高层建筑混凝土结构设计

常金凤

摘要： 高层建筑结构与多层建筑在结构概念设计、整体稳定性、构件截面的选择、重要部位的延性和整体的结构体系设计都大不相同，两者设计特点也不尽相同。本文主要分析高层结构混凝土结构设计中的主要设计特点，总结了在相关设计过程中容易出现的一些遗漏和错误，结合自身的经验和体会，提出了相应的注意事项及结构优化措施。

关键词： 高层建筑；混凝土；结构设计；建筑结构；建筑设计

引言：高层建筑因其高度及层数的增多，使其在具有传统多层建筑结构设计的特点外，还具有高层建筑结构独有的特点。结构概念设计及结构方案的选取显得更为重要，由于建筑高度及层数增加，结构所受地震作用及风荷载更加突出，成为结构设计的控制荷载，因此高层结构设计中更加注重结构的抗侧力体系设计。

1 高层建筑结构体系的选择

1.1 高层结构体系分类

高层常用的主体结构体系为钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构，结构类型有筒中筒、框架-核心筒以及其他组合结构，根据需要可设置带加强层。楼盖结构宜采用预应力或非预应力扁梁、宽扁梁，大开间平板或压型钢板组合楼板等有利于减少楼盖高度的结构形式。

1.2 高层结构体系选用原则

对于超高层结构，水平风荷载和地震作用是控制结构设计的主要因素，竖向荷载所需结构材料的数量与层数成线性关系增加，抵抗水平荷载所需结构材料的数量与高度成指数关系增加。因此，选择结构体系时应选择最高效的抗侧力结构体系。在选择结构体系时除了要考虑荷载作用的影响外，还应考虑非荷载作用的影响，例如混凝土徐变收缩、温度变化、地基差异沉降等使结构内部变形对结构产生的不利影响。结构体系选用的基本原则为：结构在竖向重力荷载作用下受力均匀；平面均匀、体型简单，结构刚度、质量沿竖向均匀变化，结构有足够的抗扭刚度。

2 高层建筑的混凝土结构设计特点及要点

2.1 高层建筑混凝土结构设计的特点

相比于多层建筑，高层建筑由于其建筑高度大，层数多，其结构的抗震设计、抗侧力构件的布置和构件承载力设计等各方面都有所不同。在结构设计中，需要设计师具有丰富的设计经验，清晰的结构概念，从宏观到微观把握好整体结构的设计思路，从结构的整体指标计算具体到某一个构件的配筋都要认真仔细做好设计。结构侧向力：在多层建筑中，水平地震作用及风荷载相对较小，不是主要控制荷载；但在高层建筑中，侧向水平力随高度增加而逐渐增大；结构的延性：高层建筑由于高度的增加，需要更好的结构延性来消耗及抵抗地震作用，这样整个建筑结构在水平地震作用下，才能具有良好的变形能力和耗能机制，为人们在地震发生时争取更宝贵的逃生时间。结构的刚度：高层建筑的结构高度越大，层数越多，自身质量也就越大，随之而来的就是结构所受水平地震作用也逐渐变大，结构的侧向位移与其所受水平力为线型关系。因此在对高层建筑结构竖向构件设计时，需要合理的布置其数量和位置，使整体结构具有合适的抗侧力刚度，降低结构的侧向位移满足正常使用极限状态的要求，结构刚度不宜过刚或过柔，不宜出现刚度突变等不利因素。

2.2 高层建筑混凝土结构设计的要点

2.2.1 高层建筑结构设计应注重概念设计

传统教育方式使结构工程师对结构总体的方案不够关注，首先考虑细节问题，认为结构设计就是规范+计算，只包括强度和变行的计算，而忽略了结构整体的概念设计，概念设计应该在结构设计中占有重要的地位，是影响后期结构设计、工程造价、结构安全的主要因素，因此应该引起广大工程师的重视。做好结构概念设计，要求设计师应该首先从建筑结构的总体方案设计入手，从宏观上把握好该结构设计的方向及自己想要实现的设计目标，确定好结构所需要的理想承载力、刚度和延性的目标，在总体设计目标的知道下，进行结构方案布置，整体指标计算，构件内力计算等工作，由宏观到微观，由整体到局部的设计方向来完成高层建筑的结构设计。

2.2.2 高层建筑结构设计应该刚柔结合，并设置多道防线

结构设计不应一味追求加大结构的整体刚度来抵抗地震作用，这样不仅会造成浪费，而且还可能对结构造成很大危害。结构设计时应考虑使结构具有一定的刚度和承载力来抵抗地震作用及风荷载，在多遇地震下结构应处于弹性工作状态，在第一道防线屈服后，使结构具有足够大弹塑性变形能力和延性来消耗地震作用。然后根据多道设防目标，再从具体的结构整体设计中满足要求。

3 高层建筑混凝土结构设计的注意事项

3.1 高层建筑基础设计

高层建筑因其结构层数多，荷载大，基础设计等级高等因素，因此在结构设计中不应忽视基础设计，基础选型应根据地质勘查报告，因地制宜，选用合理的基础形式。高层剪力墙结构因其上部荷载较大，多选用筏板基础或者桩基础。基础设计不仅要满足承载力的要求，地基的沉降也是高层建筑必须要验算的指标，应选用地质条件好的土层为地基持力层，选取整体刚度好的基础形式，来减小高层建筑的沉降差，沉降量，来达到工程的要求。最后，高层建筑受水平荷载影响较大，容易产生结构的倾覆，故高层建筑的基础埋深不能过浅，这点设计师容易忽略，造成严重后果，基础应该埋置一定深度来保证结构的稳定性。

3.2 选择合理结构嵌固端

由于嵌固端的位置选取会对结构整体指标和内力配筋产生很大影响，所以在对结构进行设计和计算时，需要根据土体约束、上下层结构刚度来合理的确定结构嵌固端的位置，使计算模型符合实际情况。

3.3 其它需要注意问题

结构的传力路徑应简单直接，尽可能避免结构出现连续倒塌的情况；应尽可能使结构质心与刚心靠近，避免在地震力及风荷载作用下产生的扭转影响；结构竖向抗侧力构件应该尽量连续，避免出现刚度突变，软弱层和薄弱层的出现[1]。

4 高层建筑混凝土结构设计的优化

4.1 优化建筑整体结构的方案布置，合理布置结构抗侧力构件的平面位置、构件截面尺寸、避免出现结构的偏心、扭转、刚度突变等情况，最大限度的发挥结构构件的承载能力和抗震延性，不宜出现部分构件承载力接近极限，部分构件还未充分发挥承载力得情况。对于剪力墙的布置，可以采取周边、均匀、对称的原则来布置，在竖向上宜尽量连续，避免出现承载力和刚度的突变[2]。

4.2 把握好建筑整体结构的延性设计，充分发挥结构的耗能能力，避免结构出现脆性、瞬时的破坏。在遭遇罕遇地震和较强的水平风荷载时，高层建筑由于自身高度较大的因素，结构就需要足够的抗侧刚度和良好的延性来抵抗水平荷载[3]。允许结构部分构件首先出现塑性铰，这样就可以不断的消耗掉地震的能量，避免重要构件发生破坏，造成严重后果。在设计过程中，一定要把握好关键结构构件的延性设计，如竖向抗侧力构件、传递水平力构件。把握好结构的延性设计，不仅能在地震下保证结构安全，也能减少工程造价。

结束语：

为了应对飞速发展的城市化运动，提高土地利用率，高层建筑得到了广泛运用和蓬勃发展。高层建筑具有其自身复杂性及特殊性，现阶段高层建筑结构设计的相关经验和技术措施都有了很大的发展。在此基础上，新技术、新材料的不断出现，使人们可以向更高、更复杂的建筑方面进行探索，高层建筑结构未来的发展空间还很大，需要设计师们进一步的发展和完善，争取获得更好的社会效益。

参考文献

[1]张瑾.浅议高层建筑混凝土结构方案设计与优化[J].山西建筑，2018，44（17）：51-53.

[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）：329.

[3]张庆国，丁海英.完善高层建筑混凝土结构设计的探讨[J].科技与企业，2013（10）：254.