高层建筑钢筋混凝土结构设计研究

刘晓光

（湖南省建筑科学研究院 湖南长沙 410000）

高层建筑钢筋混凝土结构设计研究

刘晓光

（湖南省建筑科学研究院 湖南长沙 410000）

伴随着我国经济建设的快速发展和人们住房需求的不断提高带动着建筑开发项目的增多，建筑结构的设计也越来越复杂。而钢筋混凝土高层建筑结构设计成为工程设计工作重中之重。本文对钢筋混凝土高层结构设计中的一些要点进行探析，为高层建筑结构的设计提供参考。

高层建筑；钢筋混凝土；结构设计

引言

混凝土作为目前世界上最大的商品之一是因为混凝土具有较好的延性和较高的强度，因此在结构设计中被广泛使用。在结构设计时应根据结构的具体设计环境要求选择混凝土强度等级。由于在设计过程中设计人员的不同而导致设计风格和理念有差异，因此在设计过程中会存在不同的设计方案，结构的质量也会有所差异。

1 钢筋混凝土结构的原理及特性

广义上的钢筋混凝土结构是由在混凝土中配有一定数量的钢筋而形成的新型结构。在钢筋混凝土结构中钢筋主要承受拉力而混凝土主要承受压力，混凝土和钢筋共同工作使钢筋混凝土结构具有优良的抗压和抗拉性能、延性、耐久性等，使得钢筋混凝土结构达到使用要求。由于钢筋混凝土结构具有这些优良的性能，尤其在防火性能上远远高于钢结构，因此综合性价比较高，工程造价较低，在工程上被普遍使用。

素混凝土结构是由纯混凝土组合而成具有较好的抗压性能，但是抗拉性能和延性较差，因此为改善混凝土结构的抗拉性能和延性需要在混凝土结构中布置钢筋，极大改善混凝土结构的受力性能和使用性能，抵抗外部荷载，增加其耐久性能。

钢筋混凝土结构的主要特性表现在其热胀冷缩和延性等反应中。混凝土结构在水泥水化反应过程和季节交替时的热胀冷缩过程中使得混凝土具有拉应力，混凝土内的钢筋产生压应力，这时应对混凝土材料本身进行设计，改善混凝土结构的收缩性能。通常混凝土的延性和混凝土的强度有着直接关系，强度越高延性越差，因此在设计时应根据工程具体情况选择不同强度的混凝土。一般的混凝土在-40～60°C时具有较好的、稳定的物理性能，因此在低于或者高于规定环境时应对混凝土结构采取一定措施防止混凝土冻害或者膨胀破坏。

2 工程概况

本项目位于湘阴县，为一栋高层综合楼建筑，主要功能为酒店式公寓和办公，地上24层，地下1层，共计25层，建筑主要屋面高度为94.9m，总建筑面积32844m2。本楼设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度Ⅶ度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，该项目安全性评价报告给出的地震影响系数建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期Tg=0.45s，阻尼比取0.05。该地区重现期50年的基本风压为0.45kN/m2，因该楼对风荷载较为敏感，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用，即0.495kN/m2。场区地面粗糙度为B类，风压体型系数取1.4。墙柱混凝土1～8层为C45，梁板混凝土为C35，9～14层墙柱混凝土为C40，梁板为C35，十四层以上墙柱为C35，梁板为C30，结构抗震设防类别为标准设防类。

3 高层建筑钢筋混凝土结构设计要求

对于钢筋混凝土结构设计应根据建筑物所在地区和所拥有的建筑材料采用合理的设计，如抗震要求、高度限制、地理环境要求、对混凝土结构进行特殊设计等，但是在结构设计过程中可能会和建筑设计有冲突，因此在结构设计时应和建筑设计综合考虑，对混凝土结构进行优化设计，不失建筑风格的美观又不失结构的安全性能。相对于建筑设计讲，结构设计主要考虑结构的稳定性和安全度，尤其对于我国而言主要是提高结构的抗震性能。根据结构的尺寸比例对混凝土结构进行恰当划分，对结构进行精确的横竖向荷载分析，综合考虑结构所承受的多向应力。

4 高层建筑钢筋混凝土结构设计

4.1 结构体系

本塔楼属高层建筑，结构体系采用钢筋混凝土框剪结构，楼面为现浇钢筋混凝土梁板。塔楼在地面以上采用防震缝与裙房完全分开，结构设计以地下室顶板作为上部结构的嵌固端。框剪结构的受力特点是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。因为，在较低的楼层，剪切位移是小的，则通过弯曲变形曲线镜框，承担大部分的水平剪切力的，上层是相反的，增加的剪切位移，存在通过拉动剪切变形帧以外的倾向曲线中，除了产生的水平力的负担载荷帧，而且还附加水平剪切力的额外负担拉回，不仅要承受水平剪切力负载生成，而且还因为该框架是一个附加的水平力承受负剪切，因此，即使上层楼，哪怕外荷载楼层的剪力较小，框架也会出现相当大的剪切力。

4.2 结构设计情况

本塔楼出裙房后建筑平面呈“扇”形，平面尺寸约为60.014m×19.1m，图1为塔楼典型标准层建筑平面图。根据本塔楼平面布置特征，在建筑物端部两侧设置了钢筋混凝土剪力墙，并在电梯井及楼梯间处设置钢筋混凝土剪力墙一起形成组合抗侧力构件。钢筋混凝土的底部加强部位的高度，从地下室顶板算起，取底部2层和墙体总高度的1/10二者的较大值：即底部加强部位取底部3层，高度为13.3m。

图1 塔楼典型标准层建筑平面图

4.3 消防设计

针对消防方面，首先要优化消防结构的设计。为确保建筑居民的人身财产安全，消防设计理念以防为主，也可以设置消防应急措施，确保最大程度的消防安全。消防设计中防火间距很重要，一定要根据相关规范要求进行合理设置。还要根据建筑所在地的地形条件进行设计，以提高该高层建筑与环境的协调性。为了避免火灾发生时产生的人员疏散问题，一定要设置合理的疏散通道、防烟区和紧急避难场所。一要考虑防火墙、防火门和防排烟设备的设计，设计有效合理并且安全可靠的消防结构，以降低高层建筑的破坏程度，保证居住者的人身财产安全。

4.4 抗震设计

对于地震方面的设计，主要是要优化抗震结构。抗震问题，在高层建筑结构设计中的地位是不可小觑的。高层建筑本身的高度，使得其建筑要求较高，要优化设计建筑结构的构件位置，使得结构压力均匀分给每个构件，不会出现承压不均而导致地震时的严重破坏。对于非结构构件也要考虑其材料的安全性能。高层建筑的地震结构设计，最重要的是对地基的选择与设计，地基是建筑的根本，一旦发生破坏，上部结构将无所依靠。因此在进行结构设计时，必须重视地基的设计，优化其抗震能力，设计出既节省材料又安全可靠的地基。以确保建筑物有足够的强度和刚度抵抗地震的危害。在确保地基的强度后，还要考虑剪应力的问题，采取强柱弱梁、加强梁柱节点抗震构造措施、设置抗震墙等措施来抵抗水平剪力。建筑物在此基础上还要考虑对称性和稳定性，尽量减少地震灾难的影响。

4.5 抗风设计

抗风方面的问题，对策是优化抗风结构。抗风结构设计要综合考虑多种因素，确保建筑物的抗风能力。抗风结构中对其结构进行基础的设计时要保证在风荷载作用下的稳定性。确保地基稳固的重要性不仅在抗震中有所体现，对抗风载也起到重要作用。减振体系在高层建筑中的应用受到广泛欢迎，减震系统可以减少风荷载对建筑物的影响，减振系统的选材将起到巨大作用，因为有些阻尼材料的应用将大大提高高层建筑的抗风能力。要严格按照规范设计抗风结构，采取措施减小风力在建筑物上的叠加和增强，优化结构设计，以减小普遍且危害颇多的风压破坏，为建筑物的安全性能提供安全保证。

4.6 构件设计

据内力计算组合结果，即可选择各截面的最不利内力进行梁柱截面设计。设计公式为S≤R和S≤R/yRE（地震作用参与的组合）。柱的截面设计考虑强度、刚度、平面内整体稳定、平面外整体稳定以及局部稳定等方面。主梁设计模型按多跨连续梁考虑。截面设计考虑强度、刚度、局部稳定等方面（由于采用压型钢板组合楼板，且有牢靠的连接，故不必验算整体稳定），次梁截面按两端简支考虑，由强度、刚度、稳定等综合确定。

4.7 工程地基与基础设计问题

楼层越高，其对于地基的承载力的要求也就越高，这就意味着越高的楼层对于地基的要求要就越高，因而在进行高层建筑的设计时一定要重视其地基的设计。此外钢筋混凝土建筑的地基基础还影响着工程的造价，因而在进行高层钢筋混凝土建筑时一定要对于建筑当地的相关规章制度加以研究学习，以免在设计时由于认识上的不足对于工程的建筑设计造成不必要的影响。高层钢筋混凝土建筑的设计是一项极为复杂的工程，在设计的过程中任何一个环节的遗漏或是失误都会导致设计方案存在问题，会导致建筑存在安全隐患。

5 结束语

钢筋混凝土结构需要有才能的建筑行业者努力将施工技术精益求精，在精确的基础上，尽量减少地区差异，将我国建成城市化、国际化的国家。同时对具有地方特色的建筑进行保护和传承。在此，希望各位同行在建筑行业不断的总结出更加科学的施工技术，并积极的吸取国外先进的施工技术，向其他同行传播先进的技术，我们共同进步，为我国高层建筑的发展做出贡献。另外，在学习先进技术的同时，创新为施工技术的发展增添活力，只有不断创新，才能立于世界高层房屋建筑技术的前沿。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

TU973+.12

：A

：1673-0038（2015）05-0001-02

2014-12-10

刘晓光（1983-），男，工程师，本科，主要从事结构设计工作。