定。

1.混凝土結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求。目前混凝土結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出平面失穩，需要從混凝土結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件。這就是說，平面混凝土結構構件的出平面穩定計算必須和混凝土結構布置相一致。

2..混凝土結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致，這對框架混凝土結構的穩定計算十分重要。目前設計單層和多層框架混凝土結構時，經常不做框架穩定分析而是代之以框架柱的穩定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，應通過框架整體穩定分析得出，才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型條件。

3.設計混凝土結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合，使二者有一致性。

混凝土結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦予它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是，當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩定分析所采取的邊界條件。

三、高層建筑結構中混凝土結構的具體設計方法

1.單元結構布局設計的完善

高層建筑的結構設計的主要內容是對各個單元結構進行獨立設計。單元結構設計通常應用于一些建筑結構比較簡單、規則的平面設計，在設計過程中，需要注意適當的控制平面結構中的整體、突出部分的長度，確保各個部分的承載力和結構強度均勻。在豎向結構的設計中，通常采用一些比較均勻、規則的設計，能夠有效的控制建筑外觀與內部結構之間的問題。

在其設計過程中，設計人員需要制定結構設計方案，以現有的設計理念和設計專業知識作為依據，以高層建筑實用性、安全性和美觀作為前提保障，對混凝土結構進行優化設計，保障其各個單位結構在水平方向和豎直方向的結構強度、承載力等均勻合理的分布。

2.高強混凝土與鋼筋使用的優化

混凝土和鋼筋是高層建筑的主要施工原料，在具體的設計過程中，需要保障在高層建筑質量的前提下，對高強度的混凝土和鋼筋的使用進行相關的優化，減少混凝土和鋼筋的使用量，提高資源的配置效率。

例如，在地殼運動較活躍的地區進行高層建筑設計時，設計人員應該明確高層建筑的重量越大，地震的作用程度就越劇烈，在保障高層建筑的質量的前提下，對其進行優化設計，盡量的減少混凝土和鋼筋的使用量，降低振動作用程度，提高其建筑結構的穩定性和安全性，延長其使用年限。

3.對剪力墻平面結構設計的合理化

設計人員在對高層建筑混凝土結構進行優化設計時，還需要重視剪力墻平面結構布局對高層整體建筑結構承載力均勻程度的影響。在進行剪力墻平面結構的優化設計時，主要是通過以下幾點：一是將高層建筑的基本結構功能作為其設計的依據，最大程度的將剪力墻進行集中化和均勻化設計；二是找準高層建筑的設計基準，對剪力墻進行雙向布置，盡可能的減少使用一些短肢剪力墻。

四、高層建筑混凝土結構的穩定性設計

1.高層建筑混凝土結構的臨界荷重

高層建筑混凝土結構可視為其有中等長細比的懸臂桿，其高寬比一般為3～9。此懸臂桿的整體失穩或整體樓層失穩形態有三種可能：剪切型、彎曲型及彎剪型。純框架結構的失穩形態一般為剪切型；剪力墻結構的失穩形態為彎曲型或彎剪型：框架一剪力墻、框架一簡體等帶有剪力墻或筒體的結構，

2.高層建筑混凝土結構的臨界荷重的確定

對于正常使用極限狀態結構構件應分別按荷載效應的標準組合以及荷載效應的標準組合并考慮長期作用的影響進行驗算以保證變形裂縫等計算值不超出規范規定的限制。

3.在設計中主要控制以下指標

（1）剛度比

剛度比是控制結構豎向不規則的重要指標，規范及軟件分別提供了剪切剛度，剪彎剛度和地震力與相應的層間位移比三種剛度比的計算方式，其中剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉換結構及對地下室嵌固條件的判定，剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉換結構設計，我們這里強調的是樓層平均剪力與平均層間位移比值的層剛度，通常絕大多數工程都可以用此值來判定結構的豎向規則性，它也是軟件剛度比計算的缺省方式。主要為控制結構豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，對于形成的薄弱層則應予以加強。

（2）軸壓比

規范對軸壓比限值按照抗震等級進行了規定，限制框架柱的軸壓比主要是為了保證柱的塑性變形能力和框架的抗倒塌能力，控制柱的延性，避免柱在地震作用下的脆性破壞，盡可能使框架柱最終為大偏心受壓破壞：確保剪力墻肢底部塑性鉸區的延性性能和耗能能力，避免在強烈地震作用下墻體的壓潰和喪失豎向荷載的承載能力。結合對其它結構特性的控制及構造措施來間接實現對該值的限制。軸壓比不滿足時可增大剪力墻、框架柱的截面尺寸、設置芯柱，采用復合箍筋等辦法。

（3）剪重比

剪重比是某層對應于水平地震作用標準值的樓層剪力與該層及其上各層重力荷載代表值之和的比值。主要是控制各樓層的最小地震剪力，確保結構能夠承擔足夠的地震作用。由于目前規范采用的振型分解反應譜法不能對此做出準確估計，為確保結構安全，特提出對結構總水平地震剪力及各樓層水平地震剪力最小值的限制。

（4）周期比

結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比。限制結構平面布置的不規則性，避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應；限制結構的抗扭剛度不能太弱，減小扭轉對結構產生的不利影響。周期比不滿足時采用的調整方法：改變結構平面不規則布置，使結構的質量中心與剛度中心盡可能靠近；提高結構的扭轉剛度。SATWE程序中的振型是以其周期的長短排序的，結構的第一、第二振型宜為平動，扭轉周期宜出現在第三振型及更高階振型。當第一振型為扭轉時，周期比肯定不滿足規范的要求。

五、結束語

高層建筑混凝土結構的穩定性設計的要點在于能否控制好剛度比、軸壓比、剪重比、周期比這四個指標，隨著經濟的發展，高層建筑成為建筑群的主流，因此，加強混凝土結構穩定性設計的研究是非常重要的。

參考文獻

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