高层建筑混凝土结构设计分析

张环

摘要：随着城市化建设的不断推进，使得高层建筑日益增多，而混凝土结构作为高层建筑结构的重要形式，对于保障高层建筑工程安全非常重要，基于此，本文阐述了混高层建筑混凝土结构设计原则及其要求，对高层建筑混凝土结构设计要点进行了探讨分析。

关键词：高层建筑;混凝土结构;设计原则;设计要求;设计要点

一、高层建筑混凝土结构设计原则的分析

高層建筑混凝土结构设计原则主要表现为：第一、整体性原则。混凝土结构设计的整体性是指把各个部分组成一个整体，研究整体的功能和设计规律，从整体和部分中发现整体的特征。第三、整合性原则。混凝土结构设计中存在差异整合，使建筑各个部分合理的组合在一起，差异的部分相互互补，相互支持，保证着整合后的性能。第二、结构性原则。在混凝土结构设计过程中，要充分了解其结构与各要素是非常重要的。混凝土结构决定着建筑的性能和质量，同时它也是性能的载体，还可以反作用于结构。

二、高层建筑混凝土结构设计要求的分析

高层建筑混凝土结构设计要求主要体现在：（1）扭转要求。混凝土结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用发生扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能使建筑物做到三心合一。在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀，减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内。（2）侧向位移限值要求。高层建筑混凝土工程结构的水平位移随着高度增长而迅速变大，为防止位移过大，规范对顶点位移和层间位移都作了限制。控制顶点位移u/h的主要目的是保证建筑内人体有舒适感和防止房屋在罕遇地震时倒塌。但控制房屋在罕遇地震时倒塌与否的条件是结构极限变形能力而不是u/h限值。另外，为使结构具有较好的防倒塌能力，应在结构计算中考虑相关效应。（3）控制荷载要求。高层建筑需要承受地震、风力等水平荷载以及雪载、活载、自重等垂直荷载，低层建筑结构设计可以忽略水平荷载的位置和内力，但是对于高层建筑，水平荷载产生的位移和内力不断增大，为了确保高层建筑的牢固性和稳定性，必须严格控制荷载变化。

三、高层建筑混凝土结构设计要点的分析

1、合理选择混凝土结构体系。高层建筑混凝土结构体系的选择应从建筑、结构、施工技术条件、建材、经济等各专业进行综合考虑。比如，第一、结构规则性问题，在规范中有相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此结构工程师在遵循规范规定上必须格外注意，避免后期施工图设计阶段工作的被动。第二、结构超高问题。在抗震规范与高规中，对结构总高度都有严格限制，除将原来的限制高度设定为A级高度建筑外，还增加了B级高度建筑，因此必须对结构高度严格控制，一旦结构为B级高度建筑或超过了B级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。高层建筑结构规范新旧版本有着很大的不同，在新规范中，对于结构的限制条件也有所增加，并且新规范明文规定建筑不应采用严重不规则的设计方案。

2、高层建筑混凝土结构的基础设计要点。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，故高层建筑基础应该埋置一定深度来保证结构的稳定性。

3、高层建筑混凝土结构的上部结构设计要点分析。具体体现在：（1）混凝土结构中的柱设计要点分析。地震作用下的框架短柱刚度大，吸收较大的地震力，极易产生剪切破坏而形成结构抗震薄弱部位。因此在框架结构的双跑板式楼梯设计时，为避免“框架短柱”的形成，应采取下列措施：一是采用复合箍筋沿柱全高加密的方式处理，同时保证短柱的纵向钢筋对称布置，且每侧的纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。二是通过提高构件受剪承载力和受压承载力的方法来改善短柱的抗震性能，主要措施有在柱中配置螺旋箍筋、普通复合箍筋，加强对混凝土的约束，使混凝土的抗压强度得到提高，从而防止构件在大剪压比情况下发生剪切破坏。（2）混凝土结构中的梁设计要点。由于地震作用、风荷载等水平力的作用，往往使得框架粱的梁端负弯距远大过跨中正弯距。因此为了避免框架粱负筋过多过密，在设计中往往都应将框架粱的负弯距乘以一个0.85左右的调幅系数进行调幅，减少粱端负弯跑，并使跨中正弯距相应增加，做到粱的上下配筋均匀一致。同时当不计算活荷载或不计算活荷载不利布置时，可通过此参数调整梁在恒活荷载作用下跨中正弯矩，一般取1.1～1.2。（3）剪力墙结构设计要点分析。高层建筑应有较好的空间工作性能，剪力墙结构应双向布置，形成空间结构。在设计中若框剪结构剪力墙布置不均匀，单肢刚度过大的剪力墙经常出现，从而导致应力的过度集中，造成剪力墙的部分破坏。因此应该通过设计有选择地连接两片剪力墙，从而保持建筑物延性的连梁破坏，从而使柱子的完整性得以保证，这就是我们说的延性设计和连梁设计。设计要点是一方面为加强塑性铰区的塑性转动能力，及防止混凝土压溃前受压钢筋过早压屈，我们应在在梁的两端设置箍筋加密区。同时为防止粘结破坏，可以在设计中采取措施使塑性铰外移，将塑性铰从柱面移开一定距离，从而避免梁端钢筋屈服后向核心区发展。

四、结束语

综上所述，混凝土材料在高层建筑工程建设中得到广泛应用，并且高层建筑混凝土结构有着较高的强度以及荷载能力，可以有效保证高层建筑的结构稳定，因此对高层建筑混凝土结构设计进行分析具有重要意义。

参考文献：

[1]徐铨.高层建筑混凝土结构设计探讨[J].装饰装修天地，2016.

[2]陈同舟.分析高层建筑钢筋混凝土结构设计问题[J].建材与装饰，2018.

[3]王庆等.关于高层建筑混凝土结构设计应注意的问题分析[J].世界家苑，2017.

（作者单位：泰华欣业（天津）建筑设计有限公司）