高層建筑混凝土結構設計

常金鳳

摘要： 高層建筑結構與多層建筑在結構概念設計、整體穩定性、構件截面的選擇、重要部位的延性和整體的結構體系設計都大不相同，兩者設計特點也不盡相同。本文主要分析高層結構混凝土結構設計中的主要設計特點，總結了在相關設計過程中容易出現的一些遺漏和錯誤，結合自身的經驗和體會，提出了相應的注意事項及結構優化措施。

關鍵詞： 高層建筑；混凝土；結構設計；建筑結構；建筑設計

引言：高層建筑因其高度及層數的增多，使其在具有傳統多層建筑結構設計的特點外，還具有高層建筑結構獨有的特點。結構概念設計及結構方案的選取顯得更為重要，由于建筑高度及層數增加，結構所受地震作用及風荷載更加突出，成為結構設計的控制荷載，因此高層結構設計中更加注重結構的抗側力體系設計。

1 高層建筑結構體系的選擇

1.1 高層結構體系分類

高層常用的主體結構體系為鋼筋混凝土結構、鋼結構和鋼-混凝土混合結構，結構類型有筒中筒、框架-核心筒以及其他組合結構，根據需要可設置帶加強層。樓蓋結構宜采用預應力或非預應力扁梁、寬扁梁，大開間平板或壓型鋼板組合樓板等有利于減少樓蓋高度的結構形式。

1.2 高層結構體系選用原則

對于超高層結構，水平風荷載和地震作用是控制結構設計的主要因素，豎向荷載所需結構材料的數量與層數成線性關系增加，抵抗水平荷載所需結構材料的數量與高度成指數關系增加。因此，選擇結構體系時應選擇最高效的抗側力結構體系。在選擇結構體系時除了要考慮荷載作用的影響外，還應考慮非荷載作用的影響，例如混凝土徐變收縮、溫度變化、地基差異沉降等使結構內部變形對結構產生的不利影響。結構體系選用的基本原則為：結構在豎向重力荷載作用下受力均勻；平面均勻、體型簡單，結構剛度、質量沿豎向均勻變化，結構有足夠的抗扭剛度。

2 高層建筑的混凝土結構設計特點及要點

2.1 高層建筑混凝土結構設計的特點

相比于多層建筑，高層建筑由于其建筑高度大，層數多，其結構的抗震設計、抗側力構件的布置和構件承載力設計等各方面都有所不同。在結構設計中，需要設計師具有豐富的設計經驗，清晰的結構概念，從宏觀到微觀把握好整體結構的設計思路，從結構的整體指標計算具體到某一個構件的配筋都要認真仔細做好設計。結構側向力：在多層建筑中，水平地震作用及風荷載相對較小，不是主要控制荷載；但在高層建筑中，側向水平力隨高度增加而逐漸增大；結構的延性：高層建筑由于高度的增加，需要更好的結構延性來消耗及抵抗地震作用，這樣整個建筑結構在水平地震作用下，才能具有良好的變形能力和耗能機制，為人們在地震發生時爭取更寶貴的逃生時間。結構的剛度：高層建筑的結構高度越大，層數越多，自身質量也就越大，隨之而來的就是結構所受水平地震作用也逐漸變大，結構的側向位移與其所受水平力為線型關系。因此在對高層建筑結構豎向構件設計時，需要合理的布置其數量和位置，使整體結構具有合適的抗側力剛度，降低結構的側向位移滿足正常使用極限狀態的要求，結構剛度不宜過剛或過柔，不宜出現剛度突變等不利因素。

2.2 高層建筑混凝土結構設計的要點

2.2.1 高層建筑結構設計應注重概念設計

傳統教育方式使結構工程師對結構總體的方案不夠關注，首先考慮細節問題，認為結構設計就是規范+計算，只包括強度和變行的計算，而忽略了結構整體的概念設計，概念設計應該在結構設計中占有重要的地位，是影響后期結構設計、工程造價、結構安全的主要因素，因此應該引起廣大工程師的重視。做好結構概念設計，要求設計師應該首先從建筑結構的總體方案設計入手，從宏觀上把握好該結構設計的方向及自己想要實現的設計目標，確定好結構所需要的理想承載力、剛度和延性的目標，在總體設計目標的知道下，進行結構方案布置，整體指標計算，構件內力計算等工作，由宏觀到微觀，由整體到局部的設計方向來完成高層建筑的結構設計。

2.2.2 高層建筑結構設計應該剛柔結合，并設置多道防線

結構設計不應一味追求加大結構的整體剛度來抵抗地震作用，這樣不僅會造成浪費，而且還可能對結構造成很大危害。結構設計時應考慮使結構具有一定的剛度和承載力來抵抗地震作用及風荷載，在多遇地震下結構應處于彈性工作狀態，在第一道防線屈服后，使結構具有足夠大彈塑性變形能力和延性來消耗地震作用。然后根據多道設防目標，再從具體的結構整體設計中滿足要求。

3 高層建筑混凝土結構設計的注意事項

3.1 高層建筑基礎設計

高層建筑因其結構層數多，荷載大，基礎設計等級高等因素，因此在結構設計中不應忽視基礎設計，基礎選型應根據地質勘查報告，因地制宜，選用合理的基礎形式。高層剪力墻結構因其上部荷載較大，多選用筏板基礎或者樁基礎。基礎設計不僅要滿足承載力的要求，地基的沉降也是高層建筑必須要驗算的指標，應選用地質條件好的土層為地基持力層，選取整體剛度好的基礎形式，來減小高層建筑的沉降差，沉降量，來達到工程的要求。最后，高層建筑受水平荷載影響較大，容易產生結構的傾覆，故高層建筑的基礎埋深不能過淺，這點設計師容易忽略，造成嚴重后果，基礎應該埋置一定深度來保證結構的穩定性。

3.2 選擇合理結構嵌固端

由于嵌固端的位置選取會對結構整體指標和內力配筋產生很大影響，所以在對結構進行設計和計算時，需要根據土體約束、上下層結構剛度來合理的確定結構嵌固端的位置，使計算模型符合實際情況。

3.3 其它需要注意問題

結構的傳力路徑應簡單直接，盡可能避免結構出現連續倒塌的情況；應盡可能使結構質心與剛心靠近，避免在地震力及風荷載作用下產生的扭轉影響；結構豎向抗側力構件應該盡量連續，避免出現剛度突變，軟弱層和薄弱層的出現[1]。

4 高層建筑混凝土結構設計的優化

4.1 優化建筑整體結構的方案布置，合理布置結構抗側力構件的平面位置、構件截面尺寸、避免出現結構的偏心、扭轉、剛度突變等情況，最大限度的發揮結構構件的承載能力和抗震延性，不宜出現部分構件承載力接近極限，部分構件還未充分發揮承載力得情況。對于剪力墻的布置，可以采取周邊、均勻、對稱的原則來布置，在豎向上宜盡量連續，避免出現承載力和剛度的突變[2]。

4.2 把握好建筑整體結構的延性設計，充分發揮結構的耗能能力，避免結構出現脆性、瞬時的破壞。在遭遇罕遇地震和較強的水平風荷載時，高層建筑由于自身高度較大的因素，結構就需要足夠的抗側剛度和良好的延性來抵抗水平荷載[3]。允許結構部分構件首先出現塑性鉸，這樣就可以不斷的消耗掉地震的能量，避免重要構件發生破壞，造成嚴重后果。在設計過程中，一定要把握好關鍵結構構件的延性設計，如豎向抗側力構件、傳遞水平力構件。把握好結構的延性設計，不僅能在地震下保證結構安全，也能減少工程造價。

結束語：

為了應對飛速發展的城市化運動，提高土地利用率，高層建筑得到了廣泛運用和蓬勃發展。高層建筑具有其自身復雜性及特殊性，現階段高層建筑結構設計的相關經驗和技術措施都有了很大的發展。在此基礎上，新技術、新材料的不斷出現，使人們可以向更高、更復雜的建筑方面進行探索，高層建筑結構未來的發展空間還很大，需要設計師們進一步的發展和完善，爭取獲得更好的社會效益。

參考文獻

[1]張瑾.淺議高層建筑混凝土結構方案設計與優化[J].山西建筑，2018，44（17）：51-53.

[2]邵志利，孟凡偉.高層建筑混凝土結構設計的相關問題探討[J].門窗，2014（11）：329.

[3]張慶國，丁海英.完善高層建筑混凝土結構設計的探討[J].科技與企業，2013（10）：254.