淺析高層混凝土結構設計

王曉亮

（大連弘藝規(guī)劃建筑設計研究有限公司）

淺析高層混凝土結構設計

王曉亮

（大連弘藝規(guī)劃建筑設計研究有限公司）

高層建筑與普通建筑不同，其施工方法和施工技術要求更為嚴格，混凝土結構設計的科學合理與否直接影響到混凝土結構的施工質(zhì)量，因此，本文從高層建筑混凝土結構出發(fā)，對其設計方法進行詳細的分析。

高層混凝土 結構設計 具體方法

0 引言

混凝土是指由膠凝材料將集料膠結成整體的工程復合材料的統(tǒng)稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料，砂、石作集料；與水按一定比例配合，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護而得的水泥混凝土，也稱普通混凝土，它廣泛應用于土木工程。隨著混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的發(fā)展應用，使得現(xiàn)代建筑的質(zhì)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。而為了使高層建筑混凝土結構設計水平進一步提高，加大對完善高層建筑混凝土結構設計的分析研究力度不僅意義重大，而且迫在眉睫。

1、高層建筑結構設計特點

1.1側向力成為影響結構內(nèi)力、結構變形及建筑物土建造價的主要因素。

高層建筑和低層建筑一樣，承受自重、活載、雪載等垂直荷載和風、地震等水平力。在低層結構中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，可以忽略不計；在多層結構中，水平荷載的效應(內(nèi)力和位移)逐漸增大；在高層建筑中，水平荷載和地震力將成為主要的控制因素。

1.2結構應具有適宜剛度

隨著高度的增加，高層建筑的側向位移迅速增大。因此設計高層建筑時不經(jīng)要求結構有足夠的強度，而且要求結構有適宜的剛度，使結構有合理的自振頻率等動力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內(nèi)。

1.3結構應具有良好的延性

相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。建筑結構的耐震主要取決于結構的承載力和變形能力兩個因素。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免高層建筑在大震下倒塌，必須在滿足必要強度的前提下，通過優(yōu)良的概念設計和合理的構造措施，來提高整個結構、特別是薄弱層(部位)的變形能力，來保證結構具有足夠的延性。因此，在結構設計中應綜合考慮這些因素，合理設計，使結構具有足夠的強度、適宜的剛度、良好的延性。

2、高層建筑混凝土結構設計中注意要點分析

2.1概念設計

結構概念設計是保證結構具有優(yōu)良抗震性能的一種方法。結構概念設計是要求建筑師和結構師在建筑設計中應特別重視規(guī)范、規(guī)程中結構概念設計的各條規(guī)定，設計中不能陷入只憑計算的誤區(qū)。以下一些要點值得注意：

（1）在結構體系上，應重視結構的選型和平、立面布置的規(guī)則性，擇優(yōu)選用抗震和抗風性能好且經(jīng)濟合理的結構體系。結構應具有明確的計算簡圖和合理的傳遞地震力途徑，結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近

（2）一般工程都僅進行小震下的彈性設計，而用概念設計和構造措施保證“中震可修，

大震不倒”，但沒有驗算和證實，那么建筑物是否真能做到“中震可修，大震不倒”，無人知曉。對抗震設防烈度較高地區(qū)的特別重要建筑和超限建筑，審查專家往往會提出更具體的設計指標：中震或大震不屈服設計；中震或大震彈性設計；要求設計單位確保實現(xiàn)“三水準”的設計目標。

（3）水平地震作用是雙向的，結構布置應使結構能抵抗任意方向的地震作用，應使結構沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力；結構剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結構剛度以減少地震作用效應，但是也要注意控制結構變形的增大，過大的變形將會因p-δ效應過大而導致結構破壞。

2.2結構選型

（1）結構的規(guī)則性問題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案?！币虼?，結構工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作被動。

（2）結構的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為 a級高度的建筑外，增加了b級高度的建筑，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為b級高度建筑甚或超過了b級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。

（3）嵌固端的設置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面。

3、關于結構計算

3.1高層混凝土結構設計重要參數(shù)

高層混凝土結構設計中需要控制結構的基本自振周期、結構層層間位移和樓層基底剪力三個重要參數(shù)， 第一自振周期是整體結構剛度的集中反應； 扭轉(zhuǎn)為主第一自振周期與平動為主第一自振周期的比值是結構平面、結構體系能否直接提供抗扭剛度的直接體現(xiàn)； 結構樓層層間位移則是各樓層相對剛度的集中體現(xiàn)；基底剪力是否大于基底最小剪力指標則是反應樓層的柔度指標。通過上述指標可反應出結構的整體受力性能， 可看出結構整體布置是否合理， 若不合理可通過局部調(diào)整結構平面， 或調(diào)整構件斷面等進行處理。高層混凝土結構屬于多次超靜定結構， 所有構件均依據(jù)經(jīng)驗進行預估，因此結構計算往往需要反復調(diào)整才能通過計算。一般情況下會采用提高混凝土、鋼筋強度或者增加超配筋構件的截面來試算超配筋構件， 如果我們能夠換一個角度來考慮也許更加有效。我們應該明確結構調(diào)整之前應該完成哪些工作， 結構設計首先應按照常規(guī)建立數(shù)值模型， 估算結構自振周期， 判定結構抗震等級， 設置振型參與組合數(shù)以及地震作用方向等， 關鍵點在于所建立的結構模型樓層剛度中心與質(zhì)量中心基本重合， 結構周邊構件能有效抵抗扭轉(zhuǎn)。

3.2結構設計的合理性

其次應確定結構設計的合理性， 重新調(diào)整結構構件的布置， 使得自振周期、位移比、剛度比、層間受剪承載力及剪重比處于合理范圍。第三應對單根構件進行設計， 檢查梁柱的超配筋信息， 調(diào)整構件的布置， 并且進行結構的優(yōu)化設計。超配筋構件的調(diào)整， 應首先查出構件超筋的原因， 若盲目加強超筋構件， 所得結果往往超過我們的預期，可能得到很大的構件截面或者在第三階段調(diào)整時很大程度上影響第二步的設計參數(shù)， 這里加強超配筋構件的截面或者強度， 整體結構的剛度得到加強， 整體剛度加大， 則樓層基底剪力增加， 超筋構件增加剛度后分擔的剪力和彎距可能增長幅度更大， 我們將無法解決超筋問題。這時可通過增加遠未達到承載力的構件剛度， 超配筋構件減小截面降低剛度從而解決超配筋問題。

4、結 語

通過本文分析，高層建筑作為建筑行業(yè)主要的發(fā)展形式，為環(huán)境城市土地緊張和住房需求起到了很好的緩解作用，高層的混凝土結構設計作為高層建筑施工質(zhì)量的重要影響因素，一定要進行不斷的完善，設計人員通過理論聯(lián)系實踐經(jīng)驗，不斷的提升設計水平，與時俱進，促進建筑行業(yè)的不斷發(fā)展。

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TU7

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1007-6344（2015）02-0172-01