高層建筑混凝土結構優化設計分析研究

呂昊

摘 要：此文簡單介紹了高層建筑混凝土結構設計的特點與要點，詳細分析了高層建筑混凝土結構設計的基本原則，并研究了高層建筑混凝土結構優化設計。

關鍵詞：高層建筑;混凝土結構;穩定性設計

高層建筑結構日常使用過程中，不僅要承受外部載荷，還要承擔自身質量及其他豎向載荷。而且，高層建筑會受到地震、風等因素的影響，在進行混凝土結構設計時，要綜合考慮各種因素，結合建筑用途、結構類型、抗震條件等要素開展結構優化設計工作。

1 高層建筑混凝土結構設計的特點與要點

1.1 高層建筑混凝土結構設計的特點

結構側向力：多層的水平地震以及風荷載作用更小一些，所以不是主要進行控制的荷載。而高層的結構設計中，側向水平力就會因為高度增加有明顯的增大。結構延性：高層高度的增加，需要極強的結構延性，對地震的作用進行抵抗以及消耗。這樣高層的結構就會在地震情況下也有不錯的變形能力?？梢詾槿藛T的逃生提供更多的機會。結構剛度：結構高度增大，層數增加，就會導致本身的質量增大，結構受到的水平作用力就會變大，側向位移與受到的水平作用力是線性關系，因此高層的結構設計中，豎向構件要把保持合理的位置以及數量，讓結構具備更加科學的抗側力剛度，降低側向位移并滿足極限狀態下的使用要求^[1]。

1.2 高層建筑混凝土結構設計的要點

首先是高層的結構設計需要重視概念的設計。結構設計中概念設計的地位還是非常關鍵的，對后續的結構設計以及造價控制都是有直接的影響。因此設計人員需要重視概念設計，從總體的角度展開結構設計，對結構設計進行宏觀上的方向把控，并明確自己的設計目標，確定好理想的承載力、延性以及剛度的目標，從而進行方案的部署。對整體的指標進行計算，完成整個結構設計。其次是高層的結構設計要注重剛柔結合。結構設計并不僅僅是追求整體的剛度來提升對地震的抵抗作用，這樣就會造成極大的資源浪費，對結構也會造成非常大的傷害。

2 高層建筑混凝土結構設計的基本原則

2.1 安全性

高層建筑混凝土結構設計中需要將結構安全問題擺在首位。在進行結構預設工作前，要堅持以人為本的原則，以混凝土結構安全性標準為指導，確定高層建筑整體設計價值及意義。保證建筑的安全設計，滿足相應標準規范要求，確保設計高效、合理^[2]。

2.2 適用性

高層建筑混凝土結構設計需要綜合內外多種因素進行建筑的功能性分析，對高層建筑內部空間進行構思，綜合分析建筑整體功能性需求，保持建筑良好的適用性，充分發揮高層建筑自身特點，以便獲取良好的結構性能。

2.3 可靠性

高層建筑混凝土結構的設計使用年限需要結合材料、技術、工藝等要素進行綜合控制，在預設過程中針對高層建筑可靠性、安全性、耐用性進行選擇及提升，都需要考慮以上要素的影響。在后續混凝土結構設計期間，秉承安全性原則，以耐用性為前提進行分析，確保混凝土結構可靠性滿足高層建筑建設需求^[3]。

3 高層建筑混凝土結構優化設計分析

3.1 合理布置建筑平面結構

高層建筑平面布局結構會對建筑抗震性能產生較大影響，而抗震性能是所有建筑進行結構設計時必須重點關注的基礎性工作。具體設計工作中，要按照高層建筑抗震設計原則、要求、標準等進行設計，關注混凝土結構材料對建筑抗震性能的影響，根據建筑樓層高度選擇合理的抗震等級。一般情況下，簡單、對稱、規則的建筑結構能夠提升建筑整體的抗震能力，并且消耗地震釋放的部分能量，能夠很好地弱化地震的延伸作用，降低地震對高層建筑的破壞。而對于多塔結構、頂部塔樓結構等要掌握其振型數，合理控制其大小，做好設計數據核算，嚴格遵循標準規范設計要求，遵循抗震設計理念開展工作，在滿足建筑建設要求的基礎上，盡量選擇規則性較強的平面結構，進而提升高層建筑混凝土結構的抗震性能。

3.2 選擇有效的抗側力結構形式

高層建筑抗側力結構系統能夠提升建筑水平抗震性能。日常混凝土結構設計，要綜合建筑功能性、高度、結構等要素進行考慮，選擇有效的抗側力結構形式。若建筑高度小于50m，且內部空間要求標準高，可以選擇框架結構作為混凝土結構抗震體系，以便充分利用框架結構的靈活空間;若建筑高度在100m左右，可以選擇剪力墻結構，確保高層建筑混凝土結構剛度滿足標準要求，且結構水平位移較小;對于建筑空間、結構類型都要求較高的建筑，可以選擇框剪結構、框筒結構等進行設計，在滿足高層建筑功能性要求的同時保障結構抗側力剛度達標^[4]。

3.3 根據建設要求選擇基礎類型

高層建筑基礎需要承載上部所有結構重量，其類型的選擇需要根據施工區域水文、地質勘察資料，以及上部結構形式、載荷等要素進行綜合分析才能確立較為科學的基礎形式。而且，高層建筑基礎類型會對建筑安全、功能、成本產生直接影響，必須以慎重的態度對待，選擇科學、有效的基礎方案。若建筑層數較少、載荷較小，且建設區域水文、地質等要素處于較好水平，可以選擇獨立基礎、條形基礎等，這2類基礎經濟性、便利性都非常高;若建筑層數較多、載荷較大，且建設區域的水文、地質等要素存在較大問題，可以選擇樁基礎，通過樁基的摩擦力、端承力將上部載荷傳遞到大地當中;若建筑層數較多、建設區域水文地質條件優越，或者建筑層數較少且基礎持力層的土質較差，均可使用筏板類型的混凝土基礎，增加高層混凝土結構與下部持力層之間的基礎面積，降低土層單位面積荷載，提升基礎整體承載能力。

3.4 關注薄弱層結構的設計工作

高層建筑薄弱層的設計非常關鍵。這主要是由于薄弱層會在外部強烈的地震作用下，出現屈服形變問題，給混凝土結構帶來較為嚴重的安全影響。因此，在高層建筑混凝土結構設計期間需要對結構薄弱層進行重點關注，選擇有效的設計方法提升整體結構安全性^[5]。

3.5 優化轉換層結構設計工作

高層建筑混凝土結構轉換層設計需要關注轉換層上下豎向結構設置是否合理，是否能夠將落地剪力墻百分比控制在合理范圍，并解決建筑豎向結構構件剛度突變問題。若無法合理設置建筑轉換層內部結構形式，很容易造成高層建筑豎向剛度突變性轉變，進而出現抗震不利的薄弱點，影響高層建筑整體結構安全。對高層建筑混凝土結構轉換層上、下2部分的剛度來說，需要嚴格控制其剛度比，確保能夠提升建筑豎向構件的抗側力，來降低建筑整體豎向構件剛度突變造成的問題。使整個高層建筑混凝土結構位移比、整體性、剛度比都能滿足標準規范要求^[6]。

4 結語

高層建筑混凝土結構體系較為復雜，其設計工作的經驗、技術都有了較大發展。在此背景下，開展高層建筑混凝土建筑結構設計要注重其布局，采取有效措施優化其結構平面狀況，選擇安全、合理的結構類型，滿足高層建筑建設整體需求。

參考文獻：

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