簡論高層建筑混凝土結構優化設計

摘要：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;優化

1.高層建筑的混凝土結構的設計要求

1.1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。

1.2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。

1.3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.混凝土結構設計的基本原則

2.1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。

2.2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。

3.高層建筑結構中混凝土結構結構選型中常見的問題。

3.1結構規則性的問題。在建筑結構設計中，對于結構規則性的內容規范有很大的變化，在舊的結構規則性規范中增加了很多新的規范條件，比如平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比較的信息以及豎向規則性信息等，并且在新的規范中，采用強制性的規定，所以在高層建筑物結構設計時，應該遵循設計的規范內容，從而可以有效避免施工中要求設計的改變。

3.2嵌固端的設計問題。目前很多的高層建筑物都有兩層或者兩層以上的人防地下室，所以嵌固端可能設置在人防的頂板位置處，也可能設置在地下室頂板的位置處，在設置嵌固端時，建筑師以及結構設計師很容易忽略嵌固端的設置帶來的問題，如：嵌固端上下層的剛度、樓板的設計以及上下層抗震等級的統一性以及結構整體計算時嵌固端的位置等一系列的問題，如果在設計中忽略任何一個問題都可能對高層建筑結構造成安全隱患，所以這就要求建筑師以及設計師在鋼筋混凝土高層結構設計時，注意嵌固端設置的問題。

3.3短肢剪力墻設計的問題。在鋼筋混凝土高層結構設計的規范中，對短肢剪力墻在高層建筑中應用有很多的限制，所以在高層建筑設計中，建筑師以及結構設計師應該盡量減少或者避免采用短肢剪力墻，從而可以有效避免工程設計中增加不必要的麻煩。

3.4結構超高問題。在鋼筋混凝土高層結構設計中，對于高層建筑的總高度在抗震規范中具有嚴格的要求，特別是新規范中，除了將原來的限制的高度設置為A級高度，還增加了B級建筑物的高度，所以在高層結構設計時，應該嚴格控制建筑物高度，從而可以減少重新設計以及不符合要求等問題，減少對高層結構設計以及工程工期的影響。

4.高層建筑混凝土結構優化設計的具體方法

整體是由局部組成的，局部的情況反作用于整體，重要的局部甚至對整體起到決定性的作用。高層建筑混凝土結構設計是高層建筑結構設計的主要部分，它的設計必須與整體結構相適應。現今，國內外建筑結構設計人員在保證整體結構合理的前提下，追求局部結構的承載力最大化。至今為止，雖然國內外很多學者和建筑設計人員都對此作了很多研究，但仍沒有形成一種適用于高層建筑結構設計的成熟的數學模型。對于數字模型的要求是既能夠滿足各種結構設計的規范和要求，又能夠讓設計人員覺得方便和實用，所以在不斷地實踐之后，局部結構承載力的最大化成了最重要的目標。實質上，優化設計的重點是要將整體和局部統一起來，下面就是優化高層建筑混凝土結構設計方案的三種方法：

4.1高強砼和高強鋼筋的合理使用

在建筑施工過程中，鋼的花費在建筑總花費中占有很大的比重。因此，對于鋼的用量要進行嚴格控制，合理地使用高強鋼筋，避免過度用鋼造成建筑施工資金不足或緊張。同時對于地基較軟弱的高層建筑，合理布置強砼和高強鋼筋高優化構件截面尺寸，不僅可以減少造價，還可以減輕地基載荷，方便施工。建筑物的自重越大，地震對其破壞的程度就越大，所以還可以通過減輕建筑自重來降低地震對建筑物的損壞，而合理使用高強砼和高強鋼筋可以有效地減輕自重，達到降低造價和降低地震對建筑物破壞的程度。

4.2綜合考慮平面性狀、各部分的剛度和承載力三個方面

首先，要遵循平面結構性狀簡單規則的原則，將長度和凸出部分控制在一定范圍內，豎向體型要規則均勻。其次，要均勻分配各部分的剛度和承載力，豎向布置要采用規則的結構，形狀是下大上小，側向剛度要均勻變化。有時候會發生結構設計嚴格按照標準設計，導致造型不夠美觀，在這種情況下，結構設計人員就要關注結構概念設計，并將其貫穿于整個設計中，在保證建筑結構合理適用的前提下，美化建筑外部形象。

4.3注重剪力墻的平面布置

具體的要從以下幾項做起：（1）剪力墻的布置要遵循周邊均勻和相對集中的原則，當然前提是要保證建筑的使用功能。通常情況下剪力墻的位置是布置在建筑物的樓梯間、電梯間處以及平面形狀變化及恒載較大的部位，其間距也要控制好，間距過大或過小都不可以。（2）剪力墻墻肢截面要簡單規則，不宜太復雜，同時剪力墻結構的側向剛度也要適宜。（3）短肢剪力墻的數量不宜太多，因為較多的短肢剪力墻沒有聯合剪力的效果好，特別是全部為短肢剪力墻的情況決不能發生。

4.4注重結構抗震性能

合理設計混凝土筒體的承載力和延性，這里特別強調了混合結構體系的高層建筑。為了保證高層建筑的抗震性能，型鋼柱的設置位置與設置方法要根據建筑高度的不同而選擇適用的。當建筑物高度不超過130m時，并且抗震設防等級多為7級;筒體四角和樓面鋼梁與型鋼混凝土梁的交接處設置型鋼柱，建筑物的高度一般高于130m，型鋼柱的位置設在筒體四角，抗震設防等級要設為7、8、9級，避免外圍框架的剛度及承載力不達標。要想通過剛性連接外圍框架平面內柱與梁的方法增強外圍框架的剛度和水平承載力，降低水平作用力使樓層側移的可能性，可使用以下方法：一是設置外伸桁架加強層;二是采用分段拼裝外伸桁架與筒體剪力墻剛接的方法;三是均勻布置貫通性的剛接桁架與抗側力墻體。

5.結語

綜上所述，加強對高層建筑混凝土結構設計是非常必要的?；炷烈呀洺蔀榱爽F代建筑的標志，而隨著混凝土在現代建筑工程中的發展應用，使得現代建筑的質量和性能都得到了大幅度提升，從而為我國的城市建設奠定了堅實的基礎。

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