高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)探討

申秀琴

摘 要：社會(huì)在發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，在一座座迅速崛起的城市中，增多的不僅是一幢幢的高層建筑，更是人們對(duì)高層建筑的研究，特別是對(duì)高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，更是越來(lái)越受到人們的關(guān)注。文章對(duì)高層建筑中各種混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系及因素進(jìn)行了分析，并提出了高層建筑中有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些方案。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；因素；優(yōu)化設(shè)計(jì)

近些年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)自己所居住的建筑要求也越來(lái)越高，建造的各類(lèi)高層建筑層出不窮，給城市建設(shè)帶來(lái)了新的面貌，日益復(fù)雜的使用功能和多樣化的建筑特征給高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者帶來(lái)了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系

1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是最早的高層建筑結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由鋼筋和混凝土構(gòu)成。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)高層建筑的定義指的是：10層及10層以上或房屋高度大于28米的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑?；炷两Y(jié)構(gòu)的整體性較能好，且具有耐高溫、位移小、維護(hù)方便、成本低和剛度大等特點(diǎn)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一系列特點(diǎn)，都是鋼結(jié)構(gòu)所望塵莫及的。民用建筑中常用的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系主要有：（1）框架結(jié)構(gòu)。（2）剪力墻結(jié)構(gòu)。（3）框架剪力墻結(jié)構(gòu)。（4）筒體結(jié)構(gòu)。（5）板柱結(jié)構(gòu)、板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)等。隨著我國(guó)混凝土材料技術(shù)的不斷發(fā)展。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我國(guó)大多數(shù)高層建筑所采用的結(jié)構(gòu)體系，是目前我國(guó)應(yīng)用最廣泛的、也是大多數(shù)設(shè)計(jì)者最熟悉的建筑結(jié)構(gòu)型式。

1.2 混合結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)是由鋼框架（框筒）、鋼管混凝土框架（框筒）、型鋼混凝土框架（框筒）與鋼筋混凝土核心筒體所組成的共同承受水平和豎向作用的建筑結(jié)構(gòu).混合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，混合結(jié)構(gòu)是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用的一種高層建筑結(jié)構(gòu)體系，它不僅具有混凝土的抗壓能力和承重能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，還具有鋼的抗拉能力及抗剪能力好的優(yōu)越性能，在實(shí)踐中已經(jīng)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。通常，根據(jù)鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)所采用鋼材形式與配鋼方式的不同，可以將其分為組合樓板、鋼與混凝土組合梁、型鋼混凝土、鋼管混凝土等多種形式。其主要特點(diǎn)有：（1）承載力提高。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)在梁截面受局部載荷時(shí)，可破壞載荷大約為設(shè)計(jì)載荷的2.2～2.6倍，能夠有效的提高承載力。（2）抗疲勞性能好。由于混凝土翼板的存在，有效的降低了鋼梁上翼緣應(yīng)力，在實(shí)際應(yīng)用中也表明混合結(jié)構(gòu)梁比純鋼梁具有更好的抗沖擊、抗疲勞的能力。（3）節(jié)約鋼材用量。在該混合結(jié)構(gòu)中，混凝土可以替代部分鋼結(jié)構(gòu)，使得用鋼量大幅下降，實(shí)踐表明，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)梁比鋼結(jié)構(gòu)梁用鋼量少20%～40%。（4）增加剛度，提高抗震性和穩(wěn)定性。一方面，混凝土板參與梁的工作，有效的增加了梁的剛度，在用鋼量相同的條件下，與鋼梁結(jié)構(gòu)相比，梁撓度可減少30%～50%，并且截面高度減小1/4～1/3。另一方面，混合結(jié)構(gòu)梁上翼緣側(cè)向剛度大，進(jìn)而使得整體穩(wěn)定性提高，從而提高了抗震性能。

在高層建筑結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻體系和框架體系等幾種類(lèi)型是比較常見(jiàn)的，而對(duì)于新型的結(jié)構(gòu)體系，它主要是以筒體的組成方式來(lái)作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)的，新型結(jié)構(gòu)體系可分為三種體系：筒中筒體系、框筒體系和束筒體系。相比于傳統(tǒng)的單片平面結(jié)構(gòu)體系，新型結(jié)構(gòu)體系中的筒體則具有更大的抗側(cè)剛度，且承載力更大。目前，在功能較全且層數(shù)較多用途較廣的高層建筑中，這種新型結(jié)構(gòu)體系相對(duì)比較適用。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮因素

在高層建筑中，當(dāng)建筑物達(dá)到一定高度，安全性就會(huì)成為重要的考慮因素，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是安全性的一個(gè)重要保證，因此，對(duì)于具有一定高度的高層建筑，在設(shè)計(jì)時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得異常重要。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須充分考慮各方面因素，使其達(dá)到強(qiáng)度足夠、剛度適宜、延性良好、設(shè)計(jì)合理的標(biāo)準(zhǔn)。需要考慮的因素主要包括：

2.1 側(cè)向力。側(cè)向力主要是指建筑物在建成以后所承受的風(fēng)力、地震力和垂直載荷等外力。無(wú)論是高層建筑還是低層建筑都要承受這樣的側(cè)向力，低層建筑受到水平力較小，而高層建筑受到水平力隨著層數(shù)的增多而不斷增大。因此，風(fēng)荷載和地震力等側(cè)向力應(yīng)該成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮的因素，這些因素正是影響高層建筑物結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要因素。

2.2 適宜的剛度。據(jù)胡克定律，剪切模量G能夠在很大程度上決定向同材料的剛度，同時(shí)，建筑物的形狀購(gòu)置也將在很大程度上決定建筑物在塑性期的剛度。在高層建筑建設(shè)過(guò)程中，建筑高度是一系列風(fēng)險(xiǎn)因素的出現(xiàn)原因，其中不僅包括側(cè)向力，更包括側(cè)向位移，它是會(huì)隨著建筑物高度的增加而逐漸增大，當(dāng)高層建筑在水平力的作用之下，為了使高層建筑的側(cè)向位移保持在一定范圍之內(nèi)，高層建筑必須具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)，自振周期必須控制在最合理范圍內(nèi)。只有這樣，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才是最優(yōu)化的。

2.3 延性良好。正如我們的常識(shí)所知，當(dāng)同時(shí)受到地震等側(cè)向力的作用，高層建筑比低層建筑更容易變形，其原因主要就在于高層建筑更具柔性。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在滿足具有足夠的強(qiáng)度之后，提高高層建筑結(jié)構(gòu)整體和局部的變形能力成為第二個(gè)需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段仍具有較強(qiáng)的變形能力，在當(dāng)今的設(shè)計(jì)技術(shù)條件下，通過(guò)優(yōu)良的概念設(shè)計(jì)和合理的構(gòu)造措施使高層建筑具有足夠的延性這才是設(shè)計(jì)問(wèn)題的重點(diǎn)。避免高層建筑在大地震作用下而倒坍，確保生命和財(cái)產(chǎn)安全。

2.4 控制含泥量以及骨料級(jí)配。施工人員在配置混凝土?xí)r，應(yīng)采用10.4mm連續(xù)級(jí)配碎石，其中65%都應(yīng)為10.3mm級(jí)配碎石。施工企業(yè)所使用的中砂，細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制于2.8至3.0，施工人員可借助0.315凹篩孔篩選中砂，篩出砂的重量不少于中砂總重量的15%即可。砂、石的含泥量不得高于1%，且其中不得含有有機(jī)質(zhì)雜物，施工企業(yè)不可使用海砂作為混凝土材料。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法

3.1 合理使用高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋。在建筑的整個(gè)施工過(guò)程中，用鋼量是影響總造價(jià)的一個(gè)重要因素。因此，為了合理降低用鋼量，降低造價(jià)，節(jié)約成本，設(shè)計(jì)中必須合理使用高強(qiáng)鋼筋。然而在高層建筑位于深厚軟弱地基之上的情況下，強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋高優(yōu)化構(gòu)件截面尺寸的合理使用，對(duì)于減輕地基載荷，降低基礎(chǔ)施工的難度，縮減造價(jià)，將具有非常直觀的經(jīng)濟(jì)效果。由于地震對(duì)于一幢建筑的破壞程度，是與該幢建筑的自重成正比的，自重越大，受損毀的可能性，破壞程度就越大。因此，減輕建筑物自重能夠減小其受地震破壞的程度，為建筑物的安全提供保證。所以，高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋在設(shè)計(jì)中的合理使用對(duì)于快速、有效的減少墻、柱、梁、板等構(gòu)件的截面尺寸，減少用鋼量，減輕建筑自重，最后達(dá)到降低造價(jià)及安全使用的目的具有十分重要的作用。

3.2 注重剪力墻的平面布置。具體應(yīng)如何注重剪力墻的平面布置，我們應(yīng)該從以下幾方面做起：（1）剪力墻的布置原則在于沿周邊均勻、相對(duì)集中布置，同時(shí)又不損害建筑原有的使用功能。一般布置在建筑物的樓梯間、電梯間處，以及平面形狀變化及恒載較大的部位，其間距宜適中，不宜過(guò)大。（2）剪力墻墻肢截面應(yīng)具有簡(jiǎn)單、規(guī)則的特點(diǎn)，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定側(cè)向剛度，但不宜過(guò)大。（3）較多的短肢剪力墻不會(huì)起到聯(lián)合剪力的良好效果，全部為短肢剪力墻的情況更是應(yīng)該避免出現(xiàn)。

3.3 抗震設(shè)計(jì)中，注意鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性。在構(gòu)件設(shè)計(jì)的時(shí)候，要加強(qiáng)設(shè)計(jì)中的科學(xué)性，需遵循：“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要注意結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，主要破壞屬于延性的破壞，而不是脆性破壞，這一點(diǎn)非常重要。

其次，對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件，合理確定截面尺寸，恰當(dāng)配置縱筋和箍筋（抗剪斜筋），加強(qiáng)鋼筋的錨固，避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土壓潰先于鋼筋屈服、鋼筋粘結(jié)錨固失效先于桿件破壞。

在具體的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，要重視鋼筋混凝土的延性構(gòu)件分析，在設(shè)計(jì)中要加強(qiáng)延性指標(biāo)設(shè)計(jì)，對(duì)截面曲率延性要設(shè)計(jì)合理，針對(duì)構(gòu)件位移延性，應(yīng)按照相應(yīng)的公式保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮各方面因素，如高層建筑的風(fēng)荷載和地震力的影響；考慮自重和地基基礎(chǔ)的影響；保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力，具有適宜的剛度，具有良好的延性。與此同時(shí)，也應(yīng)該能夠從整體上把握結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計(jì)，了解總體系和主要體系間的最佳傳力途徑，從而找到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，滿足建筑物的使用要求。

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