淺論高層建筑混凝土結構設計

摘要：隨著社會在發展，時代在進步，在一座座迅速崛起的城市中，增多的不僅是一幢幢的高層建筑，更是人們對高層建筑的研究，特別是對高層建筑中混凝土結構的研究，對于混凝土結構的設計優化，更是越來越受到人們的關注。

關鍵詞：高層建筑;混凝土結構;設計

1.混凝土結構設計的基本原則

1.1建筑結構的功能要求建筑結構在正常設計、正常施工、正常使用和正常維修條件下的功能要求，有下列三個：①安全性。建筑結構在其設計使用年限內應能夠承受可能出現的各種作用。②適用性。建筑結構在其設計使用年限內應能滿足預定的使用要求，有良好的工作性能，其變形、裂縫或振動等性能均不超過規定的限度等。③耐久性。建筑結構在其設計使用年限內應有足夠的耐久性。

1.2結構可靠性是指結構在規定的時間內、規定的條件下，完成預定功能的能力。但是當建筑結構的使用年限到達或超過設計基準使用期后，并不意味該結構立即報廢不能使用了，而是說它的可靠性水平從此要逐漸降低了，在做結構鑒定及必要加固后，仍可繼續使用。結構可靠度是指結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率，即結構可靠度是結構可靠性的概率度量。結構可靠度的分析就是要合理地確定結構的可靠度水平，使結構設計符合技術先進、經濟合理、安全適用和確保質量的要求。

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

（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。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。

4.結語

高層混凝土結構設計沒有絕對最佳的標準模式，只有通過不斷地探索、比較，去尋求相對的最優方式。才能逐漸的完善我們的設計，才能使我們的行業不斷地追求盡善盡美的設計思想，不只盲目照搬規范和依賴計算機程序作設計，用自己的結構設計概念、經驗、判斷力和創造力為業主和社會設計出更好的建筑。

參考文獻：

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[2]徐宜和，丁勇春，等.高層建筑結構抗震分析和設計的探討[J].江蘇建筑，2008，（03）.