1、对高层建筑混凝土结构设计的研究摘 要: 近年来，随着我国社会经济的迅速发展，各类高层建筑在全国各地日益增多。它们新颖别致、多样化、复杂化和独特个性等特点给城市建设带来崭新面貌的同时也给高层建筑结构设计者带了严峻的挑战。本文结合笔者多年实践经验，谈谈如何优化高层建筑混凝土结构设计，供各位同行参考。 关键词: 高层建筑；混凝土结构； 侧向力； 对策 中图分类号：TU97 文献标识码： A 近些年来，随着我国社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对自己所居住的建筑要求也越来越高，建造的各类高层建筑层出不穷给城市建设带来了新的面貌，日益复杂的使用功能和多样化的建筑特征给高层建筑结构的设计者带来了
2、非常严峻的挑战。在此笔者结合多年的实践经验，对高层建筑混凝土结 构设计如何优化进行分析和探讨，现总结如下。 1.高层建筑混凝土结构 在高层建筑业的发展中，高层建筑混凝土结构主要分为以下几种: 钢筋混凝土结构； 组合结构； 新型结构； 智能建筑结构。 1.1 钢筋混凝土结构 钢筋混凝土结构是最早的高层建筑结构，该结构主要由钢筋和混凝土构成，以用钢筋混凝土建造的，包括薄壳结构、大模板现浇结构和使用滑模、升板等建造的钢筋混凝土结构作为主要承重要件。此结构的整体性较能好，且具有耐高温、位移小、维护方便、成本低和刚度大等特点，钢筋混凝土结构的一系列特点，都是钢结构所望尘莫及的。随着我国混凝土增强材料技术
3、的不断发展，钢管混凝土、钢混凝土和高强混凝土等方面技术的不断成熟。钢筋混凝土结构已经成为我国大多数高层建筑所采用的结构体系，是目前我国应用最广泛的也是大多数设计者最熟悉的建筑结构型式。 1.2 组合结构 组合结构主要有钢筋混凝土组合结构和组合切体结构两种类型，其中组合切体结构是一个组合砖砌体构件，主要由砖砌体和钢筋混凝土面层组成，在轴向力偏心距超过 0.7y( y 指由截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离) ，或 e 较大，无筋砌体承载力不足，截面尺寸受到限制时比较适用。组合结构与钢筋 混凝土结构有所不同，本结构除了具有钢筋混凝土结构的特点外，还具有污染小、节约钢材等特点，与钢筋混凝土结
4、构相比，更节约了建筑施工中所需要的成本，而且科技含量高，在组合结构中，混凝土被填充于钢管之内，钢管内的混凝土在三轴受压的状态之下可以大大提高钢管的承载能力，同时又节约了大量的钢材。因此，在一定条件下，组合结构可以取代钢筋混凝土结构。而且组合结构有着更广泛的应用范围，不但应用在高层建筑中，在造船、冶金与电力等方面也同样适用。 1.3 新型结构 在高层建筑结构体系中，剪力墙体系和框架体系等几种类型是比较常见的，而对于新型的结构体系，它主要是以筒体的组成方式来作为区分标准的，新型结构体系可分为三种体系: 筒中筒体系、框筒体系和束筒体系。相比于传统的单片平面结构体系，新型结构体系中的筒体则具有更大的抗
5、侧刚度，且承载力更大。目前，在功能较全且层数较多用途较广的高层建筑中，这种新型结构体系相对比较适用。 1.4 智能建筑结构 BAS、OAS 和 CAS 是智能化系统的三大代表，BAS 指楼与自动化系统，OAS 指办公自动化系统，CAS 指通信自动化系统。目前，智能建筑结构在高层建筑中应用较少，本结构是高新技术产业与现代建筑技术相结合的一种建筑结构，随着社会的发展，人们生活水平的不断提高，这一结构也具有较好的应用前景。在这新的建筑建构之下，建筑物的系统、结构体系以及服务与管理等要素被联系在一起，设计得以更加优化，人们可以生活在一个更为方便快捷且安全舒适的环境中。 2. 高层建筑结构设计考虑因素
6、在高层建筑中，当建筑物达到一定高度，安全性就会成为重要的考虑因素，混凝土结构的优化设计是安全性的一个重要保证，因此，对于具有一定高度的高层建筑，在设计时，混凝土结构的优化设计就显得异常重要， 。高层建筑结构设计必须充分考虑各方面因素，使其达到强度足够、刚度适宜、延性良好、设计合理的标准。需要考虑的因素主要包括: ( 1) 侧向力，侧向力主要是指建筑物在建成以后所承受的风力、地震力和垂直载荷等外力。无论是高层建筑还是低层建筑，都要承受这样的侧向力，低层建筑受到水平力较小，而高层建筑受到水平力随着层数的增多而不断增大。因此，水平荷载和地震力等侧向力应该成为高层建筑结构设计时着重考虑的因素，这些因素
7、正是影响高层建筑物结构变形、结构内力和建筑土建造价提高的主要因素；( 2) 适宜的刚度，据胡克定律，剪切模量 G 能够在很大程度上决定向同材料的刚度，同时，建筑物的形状购置也将在很大程度上决定建筑物在塑性期的刚度。在高层建筑建设过程中，建筑高度是一系列风险因素的出现原因，其中不仅包括侧向力，更包括侧向位移，它是会随着建筑物高度的增加而逐渐增大，当高层建筑在水平力的作用之下，为了使高层建筑的侧向位移保持在一定范围之内，高层建筑必须具有足够的强度，同时，自振周期必须控制在最合理范围内，只有这样，高层建筑的结构设计才是最优化的。 3. 高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法 高层建筑混凝土结构设计作为
8、高层建筑结构设计的主要部分，它必须能够与高层建筑的结构设计相适应。目前，在整体结构合理的条件下，追求结构中各个构件的最大承载力成为国内外学者追求的主要目标。目前为止，对于各个构件的优化，尽管各国学者已经进行过相关研究，但行业内仍没有一个适用于高层建筑结构设计的成熟数学模型，同时这一模型能够满足各种结构设计规范条件，符合设计人员习惯，又尽可能接近最优解。因此，在实践的指导下，对各个构件内力的最大承载力的追求就成为设计人员的目标。从本质上说，优化设计的关键点就在于整体和局部概念的统筹合理，二者兼顾。接下来，就高层建筑混凝土结构的优化设计提出具体三项方案: 3.1 合理使用高强砼和高强钢筋。在建筑的
9、整个施工过程中，用钢量是影响总造价的一个重要因素。因此，为了合理降低用钢量，降低造价，节约成本，设计中必须合理使用高强钢筋。然而在高层建筑位于深厚软弱地基之上的情况下，强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸的合理使用，对于减轻地基载荷，降低基础施工的难度，缩减造价，将具有非常直观的经济效果。由于地震对于一幢建筑的破坏程度，是与该幢建筑的自重成正比的，自重越大，受损毁的可能性，破坏程度就越大。因此，减轻建筑物自重能够减小其受地震破坏的程度，为建筑物的安全提供保证。所以，高强砼和高强钢筋在设计中的合理使用对于快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸，减少用钢量，减轻建筑自重，最后达到降低造价及安全
10、使用的目的具有十分重要的作用。 3.2 在高层建筑的结构设计中，对于一个独立结构单元，平面性状、各部分的刚度和承载力是三个需要考虑的重要因素。首先，平面结构性状应该最大限度的做到简单而且规则，长度不应过长，凸出部分不应过大，竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。其次，刚度和承载力在各部分应该分布均匀，竖向布置严重不规则的结构应该禁止采用，下大上小，逐渐均匀变化的侧向刚度结构才是最合理的。在结构设计的过程中，也许会出现这样的状况，结构足够合理，正如以上所述的标准一样，但却缺乏美观和实用性。这时，就需要结构设计人员要特别重视结构概念设计，并且将概念设计贯穿于建设过程的始终。使建筑结构在满足
11、美观、适用的前提下，平面的布局和竖向布置既简洁、又规则均匀，从而具有合理的刚度和承载力分布。 3.3 注重剪力墙的平面布置。具体应如何注重剪力墙的平面布置，我们应该从以下几方面做起: (1) 剪力墙的布置原则在于沿周边均匀、相对集中布置，同时又不损害建筑原有的使用功能。一般布置在建筑物的楼梯间、电梯间处，以及平面形状变化及恒载较大的部位，其间距宜适中，不宜过大。(2) 剪力墙墙肢截面应具有简单、规则的特点，剪力墙结构应具有一定侧向刚度，但不宜过大。(3) 较多的短肢剪力墙不会起到联合剪力的良好效果，全部为短肢剪力墙的情况更是应该避免出现。4.结语 总而言之，在高层建筑混凝土结构设计时，应充分考虑各方面因素，考虑高层建筑风和地震力等侧向力的影响； 考虑自重和地基载荷的影响；保证高层建筑结构具有足够的强度，具有适宜的刚度，具有良好的延性。与此同时，也应该能够从整体上把握结构整体的设计，了解总体系和主要体系间所存在的最佳受力标准，从而找到最优结构方案，满足各方设计使用要求。 参考文献: 1杨克家，梁兴文，张茂雨，等。带加强层超高层建筑结构基于能力谱法的抗震设计J 。地震工程与工程振动，2010 2李源新，等。高层建筑结构概念设计与高层剪力墙结构的优化J 。科技创新导报，2012 3徐宜和，丁勇春，等。高层建筑结构抗震分析和设计的探讨J 。江苏建筑，2008.
