民用高层钢筋混凝土建筑结构设计优化探究

2024-06-10武鹍

建材与装饰 2024年14期

武鹍

（山西省安装集团股份有限公司，山西太原 030000）

1 民用高层钢筋混凝土建筑结构设计优化的关键意义

1.1 提高结构安全性和稳定性

结构安全性和稳定性是高层建筑设计的首要目标，它直接关系到人们的生命财产安全和社会稳定。钢筋混凝土结构设计优化可以通过合理选择结构形式、调整构件尺寸和配筋、增加结构冗余度和延展性等措施，提高结构的抗震能力、抗倾覆能力、抗变形能力和抗裂能力，从而降低结构在地震、风荷载、温度变化等不利作用下的破坏风险[1]。例如，剪力墙是高层钢筋混凝土建筑中常用的抗侧向力的主要构件，通过优化剪力墙的布置位置、长度、形状和开洞等参数，可以提高剪力墙的刚度、延性和承载力，从而提高整个结构的刚度和延性。

1.2 降低工程造价和材料消耗

工程造价和材料消耗是高层建筑设计的重要考量因素，它们直接影响到建设投资和环境保护。钢筋混凝土结构设计优化可以通过合理确定荷载标准、精简构件数量和截面尺寸、提高材料利用率和强度等措施，降低工程造价和材料消耗，从而节约资源和资金[2]。例如，框架柱是高层钢筋混凝土建筑中常用的承重构件，通过优化框架柱的布置位置、截面尺寸和配筋等参数，可以降低框架柱的轴压比和配筋率，从而降低框架柱的自重和钢筋用量。

1.3 提升建筑美观性和适用性

建筑美观性和适用性是高层建筑设计的重要目标之一，它们直接影响到人们的审美情趣和生活质量。钢筋混凝土结构设计优化可以通过合理协调结构与建筑功能、空间、形式等因素，提升建筑美观性和适用性。例如，楼板是高层钢筋混凝土建筑中常用的承受垂直荷载的构件，通过优化楼板的厚度、形式和开洞等参数，可以提高楼板的刚度和承载力，从而减少楼板的挠度和裂缝，提高楼板的平整度和耐久性，同时也可以增加楼板的空间利用率和灵活性[3]。

2 民用高层钢筋混凝土建筑结构设计的基本原则

2.1 结构平面布置原则

结构平面布置是高层建筑结构设计的重要内容，它直接影响到结构的受力状态、刚度分布、稳定性和抗震性能。结构平面布置的基本原则是尽量避免结构扭转和局部应力集中，平面宜简单、规则、对称，刚心与质心或形心重合。例如，对于框架-剪力墙体系的高层建筑，应尽量将剪力墙沿两个主方向均匀布置，并使剪力墙在各层保持一致，以提高结构的抗侧向力能力和抗扭转能力。

2.2 结构竖向布置原则

结构竖向布置是高层建筑结构设计的重要内容，它直接影响到结构的承载力、刚度和变形。结构竖向布置的基本原则是要求结构的侧向刚度和承载力自下而上逐渐减小，变化均匀、连续，不突变，避免出现柔软层或薄弱层。例如，对于框架－核心筒体系的高层建筑，应逐渐减少核心筒的厚度和截面尺寸，并在适当位置设置过渡层或刚性楼板，以保证核心筒与框架之间的协同工作和整体稳定。

2.3 耐久性设计原则

耐久性设计是高层建筑结构设计的重要内容，它直接影响到结构在设计工作年限内的使用性能和维护成本[4]。耐久性设计的基本原则是根据结构的用途、结构暴露的环境和结构设计工作年限，采取保障混凝土结构耐久性能的措施，如合理选择混凝土强度等级、水泥品种、掺合料和外加剂、钢筋品种和防腐措施、混凝土保护层厚度等，并控制混凝土的含水率、氯离子含量、碱活性骨料反应等。例如，对于暴露在海洋环境中的高层建筑，应采用高强度、低渗透性的混凝土，使用防腐钢筋或涂层钢筋，并增加混凝土保护层厚度，以防止钢筋锈蚀。

2.4 节能与环保原则

节能与环保是高层建筑结构设计的重要内容，它直接影响到结构的资源消耗和环境影响。节能与环保的基本原则是在满足结构安全性和适用性的前提下，尽量降低结构的自重和材料消耗，提高材料利用率和强度，使用再生材料和低碳材料，减少结构对环境的污染和破坏。例如，对于高层建筑，应尽量采用轻质骨料混凝土、空心楼板、钢管混凝土柱等结构形式，以降低结构自重和地基承载力；应尽量采用高强钢筋、高强混凝土等材料，以降低配筋率和截面尺寸；应尽量采用工业废渣、粉煤灰、矿渣等掺合料和外加剂，以降低水泥消耗和碳排放[5]。

3 民用高层钢筋混凝土建筑结构设计的不足之处

3.1 忽视结构与地基的相互作用

结构与地基的相互作用是高层建筑设计中一个重要而容易被忽视的问题，它会影响到结构的受力状态、变形特征和稳定性。由于高层建筑的自重和荷载较大，以及地基的非均匀性和非线性，结构与地基之间会产生相互影响的力和位移，从而导致结构的应力分布、刚度分布、挠度分布和裂缝分布等发生变化。如果在设计中忽视了这种相互作用，可能会造成结构的过度或不足设计，从而降低结构的安全性和经济性。例如，某高层钢筋混凝土建筑在设计时没有考虑结构与地基的相互作用，导致地基沉降不均匀，造成结构产生倾斜和扭转，引起楼板开裂、墙体开裂、门窗变形等问题[6]。

3.2 缺乏结构整体性和协调性

结构整体性和协调性是高层建筑设计中一个重要而容易被忽略的问题，它会影响到结构的抗侧向力能力、抗震能力和抗变形能力。由于高层建筑的高度较大，以及结构形式和构件类型的多样性，结构整体性和协调性要求较高，需要保证各部分结构之间有足够的连接刚度、连接强度和连接延展性。如果在设计中缺乏对结构整体性和协调性的考虑，可能会造成结构在侧向荷载或地震作用下产生剪切滞后、滞回曲线退化、连接破坏等现象，从而降低结构的抗侧向力能力、抗震能力和抗变形能力。例如，某高层钢筋混凝土建筑在设计时没有考虑框架与剪力墙之间的连接刚度和强度，导致在地震作用下框架与剪力墙之间产生相对位移过大，引起连接处开裂、脱落等问题[7]。

3.3 忽视非线性效应和随机效应

非线性效应和随机效应是高层建筑设计中一个重要而容易被忽视的问题，它会影响到结构的受力分析、变形分析和稳定分析。由于高层建筑的高度较大，以及结构材料、荷载和环境的不确定性，结构的非线性效应和随机效应要求较高，需要考虑结构材料的非线性、结构构件的非线性、结构荷载的随机性、结构环境的随机性等因素。如果在设计中忽视了这些非线性效应和随机效应，可能会造成结构的受力分析、变形分析和稳定分析的不准确，从而导致结构的安全系数和可靠度的降低。例如，某高层钢筋混凝土建筑在设计时没有考虑结构材料的强度退化和蠕变效应，导致在长期荷载作用下结构产生过大的变形和裂缝，影响结构的使用性能和耐久性。

4 民用高层钢筋混凝土建筑结构设计优化的具体策略

4.1 选择合理的结构体系

结构体系是指建筑物承受荷载和传递内力的整体组织形式，它直接影响着建筑物的稳定性、刚度、延性、可靠性等。选择合理的结构体系，是优化钢筋混凝土结构设计的第一步。

根据不同的高度范围和功能要求，钢筋混凝土结构体系可以分为框架结构、框架－剪力墙结构、核心筒－框架结构、管状结构等。其中，框架结构适用于低层和中低层建筑，其特点是布置灵活，但刚度较小，变形较大；框架－剪力墙结构适用于中高层建筑，其特点是刚度较大，但剪力墙占用空间较多，影响采光和通风；核心筒－框架结构适用于高层和超高层建筑，其特点是核心筒提供较大的刚度和稳定性，框架提供较好的延性和抗震性；管状结构适用于超高层建筑，其特点是整体刚度大，抗风性能好，但施工难度大。

案例说明如下：某办公楼为30 层钢筋混凝土框架－剪力墙结构，平面尺寸为60m×40m，楼层高度为3.6m。为了提高该建筑的刚度和抗侧力能力，在中心区域设置了两个长12m×宽8m 的剪力墙，并与周边框架柱相连。通过计算分析，该结构体系满足了规范要求的抗震性能指标和变形控制指标[8]。

4.2 优化截面尺寸和配筋方案

截面尺寸和配筋方案是影响钢筋混凝土结构强度、刚度、延性、开裂等性能的重要因素。优化截面尺寸和配筋方案，是提高钢筋混凝土结构设计效率和经济性的有效手段。

在优化截面尺寸和配筋方案时，应遵循以下原则：①满足强度和稳定性要求，保证结构的安全性。②满足刚度和变形要求，保证结构的使用性。③满足延性和抗震要求，保证结构的抗震性。④满足耐久性和开裂要求，保证结构的耐久性。⑤尽量减少截面尺寸和钢筋用量，降低结构的自重和造价[9]。

案例说明如下：某住宅楼为10 层钢筋混凝土框架结构，平面尺寸为40m×30m，楼层高度为3m。为了优化该建筑的截面尺寸和配筋方案，采用了以下措施。

（1）根据荷载分布和内力传递规律，合理确定了柱子的布置位置和数量，使得柱子受力均匀，减少了柱子的截面尺寸。

（2）根据不同楼层的荷载水平和变形要求，分别采用了不同的梁截面高度，使得梁的刚度逐层递减，减少了梁的变形。

（3）根据不同截面的受力特点和抗震要求，合理选择了钢筋的型号、直径、数量和分布方式，使得钢筋与混凝土协同工作，提高了截面的强度、刚度和延性。

（4）根据不同部位的开裂敏感程度和耐久性要求，合理控制了钢筋的含量、间距和保护层厚度，使得开裂宽度符合规范限值，提高了结构的耐久性。通过计算分析，该优化方案节省了约10%的钢筋用量和5%的混凝土用量。

4.3 应用新型材料和技术

新型材料和技术是提高钢筋混凝土结构设计水平和创新能力的重要途径。应用新型材料和技术，可以改善钢筋混凝土结构的性能，拓展钢筋混凝土结构的应用范围，提升钢筋混凝土结构的美观度。

目前，针对钢筋混凝土结构存在的一些问题和不足，已经发展出了一些新型材料和技术，如高强钢筋、高性能混凝土、预应力技术、外加剂技术、纤维增强技术、复合材料技术等。这些新型材料和技术可以有效地提高钢筋混凝土结构的强度、刚度、延性、耐久性等，并且可以实现一些特殊的功能或效果，如自密实、自修复、自清洁、隔震、隔音等[10]。

案例说明如下：某酒店为40 层钢筋混凝土核心筒－框架结构，平面尺寸为80m×60m，楼层高度为4m。为了应用新型材料和技术，提高该建筑的性能和美观度，采用了以下措施：①在核心筒和框架柱中使用了高强钢筋，提高了结构的承载力和抗震性能。②在核心筒和框架梁中使用了高性能混凝土，提高了结构的刚度和耐久性。③在核心筒的顶部设置了预应力索，增加了结构的稳定性和延性。④在外墙面层使用了自清洁混凝土，降低了建筑的维护成本和环境污染。⑤在部分楼层设置了隔震支座，减少了地震对建筑的影响。通过计算分析，该应用方案提高了约20%的结构性能指标和10%的结构美观度指标。