浅谈高层建筑混凝土结构设计

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摘要:随着当今社会发展和经济进步，高层建筑工程越来越多，混凝土结构作为高层建筑中最基本的建筑结构，得到越来越广的应用。本文对高层建筑混凝土结构中设计的几项重要事项进行阐述。

关键词：高层建筑；混凝土结构；结构布置；稳定设计；抗震设计

中图分类号：TU97文献标识码： A

一、结构布置原则

1.在结构体系上，应重视结构的选型和平、立面布置的规则性，择优选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系。结构应具有明确的计算简图和合理的传递地震力途径，结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。

2.水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用，应使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力；

3.在一个独立的结构单元内，应避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位；避免在凹角和端部设置楼、电梯间；减少地震作用下的扭转效应。竖向体型尽量避免外挑，内收也不宜过多、过急，结构刚度、承载力沿房屋高度方向不宜均匀、连续分布、避免造成结构的软弱或薄弱的部位。

4.嵌固端的设置问题，由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，不注意此项可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

二、结构的稳定性设计

1.高层建筑混凝土结构的临界荷重

高层建筑混凝土结构可视为其有中等长细比的悬臂杆，其高宽比一般为3～9。此悬臂杆的整体失稳或整体楼层失稳形态有三种可能：剪切型、弯曲型及弯剪型。纯框架结构的失稳形态一般为剪切型；剪力墙结构的失稳形态为弯曲型或弯剪型：框架一剪力墙、框架一简体等带有剪力墙或筒体的结构，

2.高层建筑混凝土结构的临界荷重的确定

对于正常使用极限状态结构构件应分别按荷载效应的标组合以及荷载效应的标准组合并考虑长期作用的影响进行验算以保证变形裂缝等计算值不超出规范规定的限制。

3.在设计中主要控制以下指标

刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标，规范及软件分别提供了剪切刚度，剪弯刚度和地震力与相应的层间位移比三种刚度比的计算方式，其中剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定，剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构设计，我们这里强调的是楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度，通常绝大多数工程都可以用此值来判定结构的竖向规则性。主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，对于形成的薄弱层则应予以加强。

轴压比，规范对轴压比限值按照抗震等级进行了规定，限制框架柱的轴压比主要是为了保证柱的塑性变形能力和框架的抗倒塌能力，控制柱的延性，避免柱在地震作用下的脆性破坏，尽可能使框架柱最终为大偏心受压破坏：确保剪力墙肢底部塑性铰区的延性性能和耗能能力，避免在强烈地震作用下墙体的压溃和丧失竖向荷载的承载能力。结合对其它结构特性的控制及构造措施来间接实现对该值的限制。轴压比不满足时可增大剪力墙、框架柱的截面尺寸、设置芯柱，采用复合箍筋等办法。

剪重比是某层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力与该层及其上各层重力荷载代表值之和的比值。主要是控制各楼层的最小地震剪力，确保结构能够承担足够的地震作用。为确保结构安全，特提出对结构总水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的限制。

周期比,结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应；限制结构的抗扭刚度不能太弱，减小扭转对结构产生的不利影响。周期比不满足时采用的调整方法：改变结构平面不规则布置，使结构的质量中心与刚度中心尽可能靠近；提高结构的扭转刚度。

三、抗震性能设计

1.影响建筑物抗震效果的因素

研究高层建筑结构的抗震设计，必须明确建筑物抗震效果的主要影响因素。下面，将从建筑结构本身的设计效果、施工材料和施工过程以及建筑场地情况三个方面进行分析。

（1）建筑物自身的结构设计

建筑物的结构设计是影响抗震效果极为关键的一个因素，建筑物若要达到抗震目的，无论点式住宅或是版式住宅，都必须进行合适的结构设计，保证抗震措施合理，能够基本实现小震不坏、大震不倒这样的目标，提高建筑结构的抗震性能。如果建筑物对平面的布置较为复杂，质心与刚心不一致，将会加剧地震的作用影响力，增强破坏性。所以，建筑物的结构平面布置应尽量保证质心和刚心重合，提高建筑物的抗震能力。

（2）建筑结构建造材料和施工过程

建筑结构的材料是影响抗震效果非常重要的因素，高层建筑在具体施工中，要加强监管和规范，严格做好高层建筑施工管理，从建筑结构的质量上来提高抗震效果。

（3）建筑物所处地质环境情况

在选择建筑工地的位置之前，要进行详尽地勘探考察，分析地形和地质条件，避开不利地段，挑选对建筑物抗震有利的地点。

2.高层混凝土建筑抗震结构设计

（1）减少地震发生时能量的输入

在具体的设计中，积极采用基于位移的结构抗震方法，对具体的方案进行定量分析，使结构的变形弹性满足预期地震作用力下的变形需求。对于高层建筑，在坚固的场地上进行建筑施工，可以有效减少地震发生作用时能量的输入，从而减弱地震对高层建筑的破坏。

（2）运用高延性设计、推广消震和隔震措施

在我国，许多高层建筑进行抗震设计时，多采用延性结构，也就是适当控制建筑结构的刚度，允许地震时结构的构件进入到具有很大延性的塑性状态，从而消耗地震作用时的能量，使地震反应减小，减弱地震给高层建筑带来的破坏。如在很多情况下是有效的，它可以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。

（3）高度的确定

在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度：一要有专家论证，二要有模型振动台试验。在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

（4）材料的选用和结构体系

在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框—筒、筒中筒和框架—支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。在高层建筑中采用框架—核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值；此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材生产数量已较大，建筑钢材的类型及品种也在逐步增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振而需要采用混凝土材料，钢骨（钢管）混凝土，通常作为首选。

三、结束语

要科学合理的设计好高层建筑结构，增加稳定性，增强抗震能力，设计人员不仅要大力提升自己各方面的专业知识，更要培养严谨缜密的态度，深刻理解设计规范，为建筑行业的发展做出贡献。

参考文献：

[1]任建立.钢筋混凝土高层结构设计几个常见问题 . 城市建设理论研究（电子版）-2012.