高层建筑混凝土结构设计浅析

　　摘要：本文阐述了高层建筑中混凝土结构的优化设计的原则，探讨了高层建筑混凝土的结构设计。

　　关键词：高层建筑；混凝土；结构设计；原则

　　Abstract: this article expounds the concrete in the high-rise building structure optimization design principle, and probes into the concrete structure design of high-rise building.

　　Keywords: high building; Concrete; Structure design; principle

　　随着我国人民生活水平的逐步提高，在日常生活中由于振动致使的人体的舒适问题逐渐体现出来。 所以，在建筑结构设计时，可以充分发挥建筑材料的力学特性，以获得理想的降低造价设计。但是，现代房屋居民对房屋的要求较高，常常抱怨振动等引起的舒适性问题。 这就要求设计者还要通过动力结构的设计优化达到有效控制房屋的共振，降低震动对人们日常生活的影响，增强人们对建筑物结构设计的信任度和稳定性。

　　一、高层建筑中混凝土结构的优化设计的原则

　　高层建筑的结构在设计、 施工和使用维护的条件下主要有以下三方面要求：第一，安全性。 高层建筑的结构在设计和合理使用的年限内应该能够承受各种可能出现的突发情况。 而且在遭受偶然事件后，建筑物的结构应该能够保持必要的稳定性。 第二，耐久性 。高层建筑的结构在设计的使用年限内应该具备移动耐久性。 如不得出现过宽裂缝导致建筑钢筋锈蚀、 保护层的厚度也不得太薄等。 第三，适用性。 高层建筑的结构设计在其合理使用的年限内应该能够满足使用要求，具备良好的抗变形 、抗裂缝或者抗振性能。

　　二、高层建筑混凝土结构设计

　　1、超长结构的温度变形和混凝土干缩变形

　　钢筋混凝土结构是建筑工程的关键部位， 设计标准中对此提出的规定涉及到室内条件下现浇结构的伸缩缝间距需严格控制，框架结构间距最大不超过55m， 而现浇剪力墙结构伸缩缝的最大间距45m。 若处于露天环境时， 混凝土结构伸缩缝的间距更要严格控制， 运用这样的工程结构主要能处理好两方面的问题。

　　（1）干缩裂缝

　　当现浇混凝土在凝固硬化过程中常会出现收缩应力， 整个结构则会出现干缩裂缝， 该结构形式越长， 则造成的干缩裂缝越大。

　　(2)结构控制

　　超长结构的运用应当符合工程当地的季节变化, 大气温度的变化将造成结构出现热胀冷缩， 这样很容易导致结构出现温度裂缝。另外， 结构越长， 则温度产生的作用越大， 这在许多建筑工程里是很难避免的问题。 若参照工程规定的要求布置伸缩缝， 常会造成双墙、 双柱、 双梁， 对高层建筑的立面处理防水构造会造成很大的不便。 考虑到有效处理超长结构混凝土干缩裂缝的问题， 当前工程单位主要采取的措施为分布混凝土后浇带， 把大的楼板面积划分成小的区格， 第一步结合混凝土浇筑小的区格 ，在小区格混凝土干缩变形结束后对区格之间的预留带进行浇筑。 此方法能有效防范干缩裂缝的出现 ，维持了建筑结构的正常性 。需要注意的是， 后浇带不得取代结构的温度伸缩缝， 这是由于后浇带混凝土硬化后， 楼板会变成较长的整体 ，后浇带则发挥不了应有的作用。建筑资料提到，受到温差因素的影响 ，结构的应力变化具有一定的规律， 具体为：（a） 高层建筑屋面或屋面下1 层--2 层应力大；（b）往下逐渐降低， 同一层楼板处中间的应力大， 两边则相对较小；（c） 对剪力墙两端的应力大， 中间的相对较小；（d）山墙来讲顶部的几层的拉应力大；（e） 结构刚度变化多的一层应力大， 例： 结构转换层上面的那一层 。

　　鉴于这些实际的规律状况， 超长结构需配合下列处理方法， （a）对屋面 、外墙面的保温隔热进行处理， 防止阳光给结构带来的辐射；（b） 温度应力大的位置需做好配筋， 温度钢筋的布置需合理；（3） 屋顶外露挑檐板、 女儿墙等构件需在适当位置分布一道缝， 一般每隔15m，缝宽20mm， 缝内纵向钢筋无需断开。

　　2、结构计算与分析

　　（1）结构整体计算的软件选择。 由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同 。所以，在进行工程整体结构计算和分析时，必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件。 对计算结果的合理性、 可靠性进行判断是十分必要的，是结构工程师最主要的任务之一，这项工作要以结构工程师的力学概念和丰富的工程经验为基础。

　　（2）结构整体计算需控制的几个参数。（一） 剪重比：控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。 若过小，说明底部剪力过小，这时应注意结构位移和结构稳定是否满足要求 。若过大，应检查输入信息是否有误或剪力墙过多结构太刚。（二） 刚度比：控制结构竖向规则性，避免产生刚度突变 。（三）位移比：控制结构平面规则性,以免产生扭转 它反映的是质心与刚心的偏离程度 平面布置宜规则，对称，使质心和刚心尽量重合。（四） 周期比：控制结构扭转效应. 结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比， A 级高度高层建筑不应大于0.9， B 级高度高层建筑不应大于0.85。 反映的是抗扭刚度与抗侧刚度之间的关系。（五） 层间受剪承载力比：控制竖向不规则。

　　（3）是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响，规范中根据大量工程的实测周期，明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数，已列为强制性条文，需特别注意。

　　（4）多塔结构和分缝结构的计算分析。 一段时间以来,大底盘、多塔楼的高层建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型高层建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。 如果分开计算，下部裙房及基础计算误差较大，且各塔之间相互影响无法考虑。 应先进行整体计算，但计算周期比时应将各塔分开。

　　（5）非结构构件的计算与设计。 在高层建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求，且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容，尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大。 因此，必须严格按照规范中的非结构构件的计算处理措施进行设计。

　　3、抗震等级的设计

　　高层结构的抗震等级的设计要结合当地的地震发生状况，按照百年一遇、两百年一遇的标准来设计，在可能的情况下，还要提高抗震等级。当本区域的抗震防烈度为6到8度时，抗震等级还要在这个基础上再提高一度。在进行高层建筑的抗震设计时，其钢筋混凝土结构构件所采用的抗震等级，主要考虑到设防烈度、结构类型和房屋高度，因这三个因素不多而采用不同的抗震等级。一般来说，高层建筑都是有地下室的，当高层建筑把地下室顶层作为其嵌固端时，这时地下室的抗震强度就应该与整体结构完全相同，否则仍然会对整体建筑有着较大的影响。如果不是这样，那么地下室的抗震等级可以稍微降低一下需求，根据每个地区的具体情况采用三级或四级。总而言之，高层建筑钢混结构设计要从竖向和平面的结构设计、抗震等级多方面的角度来分析，严格执行国家的相关规定。如果仅从混凝土的构造要求来说，例如钢混立柱，对房屋高度大而柱中轴力较大时，宜采用型钢混凝土柱或者钢管混凝土柱，也就是说要采用高强度混凝土柱。抗震等级为特一级的高层建筑结构中，其钢筋混凝土框架柱宜采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱，底部加强部位及其上一层的弯矩设计值，应按墙底截面组合弯矩计算值的1.1倍采用。另外，对于高层建筑物混凝土的质量也要有较高的要求，我们要增加一定的添加剂到水泥和石灰中，用来增强混凝土的配筋率。同时还要高湿度的养护，以保障混凝土部件的不变形。概言之，只有科学的结构设计、严格的操作规范和高质量的标准要求，才能有合格的高层建筑。

　　4、 合理地使用高强钢筋和高强砼

　　高层建筑总造价一般包括框架结构的材料、 施工及基础物料费用等，其中用钢量和构筑件截面积对房屋造价的影响较大，所以，在建筑设计时合理地使用高强砼和高强度钢筋，可以有效地降低建筑用钢量，大幅度节约建筑成本。 如果高层的建筑设计是位于厚软的地基之上，那么由于矗立于地基上的荷载较大，高效合理地使用高强钢筋及高强砼来优化构件截面积，以减轻结构重量，这将会显著地降低工程造价和基础设施的施工难度，以取得较好的经济效果。 对于我国震区的高层楼房来说，地震力的作用的大小是与建筑物的自重成正相关的，有目的地减轻建筑物自重，进而降低建筑物结构在地震中的荷载，可以大幅度提高建筑物安全性 。在建筑设计中合理高效地使用高强钢筋和高强砼，能有效快速缩小梁、 墙 、板、 柱等的构件截面积，达到降低用钢量，降低建筑造价的目的。