談高層建筑混凝土結構設計

張 軍

（山西國建工程設計有限公司大同分公司 山西 大同 037000）

隨著社會經濟的快速發(fā)展，人們對于生活品質的要求越來越高，同時，對于建筑工程的需求也逐漸增多，與此同時，城市土地資源緊缺，而通過規(guī)劃建設高層建筑，即可有效解決這一問題，因此，在各大城市規(guī)劃建設中，很多新建工程項目均為高層建筑。與普通建筑工程相比，高層建筑結構復雜程度比較高，在結構設計和施工方面均面臨很多難點，在高層建筑結構設計中，要求保證結構強度以及剛度，因此，需綜合考慮各類影響因素，保證高層建筑結構設計方案的完善性。

1 高層建筑混凝土結構類型

在高層建筑混凝土結構設計中，必須重點考慮水平荷載承受力。必須保證結構具備良好的抗震性以及抗風性。高層建筑結構類型比較多，各類結構對于水平荷載以及豎向荷載的抵抗能力均有一定的區(qū)別，因此，應綜合考慮高層建筑總高度、內部結構特征等選擇適宜的混凝土結構類型。

1.1 框架結構

在高層建筑設計中應用框架結構，可顯著提升平面布置的靈活性，即可根據高層建筑建設需求對內部空間進行靈活分割。在框架結構設計中，可將其設計為延性框架，由于結構類型比較少，因此設計計算工作量小。由于框架結構的側向剛度小，因此，主要被應用于高度在60m以下的高層建筑結構設計中。

1.2 剪力墻結構

剪力墻結構的剛度比較大，是由鋼筋混凝土結構所組成的，在高層建筑結構設計中應用剪力墻結構，可有效承擔建筑水平荷載以及豎向荷載。通常情況下，剪力墻結構開間為3m～8m之間，一般被應用于高層住宅工程建設中。在剪力墻結構施工中，可避免墻角部位露出棱角，同時改善結構美觀性。剪力墻結構側向剛度和承載能力均比較強，并且彈塑性變形能力強，一般被應用于高度低于140m的高層建筑結構設計中[1]。

1.3 框架—剪力墻結構

框架剪力墻結構可將框架結構、剪力墻結構的優(yōu)勢進行有效結合，使二者共同承擔建筑結構水平荷載以及豎向荷載?？蚣堋袅Y構的布置方式靈活便捷，并且延性比較強，與框架結構相比，側向剛度更大，可顯著改善結構承載能力，一般被應用于高度低于130m的高層建筑結構設計中。

1.4 筒體結構

對于筒體結構，可劃分為三種類型：①框筒結構，通過布置小柱距、高截面梁密柱深梁，即可構成整體框架結構，通常情況下，框筒結構為四榀框架，不僅抗側力和承載力強，并且抗扭剛度比較大，可充分發(fā)揮各類施工材料的性能；②筒中筒結構，在筒中筒結構的實際應用中，需將框筒作為外筒，對于高層建筑電梯間、管道豎井等，均需規(guī)劃設置在高層建筑工程中心，據此形成內筒。筒中筒結構的內外筒可發(fā)揮協(xié)同作用，其中，外筒可有效抵抗水平作用力，而內筒則能夠抵抗水平剪力，一般被應用于高度低于180m的高層建筑結構設計中；③框架—核心筒結構，是由外圍框架結構以及中心筒體所組成的，外筒和內筒之間的距離在10m～12m之間，布置形式靈活便捷，一般被應用于高度低于150m的高層建筑結構設計中[2]。

2 高層建筑混凝土結構設計要點

2.1 概念設計

在高層建筑混凝土結構設計中，概念設計是保證結構抗震性能的關鍵，在結構概念設計中，要求設計人員詳細了解各類設計規(guī)范以及規(guī)程中與概念設計相關的規(guī)定條例，避免盲目計算而違反相關規(guī)范。概念設計要點如下：①在結構體系設計方面，需保證結構選型以及內部布置的規(guī)則性，選用經濟效益高、抗風性能及抗震性能好的結構體系。在結構設計方案中，需確定具體的計算簡圖，保證地震力傳遞的合理性，同時還要求保證在兩個軸方向，結構的動力特性大致相同；②水平地震作用具有雙向性特征，在結構布置方面，應當盡量使結構可抵抗來自于各個方向的地震作用力，保證結構沿平面兩個主軸方向均具有較強的剛度以及抗震性能。在結構剛度設計方面，要求綜合考慮建筑工程建設場地特征，合理確定結構剛度，盡量減小地震作用效應，同時還需注意對結構變形問題予以有效控制，如果結構變形量比較大，則會造成P-Δ效應過大，對結構整體性造成不良影響；在結構設計中，還需注意提升水平向剛度、抗扭剛度以及抗震性；③在獨立結構單元設計中，應當注意在凹角以及縮頸部位發(fā)生應力集中問題；對于樓梯間、電梯間，應當盡量避免設置在凹角以及端部；盡量減小地震作用下所產生的扭轉效應。在豎向體型結構設計中，應當盡量避免外挑以及內收過多，在結構剛度、承載力設計方面，均需沿建筑高度方向避免造成結構軟弱。另外，還需注意，避免結構破壞而造成整體結構喪失抗震性能。在高層建筑工程結構單元連接設計方面，應當保證連接牢固性，一般可應用加強連接方式[3]。

2.2 地基與基礎設計

①如果建筑工程基礎結構柱下擴展基礎寬度比較大，在4m以上，或者地基為軟弱地層，則應當采用柱下條基，同時還需注意適當增加基礎結構寬度；②如果建筑工程項目建設場地地質條件好，基礎埋深在3m以上，則可設計地下室，如果地基結構承載力已能夠滿足設計要求，則無需將地下室底板外伸，以改善結構防水性，另外，每間隔30m～40m均需設置后澆帶，并應用微膨脹混凝土澆筑施工方式，以改善基礎結構承載能力，盡量減小地震作用對上部結構造成不良影響；③對于新建建筑工程基礎結構深度，應當控制在周圍已建項目基礎結構深度以下，如果與原有基礎結構相比深度更大，則應當將二者之間的凈距控制在基礎結構高差的2倍以上，如果沒有采用這一結構設計方式，則需聯(lián)合應用抗滑移樁，改善基礎結構穩(wěn)定性。

2.3 結構選型

（1）結構體系問題。如果高層建筑結構的地基結構穩(wěn)定性比較高，則在上部結構設計中，應當在滿足變形限制規(guī)定的基礎上盡量減小剛度。通過對基礎結構以及上部結構設計方案進行優(yōu)化調整，確保符合相關規(guī)范中關于高寬比的限制規(guī)定。將塔樓較長肢的剪力墻用輕質墻隔為短肢墻，保證轉換層上下剛度的均勻性。通過對相關規(guī)范進行分析，對于轉換層上下剛度比計算公式，應當調整為控制上下層轉角比值為1左右。在高層建筑結構設計規(guī)范中，如果頂點位移以及層間位移的限值不合理，則應當采用適宜措施進行優(yōu)化調整，改善水平加強層的側向剛度，此時外柱剪力會有所增加，因此，需密切關注結構設計中的各項細節(jié)。

（2）控制柱的軸壓比與短柱問題。通過有效控制柱軸壓比，即可使柱處于大偏壓狀態(tài)，如果柱的塑性變形能力比較小，則結構延性較差；如果發(fā)生地震災害，則所吸收的地震能量比較少，導致結構穩(wěn)定性降低。但是，在高層建筑混凝土結構設計中，如果采用強柱弱梁設計方式，梁的延性比較好，則柱不易進入屈服狀態(tài)，因此，可適當放松軸壓比限值。另外，在很多高層建筑工程結構設計中，底層柱的長細比在4以內，并非為短柱，為判斷是否為短柱，需重點檢查剪跨比，如果剪跨比在2以下，則為短柱。通過相關研究發(fā)現(xiàn)，在建筑結構抗震設計規(guī)范中，應當適當增加軸壓比，另外，推廣應用鋼筋混凝土，提升建筑抗震性[4]。

2.4 結構計算與分析

（1）確定抗震等級。在高層建筑混凝土結構設計中，可參考《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3-2010）確定建筑抗震等級，如果高層建筑是由主樓和裙樓所組成的，則對于裙樓抗震等級，不應低于主樓抗震等級。部分高層建筑結構的復雜程度比較高，如果將地下室頂板作為上部結構的嵌固部位，則對于地下一層結構抗震等級，應當保證與上部結構相同，而對于地下一層抗震等級，應當采用三級或者較低等級。

（2）振型數(shù)目。振型數(shù)與結構層數(shù)密切相關，在《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3-2010）中，已對陣型取值做出明確規(guī)定，在計算分析過程中，以規(guī)范要求作為依據，對振型數(shù)目取值進行調整。

（3）非結構構件設計計算。在高層建筑工程結構設計中，為了改善建筑結構美觀性，可能會設置部分非結構構件，而高層建筑結構所承受的風荷載比較大，因此應當對非結構構件進行妥善處理[5]。

3 高層建筑混凝土結構設計實例

本文選擇某高層商業(yè)辦公樓作為研究對象，對混凝土結構設計要點進行詳細探究。該商業(yè)辦公樓是由A、B、C三棟高層塔樓以及一棟2層裙樓所組成的，其中，一層和二層均為商業(yè)用房，如圖1所示。而三層以上均為辦公用房。A、B塔樓均為18層高層建筑，二者之間頂部兩層相互連接，總建設高度為64.4m，而C塔樓為19層高層建筑，總高度為58.6m。在A塔樓和B塔樓整體結構設計中，采用框架-剪力墻連體結構設計方案。

圖1 A、B棟一層商場平面/mm

3.1 基礎及地下室設計

在該高層建筑基礎結構設計中，采用樁基礎結構設計方案，在樁體結構施工中，采用鉆孔灌注樁施工技術，通過對建筑上部荷載進行分析，樁徑設定為兩種，包括Φ700以及Φ800。另外，在主樓基礎結構設計中，采用Φ800樁，而對于其余部分，則采用Φ700樁。樁基持力層為圓礫層，樁進入持力層的深度在2.5m～6.4m之間，有效樁長度在48.1m～56m之間。為確定單樁豎向承載力特征值，應當對試樁結果進行收集整理，同時參考項目建設場地地質勘查報告設定，即3500kN以及4100kN。

3.2 結構選型及結構布置

該高層建筑工程平面為狹長形，在連體結構兩側塔樓混凝土結構設計中，應當盡量保證二者的體形、平面以及剛度保持一致，盡量減小耦聯(lián)振動。在該高層建筑混凝土結構設計中，對于兩塔樓之間的平面，設計為喇叭形，柱距北面最小為16.8m，而南面最大為29.4m。在連接體結構設計中，對于最下層鋼骨混凝土梁，可作為轉換結構，即可有效支撐連接體整體結構。通過應用上述設計方案，鋼骨混凝土梁的斷面最大部位面積為900mm×3000mm，施工難度比較大，在對結構安全性以及經濟性進行全面分析后，在兩個軸之間可增加兩個柱，保證連接體柱距相同，為16.8m。在連接體結構和主體結構之間，可采用剛性連接方式，對于該高層建筑每一層，均需設置500mm×1800mm混凝土梁，即可將主體結構連接為整體，同時保證受力協(xié)調。主梁高度比較大，連接體每一層的層高均為主塔樓兩層的高度[6]。

連體結構的振型比較豐富，平動、扭轉振型一般相互耦合，在對結構扭轉效應進行計算時，可采用平扭耦聯(lián)方式，同時還需綜合考慮雙向地震的影響。連體部位的復雜程度比較高，在連體部分設計中，應當注意兩塔樓體型大致相同，并且間距比較小，在風荷載取值時，應當重點考慮建筑工程之間的相互影響，體型系數(shù)與相互干擾增大系數(shù)相乘，在連接體最下一層樓板結構設計中，還需重點考慮扭轉耦聯(lián)時結構周期及振型，如表1所示。通過對結構設計結果進行分析，可將自振周期控制在一定范圍內，符合規(guī)范要求。

表1 考慮扭轉耦聯(lián)時結構周期及振型

3.3 抗震加強措施

（1）轉換結構抗震設計。該高層建筑工程結構復雜程度比較高，并且轉換成為薄弱層，因此，對于框支柱、框支梁、剪力墻底部的加強部位，應當提升抗震等級，同時還需增加框支梁所在樓層樓板厚度，并采用雙層雙向加強配筋構造設計形式。

（2）連接體結構抗震設計。該高層建筑工程為I類扭轉不規(guī)則，一旦發(fā)生地震災害，則會對連接體結構造成不良影響，發(fā)生塌落事故，對此，在連接體及連接體相鄰結構抗震設計中，應當提升抗震等級，適當增加樓板結構厚度，另外，對于連接部分，需采用雙層雙向貫通布置方式。

4 結語

綜上所述，本文結合實例，對高層建筑混凝土結構設計方式進行了詳細探究。高層建筑工程結構體系復雜程度比較高，在高層建筑設計中，必須保證結構布置的科學性以及合理性，在連體結構設計中，應當保證連體結構各個部分的體型、平面以及剛度保持大致相同，即可避免連體結構復雜程度比較高而誘發(fā)耦聯(lián)振動問題，改善高層建筑結構穩(wěn)定性和安全性。