談高層混凝土結構設計中的問題及對策

夏曉超

摘 要：隨著人口的不斷增加，高層建筑在我國得到了長足的發展，高度也不斷的增加。本文介紹了高層建筑設計的特點，建筑的類型和功能的復雜性，結構體系的多樣性以及這些問題中存在著混凝土結構設計的問題，并給出相應問題的解決方法和策略。

關鍵詞：高層建筑；混凝土結構設計；策略

引 言

社會責任和行業發展的需要，不斷的對高層建筑結構的設計和施工提出了更高的要求，作為高層建筑的靈魂的鋼筋混凝土結構設計無疑成為了重中之重的任務。為了更好的發揮高層建筑的優勢，保證高層建筑的安全施工，應提高鋼筋混凝土的結構的設計和管理，對設計中存在的問題要給出相應的解決方案，關鍵的問題更要做到全盤考慮。在設計中應突出設計內涵，把握整體機構，才能更好的完成設計目標。故本文對高層混凝土結構設計中的問題進行分析和解決。

1 高層建筑結構設計的特點

1.1 水平載荷的影響

高層樓房的自身重力加上樓面所要承受的載荷，在豎直的構件中的彎矩和軸向力是與樓房的高度成正比的；在由水平載荷對結構所引起的傾覆力矩、豎直方向構件產生的軸力與樓房的高度的平方成正比。豎直方向載荷在高樓層上一般為一定值，水平方向的風載荷其值是在結構動力特性的作用下或有很大幅度上的變化。

1.2 不容忽視的軸向變形

豎直方向的載荷在高層建筑中的數值很大，往往能夠產生很大的軸向壓力變形，這種結果的影響常常是跨中正向的彎矩、端支座負向彎矩變大；連續梁中間的支座點的負彎矩值減小。

1.3 側移成為控制指標

在與普通低樓房不一樣的是，由側向力產生的結構側移，會影響到建筑結構的整體穩定性，使其成為高層建筑混凝土結構設計的重要因素。跟隨著樓房的層層增加，水平方向上的載荷壓力下的側移變形也急劇增加，因此，在結構設計中要考慮把側移控制在某一范圍之內。

1.4 結構延性是重要設計指標

一種說法是，高層建筑的結構剛度越大，其承載的能力越強，抗震的能力也越好。事實并非如此，剛度大，則質量大，質量大則造價高。為了將建筑的剛度控制在一定范圍之內，需要使結構設計具有一定的柔性，即延展性。保證其在外力地震力的作用下，進入塑性變形，避免倒塌。這就要求高層建筑的鋼筋混凝土結構應當具備延展性，同時具有承載能力。

2 結構選型問題

2.1 設計原則

如圖1所示，為實際施工中的鋼筋混凝土結構選型和內力分析圖。設計人員在設計高層建筑混凝土結構時必須遵循四個原則[1]。①為保證高層建筑在計劃的使用年限內的混凝土結構穩定性和安全性的適用性原則；②使用年限能應避免出現較大范圍內的混凝土裂縫的安全性原則；③保證安全和質量要求的年限的耐久性原則；④必須達到相關規定性的穩定性原則。

2.2 結構的規則性問題

隨著方法的不斷創新和引進國外的大批經驗，新的規則也相應的出現變化，增添了許多的限制條件。比如說在平面的規則性信息和嵌固端上下層剛度比方面。并且新規中明文規定了的強制性條文增多，比如說建筑不應采用很不規則的設計方案，故在設計方面，工程師應遵循新規中的這些嚴格限制和改變很多的條件，防止以后施工階段工作中的被動。

2.3 結構的超高問題

新的規范是在舊的抗震規范的基礎上對高度做了嚴格的修訂，一方面把原來的限制高度設置為A級高度，另一方面增加了B級高層建筑。若是建筑高度達到了或者說超過了B級建筑高度，我們必須改變設計的方法，采取必要的措施。防止由于結構高度的變更而忽視的工程中會出現的問題，這樣就會產生工程施工圖審查通不過的情況，更為嚴重的會導致重新設計施工圖，有時候還會需要重新開專家會議，這樣一來對造假和工程的工期和整體的布局都產生了重大影響和損失。例如，超高建筑物的主樓體系選用3.6m的厚的現澆鋼筋混凝土筏板。

2.4 嵌固端的設置問題

高層建筑物常常會有兩到三層的人防和地下停車場，嵌固端的位置一般會設置在人防的頂端，但是也有可能設置在地下停車場的頂端[2]。在嵌固端的問題上，往往結構工程師會忽略嵌固端設置后導致的一些問題。例如：嵌固端上下層抗震的等級要保持統一性；樓板的設計和上下層的剛度比限制要保持一致性；在整體性上計算時，嵌固端的位置和結構抗震縫要協調。任何一個小小的設計忽視，都會給后期的工作埋下大量修改和返工的隱患。

2.5 短肢剪力墻的設置問題

設計人員在對高層建筑的短肢剪力墻進行設計時，應注意剪力墻的平面結構布局對結構承載力的均勻程度的沖擊，對短剪力墻的應用的原則是能少用盡量少用，甚至不用。因為在新規中，對短肢剪力墻在高層中的應用增加了很多的限制，為防止以后工作的麻煩盡量少用。一是可以通過將剪力墻進行高度的集中化和均勻設計對剪力墻的平面結構進行優化，另一方面把高層建筑的基準作為參考，對剪力墻進行雙向布置。例如，一方面使用的是全高密間距100mm，另一方面提高構件受剪承載力和受壓承載力。

3 地基基礎設計

工程師都非常重視地基的基礎設計問題，若是地基存在著嚴重的缺陷，不僅僅影響的是工期問題，還會直接影響工程造價。沉降問題是首要考慮的問題，為防止不均勻的沉降對結構設計以及施工帶來的災害，較長的建筑物通常會在建筑平面的轉折處和高度差異很大的位置設置沉降縫，其作用就是把建筑物分別分割成幾個部分，使各個部分在設計中不受影響。天然地基是不能滿足高層建筑的承載要求的，因為高層建筑的載荷往往是很大的。基礎壓力的設計值等于或者不超過地基承載能力的5%時，可以通過提高上部的結構剛度實現。當基礎壓力的設計值超過地基承載能力的5%時，可以通過擴大基礎底面積和減少上部的載荷等方法。我國幅員遼闊，對地基的承載能力要求也是不同的。例如內蒙古的包頭等城市多采用的是有石屑、煤灰和水泥加水拌合而成。所以在地基基礎類型學習和設計方法處理時，僅僅一本《地基基礎設計規范》是往往不能夠滿足要求的，地方性的地基基礎設計和經驗描述更值得我們去深深的研究。

4 結構計算與分析問題

4.1 結構安全性

結構設計中必須要考慮以人為本的安全性的問題，由于高層建筑人口居多，密度較大。在天災人禍面前，一旦設計的不夠合理，則會帶來嚴重的災難后果。在保證高層建筑整體的功能和質量的前提下，最大程度的去減低災難程度。在設計中一是要考慮建筑結構的承載能力和材料的最大承載力進行比較計算。二是將結構的自振性和環境的因素考慮在內。提高自身結構安全性，減少混凝土的使用量，最大程度減少自身的重量。

4.2 混凝土結構耐久性

設計人員要盡可能的去采用一些穩定性和抗入侵性都很強的混凝土進行施工，這樣在材料的選擇上做了自身結構性的最優選擇[3]。在具體設計過程中，要考慮到不同的構件所處的環境進行差異化的設計和材料的選用，使用45mm的混凝土保護層，保證其能延長使用年限。

4.3 抗震性

地震對高層建筑的威脅是最大的，設計中要高度重視抗震性，減少一些不對稱結構的設計，一些展翼過長的設計也應該根據實際的情況設計，盡可能的科學規劃和布局平面結構。確保自身的重量和結構強度的和諧分布。在計算設計時是否需要地震力的放大，考慮到建筑隔墻影響，在新規中增加了振型參與系數的概念。故而對計算結果進行分析的時候，是否要調整振型數目、各地的地震周期需要分開計算。在施工中需增大框架梁在恒活荷載作用下的的跨中正彎矩，此參數取1.1～1.2。

4.4 非結構構件的計算與設計

建筑美觀或功能要求的非主體承重的一些非結構構件，以及高層建筑的頂部的裝飾構件。通常按照新規中的非結構構件進行設計。

5 總 結

高層鋼筋混凝土的結構設計是一個復雜的、龐大的甚至需要不斷修改的設計，任何的紕漏和差錯都是有可能使整個設計過程變得復雜和繁瑣，甚至帶來不可挽回的損失。本文從高層建筑的設計特點和設計原則出發，分析了高層建筑中的不穩定因素和對這些問題的解決方式。提高了建筑的穩定性和安全性，延長建筑的使用年限。

參考文獻

[1]蘇永平.高層建筑中混凝土結構的優化設計研究[J].山西建筑，2013（09）：29～30.

[2]潘靖.鋼管混凝土框架結構的優化設計研究[D].河北工程大學，2012.

[3]邵永玻.高層建筑混凝土結構優化設計的探討[J].門窗，2012（07）：49～53.