高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

蘇永平

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西太原 030053)

0 引言

混凝土作為當(dāng)前建筑工程建設(shè)中的基礎(chǔ)材料，既存在著較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及較長(zhǎng)的安全性與耐久性等方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，也容易在外部環(huán)境因素與自身因素的影響下發(fā)生變形、裂縫、斷裂等問(wèn)題，建筑單位要想切實(shí)地使混凝土的應(yīng)用充分發(fā)揮各種優(yōu)勢(shì)，就必須努力地做好對(duì)于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。就高層建筑來(lái)講，由于其層數(shù)較多、空間結(jié)構(gòu)的變化性較大，對(duì)于安全性、耐久性以及抗震性能具有特殊的要求，混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況在更高的程度上，為建筑質(zhì)量施加直接的影響。因此，高層建筑的建設(shè)單位極其注重其中混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。

1 高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則與要求

1.1 設(shè)計(jì)原則

當(dāng)前時(shí)期，設(shè)計(jì)人員對(duì)高層建筑中的混凝土實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須遵循適用性、安全性、耐久性以及可靠性幾個(gè)方面的原則，以保證此項(xiàng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，為該高層建筑的建設(shè)帶來(lái)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的效果，使其結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)功能均達(dá)到預(yù)計(jì)要求。下面就具體地對(duì)這幾個(gè)設(shè)計(jì)原則加以分析:

1)適用性。高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性原則，是以該建筑設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)定的具體使用年限為參照，保證建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在此年限中，使自身的裂縫、變形、振動(dòng)等各項(xiàng)性能變動(dòng)，始終控制在允許的限度內(nèi)，使建筑在各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能的支撐下，得以為建筑用戶(hù)正常順利地提供各方面的使用功能。

2)安全性。高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性原則，亦是以設(shè)計(jì)使用年限為依據(jù)，使該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在預(yù)定年限范圍內(nèi)，始終可以達(dá)到對(duì)內(nèi)部與外部各項(xiàng)荷載力的有效承受，即使遭遇某些偶然的破壞性事故，也要能夠使自身結(jié)構(gòu)控制在整體穩(wěn)定的狀態(tài)中，避免出現(xiàn)大范圍的結(jié)構(gòu)性損害。

3)耐久性。高層建筑的耐久性設(shè)計(jì)原則，是指建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在規(guī)定的使用年限內(nèi)，維持足夠的結(jié)構(gòu)耐久性，比如，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫寬度不得超出允許的范圍，且鋼筋保護(hù)層的厚度不能夠變得過(guò)于單薄，以免鋼筋在遭受外部潮濕空氣的狀況下出現(xiàn)銹蝕問(wèn)題。

4)可靠性。可靠性的設(shè)計(jì)原則，是指高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須在設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期與建筑的使用年限范圍內(nèi)，充分達(dá)到耐久性、安全性、穩(wěn)定性、剛度、動(dòng)力性能等各方面的性能要求，即使超出年限的基準(zhǔn)期范圍，也能夠在各項(xiàng)性能出現(xiàn)不同程度降低的基礎(chǔ)上，維持正常的使用。

1.2 設(shè)計(jì)要求

1)延展性。

高層建筑的結(jié)構(gòu)柔性比低層的樓房要高，一旦遭遇地震等問(wèn)題，會(huì)發(fā)生更大幅度的作用變形，若要避免建筑在地震等作用下發(fā)生倒塌變形等問(wèn)題，就必須在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，使其結(jié)構(gòu)具備足夠的延展性能。

2)側(cè)向力。

目前，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形等問(wèn)題，主要受到地震的水平作用力及外部環(huán)境中的風(fēng)力等因素的影響，層數(shù)的不斷增多會(huì)帶動(dòng)水平作用力的持續(xù)加大。所以，在設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，必須要充分地將這些側(cè)向力的影響考慮在內(nèi)。

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(xiàn)較大幅度的側(cè)向位移，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須在保證其具有足夠強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，同時(shí)使其具備合理的剛度及自振頻率，進(jìn)而將樓層水平位移控制于允許范圍。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方法

2.1 完善單元結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)

獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)，是高層建筑中的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作適合采用簡(jiǎn)單、規(guī)則的平面形式，但平面的整體長(zhǎng)度與突出部分的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)控制于適宜的范圍，且具備均勻分布的承載力與剛度，同時(shí)，豎向結(jié)構(gòu)適合采取均勻、規(guī)則的形式，以保證建筑的外挑與內(nèi)收問(wèn)題得到有效的控制。

要達(dá)到這一目標(biāo)，混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者，應(yīng)當(dāng)在制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的階段，便努力地將概念設(shè)計(jì)的理念與知識(shí)作為參考，使建筑的適用性與美觀(guān)度等要求在得到滿(mǎn)足的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)的平面與豎向布局盡可能地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、均勻與規(guī)則性，保證其結(jié)構(gòu)剛度與承載力的合理分布，避免建筑獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn)過(guò)于集中的塑性變形或應(yīng)力。

2.2 優(yōu)化高強(qiáng)的混凝土與鋼筋使用

高層建筑建設(shè)需要耗費(fèi)較多的混凝土、鋼等材料，若混凝土和鋼的強(qiáng)度過(guò)大，勢(shì)必會(huì)造成建筑材料總造價(jià)的超限，同時(shí)加大其他構(gòu)件的造價(jià)，從而降低建筑建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)高強(qiáng)度的混凝土與鋼筋的使用進(jìn)行合理的優(yōu)化控制。

以軟土地基上的高層建筑設(shè)計(jì)為例，該結(jié)構(gòu)地基受到的荷載較高，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)優(yōu)化高強(qiáng)度的混凝土以及鋼筋的使用，使建筑中各構(gòu)件的截面尺寸得到合理優(yōu)化，從而減輕建筑的結(jié)構(gòu)自重，使建筑的基礎(chǔ)工程建設(shè)難度得到大幅度的削減，降低工程的地基處理工作造價(jià)。

再以位于震區(qū)的高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，建筑的自重與地震作用程度成正比例關(guān)系，設(shè)計(jì)人員通過(guò)將高強(qiáng)度的混凝土與鋼筋的使用量減少，可以在減輕其梁、板、墻、柱等構(gòu)件自重的基礎(chǔ)上，降低地震的作用力，進(jìn)而保證建筑結(jié)構(gòu)的安全程度，使建筑的整體安全度得以提升。

2.3 合理設(shè)計(jì)剪力墻平面結(jié)構(gòu)

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需要充分地重視剪力墻結(jié)構(gòu)的平面布局問(wèn)題，以保證建筑整體結(jié)構(gòu)受力的均勻性，并使建筑在側(cè)向力的影響下出現(xiàn)的位移控制于允許狀態(tài)。具體來(lái)講，剪力墻平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要為以下幾個(gè)方面:

1)以建筑的各項(xiàng)基本結(jié)構(gòu)功能為依據(jù)，在滿(mǎn)足這些功能的前提下，盡可能地使剪力墻的布置實(shí)現(xiàn)相對(duì)的集中化與均勻化，對(duì)具有較高的恒載或者平面形式變化較大的部位設(shè)計(jì)剪力墻，應(yīng)當(dāng)盡量縮小其間距。2)以建筑的主軸方向或者是其他方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，對(duì)剪力墻進(jìn)行雙向的布置，且墻肢截面適合為具備較小的側(cè)向剛度的簡(jiǎn)單規(guī)則的形式，在設(shè)計(jì)中還要盡量地減少對(duì)短肢剪力墻的使用。

3 高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

3.1 結(jié)構(gòu)安全性

高層建筑人群密度高，且不易逃避、實(shí)施救治，一旦發(fā)生災(zāi)害，造成的危害要比普通建筑高出許多。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須加強(qiáng)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)，以盡可能降低災(zāi)害造成的傷害程度。具體來(lái)講，設(shè)計(jì)人員可以從以下幾個(gè)方面開(kāi)展結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì):

1)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在保證建筑各項(xiàng)功能的同時(shí)，通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)自身的抗震性能及外部人為因素可能造成的結(jié)構(gòu)破壞，有目的地將高層建筑的抗震等級(jí)提升。同時(shí)，還要從整體上，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與牢固度，避免將磚砌體承重或者裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層的公用屬性較高的建筑中，而要優(yōu)先選取現(xiàn)澆的鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)。

2)設(shè)計(jì)人員要從建筑建設(shè)過(guò)程中及投入應(yīng)用后的各個(gè)方面入手，綜合考慮其荷載變化的狀況，盡可能地將建筑結(jié)構(gòu)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值與構(gòu)件承載力設(shè)置出較大的彈性裕度，并且為樓面等部位進(jìn)行額外的增加荷載的設(shè)計(jì)，以保證建筑在各級(jí)的地震與火災(zāi)等災(zāi)害中，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于自身結(jié)構(gòu)安全的維護(hù)。

3.2 抗震概念

高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過(guò)程中，最容易受到的破壞，便是來(lái)自于地震威脅，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要以抗震概念設(shè)計(jì)為依據(jù)，通過(guò)進(jìn)行抗震試驗(yàn)得出該建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)，或者借鑒相似建筑的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)體系、平立面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件延展性等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使建筑的抗震能力得到有效的提升。

具體來(lái)講，在結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員要盡可能地選擇空間結(jié)構(gòu)以及平面布局簡(jiǎn)單規(guī)則的形式，作為建筑的整體結(jié)構(gòu)形式。以平面布局為例，可以將矩形、圓形、方形、扇形的結(jié)構(gòu)作為抗震結(jié)構(gòu)的體系形式，并減少對(duì)于不對(duì)稱(chēng)的側(cè)翼或過(guò)長(zhǎng)的伸展翼的使用。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還要通過(guò)進(jìn)行合理的布局，使建筑的質(zhì)量與剛度實(shí)現(xiàn)均勻平衡的分布。

而在平立面設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員可以將墻體設(shè)置為均勻?qū)ΨQ(chēng)的形式，并提升樓梯或電梯的井筒等具備較高剛度的結(jié)構(gòu)布置的集中性，同時(shí)，將抗震墻設(shè)計(jì)為符合建筑結(jié)構(gòu)整體抗震需求的形式，以提升建筑平面結(jié)構(gòu)的抗震性能。而且，還要保持各轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在豎向剛度方面分布的接近，并使剪力墻的設(shè)計(jì)可以將墻面豎向持續(xù)地貫通到建筑底部。

在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延展性方面，可以將梁、柱端的組合剪力加大，或者提高柱體抗彎性能，并配合將梁端的鋼筋實(shí)際彎矩提升，以使建筑梁端早于柱端發(fā)揮塑性，使二者在外部荷載下，保持結(jié)構(gòu)變形的穩(wěn)定協(xié)調(diào)。

3.3 耐久性

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要努力提升其耐久性，以延長(zhǎng)建筑的有效使用壽命，并且使建筑在遭遇各種災(zāi)害之后，依舊能夠維持其應(yīng)用的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能。下面就從幾個(gè)方面談?wù)撘幌禄炷恋慕Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的策略:

1)選擇良好的混凝土材料。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在保證混凝土材料的質(zhì)量與基本性能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能、抗侵入性能、抗裂性能等幾個(gè)方面入手，選擇堅(jiān)固、耐久、潔凈的骨料，含堿量與水化熱反應(yīng)較低的水泥，減少對(duì)于硅酸鹽水泥與用水量的應(yīng)用，并適當(dāng)?shù)貙⒌V物摻合料加入到材料中。

2)優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用設(shè)計(jì)工作。

高層建筑中的混凝土結(jié)構(gòu)物普遍包括多個(gè)構(gòu)件，每一個(gè)構(gòu)件所處的環(huán)境存在顯著的差別，這就決定了不同構(gòu)件具備的耐久性壽命存在差異，因此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境，明確建筑中不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用界限與注意事項(xiàng)。以屋面、陽(yáng)臺(tái)及女兒墻的設(shè)計(jì)為例，這些部位的梁柱構(gòu)件，耐久性壽命普遍低于室內(nèi)，必須合理設(shè)定這些部件維修或更換的時(shí)間。

3)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式。

設(shè)計(jì)人員根據(jù)建筑的具體侵蝕環(huán)境與設(shè)計(jì)使用年限，設(shè)計(jì)厚度在20 mm～70 mm之間的混凝土保護(hù)層，并通過(guò)協(xié)調(diào)構(gòu)件的截面積與表面積，避免侵蝕性物質(zhì)集中停留區(qū)域的形成，同時(shí)注意高侵蝕度的環(huán)境中，混凝土墻板的通風(fēng)效果，并注意配筋間距的合理設(shè)計(jì)，以減少鋼筋銹蝕、保護(hù)層剝離等問(wèn)題的出現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑中混凝土是影響建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵決定性因素之一，因此，建筑設(shè)計(jì)人員必須加強(qiáng)對(duì)于其設(shè)計(jì)原則的分析與掌握，立足于具體的設(shè)計(jì)原則及要求，從整體的設(shè)計(jì)工作及具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容等方面入手，采取有效的策略，以推動(dòng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化完善。

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