高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

張環(huán)

摘要：隨著城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，使得高層建筑日益增多，而混凝土結(jié)構(gòu)作為高層建筑結(jié)構(gòu)的重要形式，對(duì)于保障高層建筑工程安全非常重要，基于此，本文闡述了混高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及其要求，對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑;混凝土結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)原則;設(shè)計(jì)要求;設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則的分析

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則主要表現(xiàn)為：第一、整體性原則?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性是指把各個(gè)部分組成一個(gè)整體，研究整體的功能和設(shè)計(jì)規(guī)律，從整體和部分中發(fā)現(xiàn)整體的特征。第三、整合性原則?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在差異整合，使建筑各個(gè)部分合理的組合在一起，差異的部分相互互補(bǔ)，相互支持，保證著整合后的性能。第二、結(jié)構(gòu)性原則。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分了解其結(jié)構(gòu)與各要素是非常重要的?；炷两Y(jié)構(gòu)決定著建筑的性能和質(zhì)量，同時(shí)它也是性能的載體，還可以反作用于結(jié)構(gòu)。

二、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的分析

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求主要體現(xiàn)在：（1）扭轉(zhuǎn)要求?；炷两Y(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求建筑三心盡可能匯于一點(diǎn)，即三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，應(yīng)使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡(jiǎn)單平面形式。在某些情況下，由于城市規(guī)劃對(duì)街道景觀的要求以及建筑場(chǎng)地的限制，高層建筑不可能全部采用簡(jiǎn)單平面形式，當(dāng)需要采用不規(guī)則L形、T形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時(shí)，應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。（2）側(cè)向位移限值要求。高層建筑混凝土工程結(jié)構(gòu)的水平位移隨著高度增長(zhǎng)而迅速變大，為防止位移過(guò)大，規(guī)范對(duì)頂點(diǎn)位移和層間位移都作了限制。控制頂點(diǎn)位移u/h的主要目的是保證建筑內(nèi)人體有舒適感和防止房屋在罕遇地震時(shí)倒塌。但控制房屋在罕遇地震時(shí)倒塌與否的條件是結(jié)構(gòu)極限變形能力而不是u/h限值。另外，為使結(jié)構(gòu)具有較好的防倒塌能力，應(yīng)在結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮相關(guān)效應(yīng)。（3）控制荷載要求。高層建筑需要承受地震、風(fēng)力等水平荷載以及雪載、活載、自重等垂直荷載，低層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以忽略水平荷載的位置和內(nèi)力，但是對(duì)于高層建筑，水平荷載產(chǎn)生的位移和內(nèi)力不斷增大，為了確保高層建筑的牢固性和穩(wěn)定性，必須嚴(yán)格控制荷載變化。

三、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析

1、合理選擇混凝土結(jié)構(gòu)體系。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系的選擇應(yīng)從建筑、結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)條件、建材、經(jīng)濟(jì)等各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行綜合考慮。比如，第一、結(jié)構(gòu)規(guī)則性問(wèn)題，在規(guī)范中有相當(dāng)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，而且采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案?！币虼私Y(jié)構(gòu)工程師在遵循規(guī)范規(guī)定上必須格外注意，避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。第二、結(jié)構(gòu)超高問(wèn)題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)總高度都有嚴(yán)格限制，除將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度建筑外，還增加了B級(jí)高度建筑，因此必須對(duì)結(jié)構(gòu)高度嚴(yán)格控制，一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑或超過(guò)了B級(jí)高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范新舊版本有著很大的不同，在新規(guī)范中，對(duì)于結(jié)構(gòu)的限制條件也有所增加，并且新規(guī)范明文規(guī)定建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。

2、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。高層建筑因其結(jié)構(gòu)層數(shù)多，荷載大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)高等因素，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽視基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)選型應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，因地制宜，選用合理的基礎(chǔ)形式。高層剪力墻結(jié)構(gòu)因其上部荷載較大，多選用筏板基礎(chǔ)或者樁基礎(chǔ)。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足承載力的要求，地基的沉降也是高層建筑必須要驗(yàn)算的指標(biāo)，應(yīng)選用地質(zhì)條件好的土層為地基持力層，選取整體剛度好的基礎(chǔ)形式，來(lái)減小高層建筑的沉降差，沉降量，來(lái)達(dá)到工程的要求。最后，高層建筑受水平荷載影響較大，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的傾覆，故高層建筑基礎(chǔ)應(yīng)該埋置一定深度來(lái)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。具體體現(xiàn)在：（1）混凝土結(jié)構(gòu)中的柱設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。地震作用下的框架短柱剛度大，吸收較大的地震力，極易產(chǎn)生剪切破壞而形成結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位。因此在框架結(jié)構(gòu)的雙跑板式樓梯設(shè)計(jì)時(shí)，為避免“框架短柱”的形成，應(yīng)采取下列措施：一是采用復(fù)合箍筋沿柱全高加密的方式處理，同時(shí)保證短柱的縱向鋼筋對(duì)稱(chēng)布置，且每側(cè)的縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%。二是通過(guò)提高構(gòu)件受剪承載力和受壓承載力的方法來(lái)改善短柱的抗震性能，主要措施有在柱中配置螺旋箍筋、普通復(fù)合箍筋，加強(qiáng)對(duì)混凝土的約束，使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高，從而防止構(gòu)件在大剪壓比情況下發(fā)生剪切破壞。（2）混凝土結(jié)構(gòu)中的梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)。由于地震作用、風(fēng)荷載等水平力的作用，往往使得框架粱的梁端負(fù)彎距遠(yuǎn)大過(guò)跨中正彎距。因此為了避免框架粱負(fù)筋過(guò)多過(guò)密，在設(shè)計(jì)中往往都應(yīng)將框架粱的負(fù)彎距乘以一個(gè)0.85左右的調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行調(diào)幅，減少粱端負(fù)彎跑，并使跨中正彎距相應(yīng)增加，做到粱的上下配筋均勻一致。同時(shí)當(dāng)不計(jì)算活荷載或不計(jì)算活荷載不利布置時(shí)，可通過(guò)此參數(shù)調(diào)整梁在恒活荷載作用下跨中正彎矩，一般取1.1～1.2。（3）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析。高層建筑應(yīng)有較好的空間工作性能，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中若框剪結(jié)構(gòu)剪力墻布置不均勻，單肢剛度過(guò)大的剪力墻經(jīng)常出現(xiàn)，從而導(dǎo)致應(yīng)力的過(guò)度集中，造成剪力墻的部分破壞。因此應(yīng)該通過(guò)設(shè)計(jì)有選擇地連接兩片剪力墻，從而保持建筑物延性的連梁破壞，從而使柱子的完整性得以保證，這就是我們說(shuō)的延性設(shè)計(jì)和連梁設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)是一方面為加強(qiáng)塑性鉸區(qū)的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，及防止混凝土壓潰前受壓鋼筋過(guò)早壓屈，我們應(yīng)在在梁的兩端設(shè)置箍筋加密區(qū)。同時(shí)為防止粘結(jié)破壞，可以在設(shè)計(jì)中采取措施使塑性鉸外移，將塑性鉸從柱面移開(kāi)一定距離，從而避免梁端鋼筋屈服后向核心區(qū)發(fā)展。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，混凝土材料在高層建筑工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，并且高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)有著較高的強(qiáng)度以及荷載能力，可以有效保證高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析具有重要意義。

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（作者單位：泰華欣業(yè)（天津）建筑設(shè)計(jì)有限公司）