关于完善高层建筑混凝土结构设计的探讨

摘要：随着科学技术的不断进步发展，城市楼宇建筑开始向高层建筑发展，而高层建筑普遍采用混凝土作为建筑材料，本文主要从高层建筑结构受力分析、高层建筑混凝土结构基本概述、高层建筑混凝土结构设计面临的难题和高层建筑混凝土结构优化设计方法四方面对高层建筑混凝土结构设计进行了分析。

关键词：高层建筑；混凝土；结构设计

前言

随着我国社会经济的发展，我国的城市化水平持续提升，人口数量也在持续增加。为了满足人们居住和生活的需要，高层建筑的出现，不仅提升了土地资源的利用效率，而且可以有效缓解资源短缺的问题，同时，也是代表城市发展水平的一个重要标志。而在高层建筑的建设当中，如何搞好混凝土结构设计的可行性、安全性等其他性能是结构设计人员研究的重点问题。

1高层建筑结构受力分析

1.1高层建筑结构受力特征

高层建筑结构在模型上一般可以假想为一个从地基出发并不断上升的悬臂构件。高层建筑主要承受水平作用效应和竖向作用效应，水平作用效应一般指风荷载，在抗震设防地区还包括水平地震作用。竖向作用效应则一般由结构自重荷载产生，在抗震设防烈度为8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，还应考虑竖向地震作用。在这些作用效应下，结构整体及主体构件均需具有足够的承载能力、刚度和延性，整体的设计注重概念，应符合相关规定中对于建筑形体的规则性要求，包括平面布置的规则性及竖向布置的规则性。结构在抵抗弯曲方面来说，结构体系务必满足：不能使建筑物产生倾覆；在承受荷载时，它的支撑体系的某些部位不应被压屈、压碎或者直接被拉伸破坏；同时弯曲侧移不能超出弹性极限的范围。而结构在抵抗剪力方面来说，结构体系务必满足：建筑物不至于发生剪切破坏；同时结构的整体剪切侧移不能超过弹性极限的范围。最后对于结构的地基和基础来说，由于高层建筑一般是高次不静定结构，所以结构体系在支承点处应避免较大的不均匀变形，从而可以防止出现较大的二次内力。

1.2高层建筑结构的传力路线

高层建筑的竖向平面结构和水平平面结构都必须有明确的传力路线。以某个作用在楼面上的重力荷载为例，它要通过楼盖构件的弯曲传递给竖向结构的某个构件，直到建筑物的基础和地基。传力路线的模式根据结构的类别和布置而异。高层建筑的底层往往只允许有少量的立柱，以便有足够的空间可以设置宽敞的入口、前厅或广场。这时，有较密柱间距的上层结构的重力荷载，就要通过另一种结构体系传给底层立柱以及底层立柱基础。当高层建筑的楼层平面有突变时（如楼层有收进，或由矩形平面变成其他形状的平面时），或结构体系有变化时，它们的传力路线也会发生改变，这时往往既要有竖向的转换结构，也要有水平方向的转换结构。在高层建筑结构传力路线中还有一个区别于底层建筑结构的特殊问题，那就是高层建筑的每个立柱都承受着上层传来的重力荷载，要考虑它们各自在施工和使用过程中竖向压缩量的差异。这既要在设计中加以考虑，也要在施工过程中及时加以调整，以保证各层楼面的水平度，减小因不同柱的压缩量有过大差异而引起的结构内力。

2高层建筑混凝土结构基本概述

随着城市人口不断增多，人们对空间的需求越来越大，高层建筑便得到了建筑行业的亲睐，越来越多的高楼大厦在城市中拔地而起，在看到城市繁荣发展的同时，我们也应当保证好城市中人们的人身安全。高层建筑混凝土结构是保证高层建筑安全性的基础，无论是混凝土的材料类型，还是高层建筑中每一部分的结构设计，都对整个高层建筑的安全能力和使用能力起着决定性的作用。因此，研究和改善高层建筑混凝土结构是未来城市进一步发展需要完成的首要任务。

2.1结构设计的基本原则

同所有建筑一样，高层建筑的设计建设中也应当遵守低成本高年限的经济原则，在使用方面也必须遵守安全性强、使用率高、舒适度高和技术性强等原则。此外，还应当保证建筑材料的稳定耐用性，结构设计的安全持久性等高层建筑特有的建设原则。

2.2结构设计的基本要求满足建筑设计基本原则是修建高层建筑的前提，相比于普通多层建筑，影响高层建筑混凝土结构的因素更多，相关性更强。在横向和纵向两个方向上就必须涉及到建筑所处空间和自身重量的影响，对抵抗水平方向的风力，地震力的要求更加苛刻，竖直方向上在承重方面也有更高的设计要求。但由于建筑材料的限制，在设计上必须不断加强建筑抵抗外力的能力，传统建筑中的刚性设计思维不能满足更高的抵抗能力。因此，在结构设计上提高高层建筑的适应性，改善结构延展性是高层建筑设计的基本要求。

3高层建筑混凝土结构设计面临的难题

3.1地基承重能力容易波动：地基基础是高层建筑修建的根本，在设计时往往不能保证地基的沉降对高层建筑的影响，且由于混凝土结构具有相当大的重量，在设计时若建筑结构不均匀很容易导致沉降不均匀，切在某些地理区域因地下水位波动较大，对地基结构同样有较大影响，在竖直方向上极易出现落差，导致高层建筑上部结构受到的剪切力增加，抵抗其它外力的能力减弱，增加了大楼整体结构的不稳定性。

3.2剪力墙设置不均匀：许多高层建筑为追求美观设计，对剪力墙的设置往往集中在一处或在建筑某一侧不设置剪力墙，短肢剪力墙对建筑整体的承载能力有极大的负面影响，在受到较强外力时，短肢剪力墙是相当薄弱的环节，极易因无法支撑而直接被破坏，对高层建筑而言是一个非常大的安全隐患。而单纯增加加大柱截面和框架梁截面，也难以保证结构的第一周期为平动周期，在发生地震灾害时，容易因受力不均导致整座建筑快速的崩塌。

3.3水平方向抵抗力增强受限：高层建筑因占用空间多，在水平方向需承受的风力和横波地震的水平力也同时增大，对于混凝土框架梁的水平适应能力要求较高，过大的水平力会导致梁架杠杆受力不均匀，但梁架设置有限，过多混凝土钢筋支撑受力梁架会影响建筑的中心，因此在水平力上的承受能力需要通过优化结构设计进行改善。

4高层建筑混凝土结构优化设计方法

4.1优化设计的主要方向

依照建筑修建原则，高层建筑主要在安全性上需要改善的方面较多，因此，我们应当以优化高层建筑的结构设计为主要方向，对建筑在竖直和水平的承载能力进一步提高。通过提高建筑安全性进而对建筑的耐久耐用进行优化改善。

4.2优化设计的具体方法

4.2.1保证地基的稳定要求地基的承载能力值与上部建筑对地面的压力值在5%的等值范围内，对此，应当在通过采取在地基和上部建筑结构间增添优化地基承载能力的沉降缝或增大地基底面积等措施，增强地基的承载能力。并同时对上部结构进行优化，如安装提高上部结构刚度的高层剪力墙，增加梁柱面积，优化梁柱材料结构，让地底面受力更加均匀，保证地基的均匀沉降。并通过减少上部结构中混凝土与钢筋的使用数量，保证建筑整体质量的同时，提高建筑结构的稳定性，降低结构自振性，减少建筑的承载量。

4.2.2针对剪力墙在结构设计上的重视度不高，导致建筑中部分区域剪力墙的轴压比始终高于正常承受范围的问题，应该保证剪力墙的均匀设计，在结构设计中，要坚持剪力墙分布设置中均匀、对称、强边角的原则。采用对称分布，双向布置剪力墙能有效避免在构造中出现短肢剪力墙的情况发生。如若考虑到各方面的因素无法做到剪力墙对称分布，则应当在底部加强剪力墙的承载能力，保证剪力墙能承受更大负荷的外力，或对核心受力的剪力墙进行强化设计，可使用高层数、高厚度的剪力墙支撑高层建筑的上部结构。

4.2.3提高水平方向承受外力的能力不仅需要对建筑整体框架进行加固处理，当主要框架梁应上的次梁负筋配置过大时，会导致对框架梁的不利影响，此时为避免框架梁负筋过多，运用从元到总的思想，对每一个基本框架结构进行加固处理，增加每一个框架梁的跨中正弯矩，尽量使每一个单元结构的水平承受力均匀，提高每一个单元结构的结构强度和刚度，再经过整合之后，就能在有效节约混凝土材料的基础上，增强高层建筑水平方向的承受能力。

4.2.4优化建筑材料的选择，尽管混凝土是高层建筑的主要结构材料，但混凝土是一个材料大类，如同钢铁，包含了许多成分配比不同而性质不同的子材料，充分了解各混凝土材料的性质特点及其功能应用，在选用材料时应针对不同性能的需求进行合理选取，才能为建筑抗震性、安全性、耐久性提供更好的质量保证。

5结语

综上所述，高层建筑将成为未来城市建设产业的主要发展对象，优化建筑的设计，改善混凝土结构是促进高层建筑大力发展的一个重要的先决条件，坚持结构设计的基本原则，以目前高层建筑中的主要存在的问题为首要任务，以现有的设计概念和设计专业知识作为根据，以高层建筑实用性、安全性和美观性作为前提保证，制定符合当地的地质和气候条件的高层建筑结构设计方案，对混凝土结构进行优化设计，才可以保障高层建筑在未来的顺利发展。

参考文献：

[1]冯阿巧.关于高层建筑混凝土结构设计的探讨[J].门窗：建筑规划与设计，2013（06）

[2]邵志利，孟凡伟.高层建筑混凝土结构设计的相关问题探讨[J].门窗，2014（11）

[3]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[4]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]

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