高层建筑混凝土结构优化设计分析研究

2020-11-25梁嘉

建材发展导向 2020年19期

梁嘉

（武汉市给排水工程设计院有限公司，湖北武汉 430034）

1 高层建筑混凝土结构优化设计的基本原则

1.1 从根本上有效满足高层建筑混凝土结构的功能要求

首先，充分保证整体结构的安全性，这是结构优化设计过程中首先要考虑的问题，保证整个生命周期能够有效地抵抗各种外部因素的影响和干扰，同时，在意外因素发生的时候和之后，为保证整体混凝土结构更安全稳定，能承受外力的影响，应保持其性能和质量。其次，要全面提高高层建筑混凝土结构的适用性，使整体结构在既定的生命周期内完全满足使用要求。经过时间的积累，整体结构的变形程度、墙体裂缝等相关性能都能保持在优良的状态，具有应有的安全性和稳定性，不会超过限值标准。最后，要充分保证混凝土结构的耐久性得到显著提高，使整体结构在既定范围内不会削弱其耐久性，满足相应的设计要求和技术标准，从根本上有效地避免了由于外界因素的影响而造成的结构严重腐蚀问题。

1.2 从根本上有效提升高层建筑混凝土结构的可靠性

高层建筑混凝土结构的可靠性主要是指高层建筑的混凝土结构在标准条件和规定的时间内，能够充分表现出预定的功能和应具有的相关性能。可靠性体现在高层建筑在特定的使用年限内满足相应的使用要求，并通过相应的技术手段进行加固改造，使这种高层建筑得到有效的应用，发挥其应有的价值。

2 高层建筑混凝土结构优化设计分析

2.1 合理布置建筑平面结构

高层建筑的平面布置结构对建筑物的抗震性能有很大的影响，抗震性能是所有建筑设计时必须注意的基础性工作。在具体设计工作中，要按照高层建筑的原则、要求和标准进行设计，注意混凝土结构材料对建筑抗震性能的影响，根据建筑层高选择合理的抗震等级。一般来说，简单、对称、规则的建筑结构可以提高建筑的整体抗震能力，消耗部分地震释放的能量，可以很好地削弱地震的延伸效应，减少地震对高层建筑的破坏。对于多塔结构和塔顶结构，要掌握振型数，合理控制其尺寸，做好设计资料核算，严格按照标准规范的设计要求，遵循抗震设计理念，并在满足建筑施工要求的基础上，尽量选用规则性强的平面结构，以提高高层建筑混凝土结构的抗震性能。

2.2 选择有效的抗侧力结构形式

高层建筑抗侧力结构体系可以提高建筑物的水平抗震性能。在日常混凝土结构设计中，需要考虑建筑功能、高度、结构等因素，选择有效的抗侧力结构形式。当建筑高度小于50m，内部空间要求较高时，混凝土结构抗震体系可选用框架结构，以充分利用框架结构的柔性空间；当建筑高度在100m左右时，为保证高层建筑混凝土结构刚度满足规范要求，结构水平位移小，可选用剪力墙结构；对于建筑空间和结构等级，为了满足高层建筑的功能要求，可以选择剪力墙结构，结构的抗侧力刚度可以达到标准。

2.3 根据建设要求选择基础类型

高层建筑的地基需要承受上部结构的全部重量。其选型需要根据水文地质勘察资料对施工区进行综合分析，对上部结构形式、荷载等要素建立较为科学的基础形式。此外，高层建筑的基础类型将直接影响到建筑的安全、功能和成本，因此必须慎重对待，选择科学有效的基础方案。建筑楼层数量少，荷载小，施工区水文地质因素水平较好，可以选择独立的基础和条形基础，经济性高，方便，建筑层多，荷载大，施工区水文地质要素存在较大问题，可通过桩基础的摩擦和桩端选择桩基础，承载力向上传递荷载；如果建筑楼层较多，施工区水文地质条件优越；或楼层数量较少，地基承载层土壤质量差，筏式混凝土基础可用于增加高层混凝土结构与下部承重层之间的基础面积，减少土层单位面积荷载，提高地基的整体承载力。

2.4 高层建筑混凝土结构计算与分析

在计算高层建筑整体结构时，应首先控制以下参数：1）剪重比。控制各楼层的最小地震剪力，以保证建筑结构的安全。如果剪重比太小，则说明建筑物底部的剪力太小。此时，应注意结构的稳定性和结构的位移，以保证它们满足规范的要求；2）刚度比。控制竖向结构的规则性，防止刚度突变；3）位移比。为了防止扭转，应控制平面结构的规则性。位移比是刚体中心与质心偏离程度的反映。在建筑设计中，要做好平面布置规则和对称平面，尽可能保证刚性中心与质心重合；4）周期比。控制了结构的扭转效应。对于第一个自振周期，高层建筑以结构扭转为主的自振周期与以平动为主的自振周期之比控制在0.9以内，甲级建筑控制在0.85以内。扭转效应是扭转刚度与侧向刚度关系的反映；5）层间抗剪承载力之比。控制建筑物竖向结构的不规则性。

首先，对多塔结构和开槽结构进行了计算。随着建筑业的发展，多塔楼、大底盘的高层建筑越来越多。在这类建筑的计算分析中，我们既可以把建筑结构看成一个整体，在此基础上，可以按照多塔式建筑进行设计计算工作，也可以人为地将建筑结构划分出来单独计算。需要注意的是，如果采用后一种计算方法，则可能会导致建筑基础与下台之间存在较大的计算误差，不能考虑各塔结构之间的相互作用。