浅谈高层建筑混凝土结构的设计
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论文摘要：随着社会的不断进步和发展，高层建筑在城市建设中越来越体现出自身的独特优势和发展前途。对于国家经济建设来说，高层建筑是一种节约土地的有效行为，能为促进国家经济和谐发展做出巨大贡献。本论文通过高层建筑结构设计要点，提出了高层建筑混凝土结构设计的对应方法，为实际高层建筑结构分析与设计提供一定的参考。
关键词：高层建筑，混凝土结构，立法，位移
高层建筑是近代经济发展和科学进步的产物。进入20世纪以来，高层建筑在全球迅猛发展。高层建筑，是指超过一定高度和层数的多层建筑。在美国，24.6m或7层以上视为高层建筑；在日本，31m或8层及以上视为高层建筑；在英国，把等于或大于24.3m得建筑视为高层建筑。中国自2005年起规定超过10层的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑为高层建筑。高层建筑可节约城市用地，缩短公用设施和市政管网的开发周期，从而减少市政投资，加快城市建设。
一、高层建筑的设计要点
当高层建筑的层数和高度增加到一定程度时，它的功能适用性、技术合理性和经济可行性都将发生质的变化。与多层建筑相比，在设计上、技术上都有许多新的问题需要加以考虑和解决。
1.风荷载及水平侧向力
高层建筑结构设计时，应考虑风荷载及水平侧向力的影响，这种因素是影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。对于高层建筑而言，主要由抗侧结构体系来抵抗这种外力，抗侧结构体系由楼面主梁和承担楼面重力荷载且与主梁刚性连接的柱组成。此时这些抗弯构件可起到支承楼面荷载和抵抗侧向荷载的双重作用。而柱所承受的是轴力和弯矩的组合作用。框架侧向结构体系亦可由竖向斜支撑或主要起抵抗侧向荷载作用的剪力墙组成。在高层建筑中，支撑系统和刚性钢框架的混合体系是一种常用的抗侧结构体系。
2.强度、刚度、稳定性的影响
高层建筑设计时应严格控制高层建筑体型的高宽比例，以保证其稳定性。并使建筑平面、外观、立面和刚度尽量保持对称和匀称，使高层建筑整体结构不出现易受到外力冲击的薄弱环节。随着建筑高度的增加，设计者在设计高层建筑时，应充分根据建筑自身特点，使高层结构有合理的自振动力特性，并使高层建筑在水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。这种自振抵抗作用使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，使整个建筑牢牢的连接在一起，确保高层建筑在受到冲击变形后仍能恢复自身的塑性。
3.细部构造及地质条件的影响
高层建筑在设计时应妥善处理因风力、地震、温度变化和基础沉降带来的变形节点构造。并考虑在重量大、基础深的地质条件下如何保证安全可靠的设计技术和施工条件问题。对于多层建筑而言，设置防震缝是解决体型复杂不规则的建筑结构由于变形复杂而产生建筑物开裂的一种可靠性方法。高层建筑由于体型巨大、高度高等特点一般不设抗震缝，而同时利用有效技术措施和合理科学的计算方法，以消除不设防震缝带来的不利影响。
二、工程实例
1.工程简介
兰花广场兰花商厦位于辽宁省， 总建筑面积6.38万m2，工程由同济大学设计院设计，施工单位为中国二十二冶集团有限公司，地下1层，地上为29层，总建筑高度为102.38米，其中地下一层采用箱形基础，底板厚度800mm，地上29层，钢筋混凝土框架-剪力墙结构， 除地下一层顶板外露部分厚度为 600mm外，其余部分楼板为模壳密肋板结构，厚度为120mm，本高层建筑采用抗震性能好、功能合理的现浇钢骨混凝土框架-剪力墙结构，利用楼、电梯间设置钢筋混凝土剪力墙且连接成筒体作为主要的抗侧力构件。混凝土强度等级为C60，钢筋骨架采用HRB400，框架采用宽扁梁框架以增加楼层净高，宽扁梁截面为800×700，端部加腋为800×650，混凝土强度等级为C40；为抵抗高层建筑的外力影响，在混凝土内筒剪力墙转角处设置十字形钢骨，以改善剪力墙的受力性能、提高剪力墙的延性、减少剪力墙刚度退化，中心筒墙体厚度为600mm，混凝土强度等级为C40。
2.钢筋设计原理
根据《建筑抗震设计规范》第6.1.11条规定，当工程符合规定条件时,宜沿两个主轴方向设置构造基础系梁。基础此时基础系梁截面高度可取柱中心距的1/12～1/15，从工程应用角度来看，HRB400 级钢筋比 HRB235 级钢筋节约了 53.9kg/m3，占 HRB235 级钢筋用量的 33%，经济效益非常可观，因此本工程采用HRB400级钢筋。
2.1计算参数
本工程钢筋混凝土框架-剪力墙结构抗震设防等级为7级，即按照混凝土规范《GB50010-2002》进行设计。本高层建筑为位于辽宁省，经计算得知，东西向风力为63.18KN，南北向风力为193.98KN，因此得知该高层框架梁设计时在荷载效应的标准组合和准永久组合下应分别符合现行设计规范的下列规定：
（1）构件受拉区拉应力：σck-σpc≤ftk；σcq-σpc≤0
（2）梁端受压区高度： x≤0•35h
（3）梁端预应力强度比：fpyAp/(fpyAp+fyAshs/hp)≤0.7
（4）纵向受拉钢筋按非预应力钢筋抗拉强度设计值换算的配筋率不应大于2.5%注：σpc为扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力；Ap为钢绞线截面积；hs,hp分别为纵向受拉非预应力筋、预应力筋合力点至梁截面受压边缘的有效距离。其他各数值见规范。根据计算得知，地上建筑每平方米钢筋含量为85.33kg/m2，地下建筑每平方米钢筋含量为118kg/m2。
2.2超静定结构分析
本工程为框架-剪力墙结构在水平力作用下的内力计算一般分两步进行，首先求出水平力在各榀框架和剪力墙之间的分配，然后再分别计算各榀框架或剪力墙的内力。框架―剪力墙的计算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。本工程采用计算机三维矩阵位移法计算钢筋受力情况，假定楼板在自身平面内为无限刚性，平面外刚度很小，可以忽略不计，如果假定为刚性楼板，设计时应采取必要措施，极大的保证了高层建筑的内部整体性。
3.混凝土结构设计原理
3.1地下人防工程的设计
本工程为高层建筑，地下基础埋深较大，常设地下连梁承底层墙的自重和减小结构层高度。为了简化计算，常在结构计算模型中按多一层框架梁设计，此时较易出现短柱，将采取符合高颈配筋的方法来取消短柱，地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，从楼板厚度、砼强度等级、板的配筋率、楼层的侧面刚度等都有具体要求。《建筑地基基础设计规范》第 8.2.6 条规定，本高层建筑将高杯口基础做成高颈现浇基础，高颈至地下连梁顶处，高颈刚度大于柱刚度 4 倍以上（非线刚度）。这意味着对高层建筑来说，地下室层数或总深层不仅由地基基础埋深决定，还必须考虑累积误差等因素的影响。
3.2上部结构的设计
计算柱、墙和基础时，设计忽略了实际活荷载折减系数与程序内定值的不同，并进行人工调整；程序内定的活荷载折减系数为《建筑结构荷载规范》（GB50009―2001）（2006 版）表 4.1.2 数值，按规范第 4.1.2 条，当建筑的使用功能不属于表 4.1.1（1）项时，活荷载折减应符合规范第 4.1.2 条的相应规定；本高层建筑住宅建筑含有 3 层底商用房时，则底商层的活荷载折减系数均应取 0.9 或不折减。地上框架结构长×宽为 159.0m×73.22m，属于典型的超长混凝土结构，对于这类结构，规范认为采用后浇带分段施工，其中，沉降后浇带宽度为 1m，待29层顶板封顶，沉降稳定后浇筑；连续式膨胀加强带宽度 2m，与两侧混凝土同时浇筑。在施工之前，根据工程拟用的原材料，进行了混凝土配合比设计， 原材料情况如下： 渤海PS42.5水泥，沙河营优质河砂，兰花山石子，其中石子粒径为20-40mm，砂子颗粒级配为中粗砂，且两种粗骨料含泥量均不大于1%，粉煤灰采用热电厂生产的国Ⅱ标准的粉煤灰，膨胀剂为北京新寺力公司生产，掺入本产品砼的限制膨胀率为0.02～0.04%，可在砼中建立0.2～0.7Mpa的预应力，抗渗标号可达S30。采用TS-JS（Ⅱ）高保塑型聚羧酸盐高效泵送剂，根据实验结果表明，该混凝土强度等级达到C40以上，可以用于施工。
结 论
综上所述，高层建筑结构，尽量使连体结构各独立部分的体型、平面和刚度相近，同时对高层建筑及薄弱部位要采取相应的抗震措施，因此只有在设计前期确定合适的设计方案,，并计算正确的施工参数，做好薄弱环节的构造处理，才能做出合格的高层结构设计。