關于高層建筑結構混凝土設計的探討

嚴伶俐

摘 要：在高層建筑施工中，混凝土結構的質量發揮著至關重要的作用，在設計的過程中，應制定完善的設計方案，對于基礎、梁、柱以及剪力墻等重要的部位要進行嚴密、精準的設計，提高施工的精確性，從而為高層建筑的質量提供一定的保障。

關鍵詞：高層建筑；混凝土結構設計；探討

1 高層建筑的混凝土結構的設計形式和設計特點

1.1 設計形式的概述

（1）框架結構體系：這種體系是過去低層建筑中最常用的房屋結構，一般僅適用于10層及10層以下的低層建筑。整個結構體系是以框架梁、框架柱為骨架的剛性一體式連接結構，具有抗震性強、自身結構完整、重量輕和強度高等優點。但當框架結構的房屋高度增加時，框架結構的側向力作用也隨高度而增加，其自身水平負載所產生的內力也遠超于豎向負載所產生的內力；而框架結構本身又存在抗側向位移剛度小、支座不均衡沉降敏感等結構問題，所以很容易是整個建筑結構發生側向位移等情況。

（2）剪力墻結構體系：這種結構體系相對于框架結構體系是一種更優的發展體系，一般適用于25～30層的房屋建筑結構。整個結構體系是由橫向和縱向所組成的一體化鋼筋混凝土墻結構，具有側向位移剛度大、整體性好、水平力作用下側向位移小，以及沒有梁和柱等構件外露的優點，并且對房屋有圍護和分割作用，以及能夠有效的抵抗水平負載和豎向負載。但由于剪力墻的結構性延展性差，導致建筑內部劃分的空間較狹窄，僅適用于賓館和住宅等建筑。

（3）框架-剪力墻結構體系：這種結構體系是綜合了前兩種結構體系的優點所產生的，一般適用于10～25層的房屋建筑結構。整個結構體系是由框架和剪力墻共同組成的，把各種負載壓力分流到各種承載物上；一般的水平負載是由剪力墻結構所承擔的，一般的豎向負載是由框架結構所承擔的。這樣的分流可以大幅度減少柱梁的截面和增加建筑空間的靈活度，以及增強側向位移的剛度，是一種非常實用的結構體系。

（4）框筒結構體系：這是一組合式的結構體系，一般適用于30～80層的高層建筑。整個結構體系是由鋼筋混凝土圍成側向位移剛度較大，并在房屋中央安置剪力墻薄壁筒，和在周圍布置大柱距的一般框架的結構，具有抗扭剛度大、抗側移剛度大等優點。

2 設計特點概述

（1）考慮側向力：在低層建筑中，側向位移力十分之小，可以忽略不計；在高層建筑中，側向位移力隨高度增加而逐漸增大；

（2）考慮負載性：由于土質、建筑材料等各種因素影響，在不同的地基或樁基上施工時，要依據情況的不同來采用不同的處理措施，并且需要使地基基礎的負載力與上層結構的重力相一致

（3）考慮延展性：高層建筑由于高度的增加，需要更好的延展性，以及薄弱層的結構需要更加柔軟，使整個建筑能夠在地震作用下，有更大程度上的變形能力。

（4）考慮剛度強：由于建筑高度的不斷增加，高層建筑的側向位移也相應增大。所以在對高層建筑進行相關設計時，需要考慮整體結構的強度和剛度，使整體結構能夠有合理的自振頻率和位移控制

（5）考慮抗震性：在選擇施工地段時，要選擇地質堅硬密實的開闊平坦地段。并且要考慮整體結構的負載力和變形能力兩個因素。

3 混凝土結構設計要點

3.1 地基設計

3.1.1 沉降縫設計

在建筑使用的過程中，沉降是常見的現象，過度的不均勻沉降會給建筑帶來嚴重的危害，降低建筑的安全性能，對于高層建筑來說，應在建筑高度差較大或轉折部位以及地基土的壓縮性差異較大的部位設置沉降縫。通過設置沉降縫的方式可以把建筑物分割成若干相對獨立的結構，使沉降的過程保持獨立，避免各結構單元相互影響，能夠降低不均勻沉降對建筑物的不良影響。

3.1.2 地基基礎設計

高層建筑的地基要承受巨大的壓力，如果基礎底面承受的壓力設計值與地基承載力設計值相當，或者不超出5%時，應適當提高上部結構的剛度，在框架結構上增設拉梁，增加梁柱的截面面積，并增加框架梁的配筋，提高基礎的抗不均勻沉降能力；如果超出了預估沉降值的限度，應增大基礎底面積，并對地基進行適當的加固處理，通過這些方式提高高層建筑的荷載能力。針對不同的地質情況、建筑結構類型、地基承載能力應選擇不同的處理方式。一些高層建筑的剪力墻結構可以采用水泥粉煤灰碎石樁的形式，這種樁是利用石屑、粉煤灰、碎石等與水泥摻和，加水攪拌，并使用相應的機械制成的低強度樁。

3.2 上部結構設計

高層建筑的混凝土設計除了保證基礎的牢固性之外，還應優化上部結構的設計，要重視一些主要的受力構件。

3.2.1 剪力墻的布置

剪力墻問題是高層建筑混凝土結構設計中的主要問題。無論是純剪力墻結構還是框架剪力墻結構中的剪力墻都存在一些布置問題。在建設過程中，為了提高高層建筑的空間性能，應采用雙向布置的方式布置剪力墻，保證布置工作的對稱性和均勻性，提高剪力墻的剛度，在框架剪力結構的設計中，如果剪力墻的剛度分布不均勻就會造成結構的扭轉，通過加大柱截面的方式也難以保證結構的穩定性。當剪力墻的軸壓比超過規定的范圍時，要在底部設計加強區域和邊緣約束結構，提高截面的塑性變形能力。在設計的過程中，應盡量減少或者避免短肢剪力墻的布置，如果必須布置短肢剪力墻要適當的控制好數量，并布置在適當的位置，采取一定的加固措施。

3.2.2 框架短柱的設計

在地震發生的時候，建筑框架短柱的剛度越大，吸收的地震力就越大。在樓層中含有短柱的部位容易出現剪切破壞的現象，降低結構的抗震性。在框架結構中，雙跑樓梯與平臺板連接的部位以及三跑、四跑樓梯的四角框架柱都可能成為框架短柱。對于這類短柱可以采取以下措施：①采用復合箍筋的形式沿柱全高進行加密，使短柱的縱向鋼筋的分布保持對稱，保證每側的配筋率在1.2%范圍之內；②提高構件的受壓承載力，提高短柱的抗震性能，有效的防止短柱的剪切破壞。

3.2.3 框架梁設計

地震和風等外力會對樓體的框架結構產生水平向的作用力，會使梁柱的兩端負彎距離過大，大于跨中正彎距。為了減少框架梁的的負筋，在設計的過程中，應調整框架梁的負彎距離，有效的減少梁端的負彎距，并要增加一定的跨中正彎距。當不考慮活荷載的影響時，應適當的增加框架梁的跨中正彎距。當負筋在框架梁上的搭接過大時，框架梁會受到一定的影響，因此，應減小配筋，將其調整到次梁跨中，或者框架梁與次梁的交接處。

3.3 抗震設計

在抗震設計的過程中，要保證混凝土筒體具有較強的承載力。一些高層建筑為了提高抗震性能，應根據建筑的具體高度來設置型鋼柱的位置。應將型鋼柱設置在筒體的四角，建筑物的高度低于130米時，防震等級為7級；在樓面的鋼=和型鋼混凝土量的交接部位設置型鋼柱，建筑物的高度通常在130米以下，防震等級為7、8、9級，通過這種方式增加框架的剛度。采用剛性連接的方式連接外圍框架平面和梁，從而增強框架的承載能力。

4 結束語

為了節省城市建設用地，提高城市立體化程度，高層建筑成為城市中常見的建筑形式，這種建筑形式能夠緩解城市人口密集造成的土地資源緊張的問題。在建設過程中，不僅要考慮土地利用效率，更要保證建筑的結構穩定和安全性，這需要通過優化建筑結構的混凝土施工設計來實現。

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