賀 萍

(四川水利職業(yè)技術學院，四川都江堰611830)

由于高層結構在我國的迅猛發(fā)展，因此，高層混凝土結構在高層結構中得到了廣泛的應用。但是作為與人民的生活息息相關的工程，必須對其各方面的性能進行深入的研究，不斷改進，不斷提高，對其未來發(fā)展要有很好的把握。

1 設計方面的研究

隨著高層混凝土結構在我國的迅速發(fā)展，建筑高度的不斷增加，建筑類型與功能的愈來愈復雜，結構體系的更加多樣化，高層混凝土結構類型和功能的復雜化也使高層混凝土結構設計變得更加復雜，進而在設計過程中也難免出現(xiàn)一些遺漏和錯誤。故高層混凝土結構設計也越來越成為結構工程師設計工作的主要重點和難點。

1.1 高層混凝土結構設計中應采取的措施

1.1.1 規(guī)則混凝土結構的設計

高層混凝土結構對稱性、均勻性的主要體現(xiàn)高層混凝土結構主體抗側力結構沿兩個主軸方向的剛度比較接近、變形特性比較相似。為此，高層混凝土結構主體抗側力結構的平面布置，應注意同一主體方向各片抗側力結構剛度盡量均勻，避免在主體結構布置中某一、二片剛度特別大而延性較差的結構。高層混凝土結構主體抗側力結構的水平布置還應注意中央核心與周邊結構的剛度協(xié)調均勻，保證主體結構具有較好的抗扭剛度，以避免高層混凝土結構物在地震荷載或風荷載的扭矩作用下產(chǎn)生過大的扭轉變形而結構或非結構構件的破壞。

1.1.2 不規(guī)則混凝土結構的設計

對于不規(guī)則高層混凝土結構設計中應采取的措施研究，國內、國外歷次大地震震害表明，平面不規(guī)則、質量與剛度偏心和抗扭轉剛度太弱的建筑結構，在地震中易受到嚴重的破壞。國內一些振動臺模型試驗結果表明，扭轉效應會導致建筑結構的嚴重破壞。對建筑結構的扭轉效應需從以下兩個方面加以限制:限制建筑結構平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結構產(chǎn)生較大的扭轉效應。限制建筑結構的扭轉剛度不能太弱。關鍵是限制扭轉為主的第一自振周期Tc與平動為主的第一自振周期Tl之比。當兩者接近時，由于振動耦連的影響，結構的扭轉效應明顯增大。在抗震設計時，當建筑平面形狀復雜而又無法調整其平面形狀和結構布置使之成為較規(guī)則的結構時，宜設置防震縫將其劃分為較簡單的幾個結構單元。

1.2 對高層混凝土結構鋼筋設計的研究

1.2.1 高層混凝土框架結構鋼筋設計研究

我國高層混凝土框架結構破壞的情況主要有:框架柱的壓彎破壞、剪切破壞、彎曲裂縫;框架梁的斜截面破壞、正截面破壞、錨固破壞;板四角的斜裂縫和平行于梁的通長裂縫;框架節(jié)點核芯區(qū)鋼筋配置不當導致的破壞。針對某些節(jié)點鋼筋設計與構造措施不能滿足抗震設計的要求的狀況，節(jié)點設計的原則應當是“強剪弱彎、強柱弱梁”，首先保證框架柱受力主筋的位置。設計對策:框架梁主筋在框架柱內側通過。為保證框架梁的截面尺寸，在框架梁靠近柱側四角增加4根鋼筋作為架立鋼筋。墻梁節(jié)點鋼筋設計:在框架－剪力墻結構中，框架梁或者次梁直接擱置在核心筒墻體暗梁或過梁上，如果框架梁的截面和暗梁或過梁的截面高度相等，就造成框架梁主筋和核心筒暗梁或過梁主筋位置互相矛盾。節(jié)點設計的原則根據(jù)固定端框架梁的彎距形式，框架梁在支座位置上鐵受拉，下鐵受壓;墻體暗梁或過梁受扭。盡量保證暗梁或連梁箍筋的完整性。

1.2.2 高層混凝土結構鋼筋設計措施研究

過梁下鐵設置不超過六根主筋分為兩排布置，框架梁下鐵布置在過梁下鐵第一排和第二排鋼筋之間且框架梁的接頭位置全部位于支座附近，接頭按照50%的比例錯開;框架梁上鐵直接擱置在過梁上鐵上，保證框架梁主筋的錨固長度滿足規(guī)范要求。根據(jù)GB 50204－2000規(guī)范中規(guī)定，過梁的箍筋尺寸取負誤差，框架梁箍筋的尺寸取正誤差，從而保證過梁和框架梁保護層厚度。將過梁或暗梁截面降低或減小5 cm，框架梁上鐵直接錨固在過梁上，保證框架梁及樓板鋼筋的保護層的厚度。懸挑構件混凝土保護層厚度是施工控制的關鍵。因為施工條件的限制，現(xiàn)場施工中某些部位的鋼筋錨固長度不能滿足施工規(guī)范要求的錨固長度，故必須根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行節(jié)點深化設計。

總之，鋼筋混凝土高層結構設計是一個長期、復雜甚至循環(huán)往復的過程，在這過程中的任何遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。

2 高層混凝土結構抗震方面的研究

2.1 注意抗震縫的設計

當抗震縫兩側結構體系不同時，抗震縫寬度按不利的體系考慮，并按較低一側的高度計算確定縫寬?？拐鹂p應沿房屋全高設置，基礎及地下室可不設置抗震縫，但抗震縫處應加強構造和連接，當相鄰結構的基礎存在較大沉降時，宜加大抗震縫的寬度。8、9度框架房屋抗震縫兩側結構高度、剛度或層高相差較大時，可在縫兩側房屋的盡端沿全高設置垂直于抗震縫的抗震墻，每一側抗震墻的數(shù)量不應少于兩道，宜分別對稱布置，墻肢的長度可不大于一個柱距框架和抗震墻的內力應按考慮和不考慮抗震墻兩種情況分別進行分析，并按不利情況取值?？拐饓υ诳拐饓σ欢说倪呏拷顟胤课萑呒用?。所以設計中應力要求自下而上剛度逐漸、均勻減少，體形均勻不突變。

2.2 滿足抗震的要求的“四強四弱”

這里需特別指出的是質量不規(guī)則類型，考慮地震作用時必須充分領會和靈活運用抗震概念設計的優(yōu)化準則和采取相應的構造措施。(1)優(yōu)化準則:“強節(jié)弱桿”——防止節(jié)點破壞先于構件;“強柱弱梁”——防止桿系發(fā)生樓層傾移破壞機制，要求柱的抗彎能力高于梁的抗彎能力;“強剪弱彎”——防止構件剪力破壞，要求桿件的受剪承載力高于受彎承載力;“強壓弱拉”——對桿件截面而言，為避免桿件在彎曲時發(fā)生受壓區(qū)混凝土破裂的脆性破壞，使受拉區(qū)鋼筋承載力低于受壓區(qū)混凝土受壓承載力。(2)保證措施:保證措施有兩個方面:一是調整或限制構件的荷載效應，二是強制規(guī)定必要的構造措施。這兩個方面在高層混凝土結構混凝土結構技術規(guī)程有詳細的規(guī)定，有的則是以強制性條文提出嚴格要求。

3 高層混凝土受力部位裂縫分析的研究

混凝土與鋼筋混凝土結構是一種耐久性較好的結構體系。但是由于混凝土的勻質性較差，抗拉強度較低，又有膨脹收縮、徐變等特性，因此在實際結構中，往往由于設計不周、施工粗糙、使用不當?shù)仍?，致使混凝土構件與結構出現(xiàn)不同程度的裂縫，給結構造成一定的損傷，影響建筑物的正常使用，有些裂縫則危及結構的安全，甚至造成建筑物的嚴重破壞和倒塌。因此，必須注意高層混凝土結構中的裂縫問題。

3.1 高層混凝土三縫設計與施工

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的劇增，高層混凝土結構建筑也逐漸增加。在高層混凝土結構中設置溫度縫、沉降縫及抗震縫，可以防止結構產(chǎn)生過大變形和解決結構內力問題。但設置三縫也產(chǎn)生出許多新問題，例如，三縫使得建筑立面處理困難;由于縫兩側均需布置剪力墻或框架，使得建筑使用不方便，而且結構變得復雜。

3.1.1 伸縮縫

高層混凝土結構中，混凝土收縮產(chǎn)生變形和內力，所以要設置溫度收縮縫。高層混凝土結構的溫度收縮問題由構造解決。如較長區(qū)段不能設置溫度縫的要采取以下構造和施工措施:(1)在溫度影響較大部位(如頂層、底層、山墻、內縱墻端開間等)提高配筋率。實際工程中一般配筋率在0.3%以上。(2)在頂層局部剛度變小或把結構分為較小區(qū)段。(3)在屋面設置隔熱層，避免溫度變化過大。(4)施工中留后澆帶，一般隔40 m設一道，帶寬0.7～1.0 m。

3.1.2 沉降縫

一般是主樓與群房層數(shù)相差很多，荷載也相差很大，由于沉降不均可能使得結構產(chǎn)生難以承受的內力和變形。通常處理沉降差采用三種方法:(1)設置沉降縫使結構各部分分開，自由沉降，這種方法給施工和設計均增加了困難。(2)設置剛度很大的基礎來抵抗沉降差，也就是不設縫的做法。但此法使得材料用量急劇增加，不經(jīng)濟。(3)在設計與施工中采取有效措施，調整沉降差，盡量減少沉降產(chǎn)生的內力和變形。

3.1.3 防震縫

抗震設計時，伸縮縫和沉降縫的寬度均應符合防震縫的最小寬度要求?？拐鹪O計在下列情況下設防震縫:

(1)各部分結構剛度相差很大，各部分分別采用不同材料，不同的結構體系時。

(2)各部分質量相差大，有錯層時。

(3)平面尺寸和外伸長度尺寸超過規(guī)定限值，并且無法采取加強措施時。

總之，高層混凝土結構各部分之間凡是設縫的，就要分得徹底;凡是不設縫的，就要連接牢固，決不要似分非分，似連非連。否則連接處在地震中很容易破壞。

3.2 高層混凝土結構特殊部位裂縫分析

高層混凝土結構首先是混凝土結構，其裂縫具有普通混凝土結構所具有的基本特征，一般普通混凝土裂縫可以分成四大類，基本特點如下(1)荷載裂縫，其一般是由恒載、活載、風載、雪載、吊車荷載等一種或幾種荷載作用引起的裂縫。(2)收縮－溫度裂縫，它是由材料內部收縮及環(huán)境溫度變化所引起的結構裂縫，依據(jù)其形成的機理不同，可分為:塑性塌落裂縫;塑性收縮裂縫;干縮裂縫;溫度裂縫;水化熱裂縫;收縮溫度裂縫;鋼筋銹蝕裂縫;堿骨料反映裂縫。(3)地基變形裂縫，主要是地基不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫，這種裂縫在不同地區(qū)都有發(fā)生，是結構裂縫的一個重要方面。(4)構造不當及設計不周產(chǎn)生的裂縫。

雖然高層混凝土結構具有普通混凝土裂縫的一般特點，但由于它在結構型式、受力、施工、設計方面的不同(例如混凝土強度等級高，受力復雜)，往往導致高層混凝土結構裂縫有其新的特點。以下是其幾個主要受力部位的裂縫成因進行探討。

3.2.1 大體積基礎混凝土板

高層混凝土結構隨著高度的不斷增加，地下室愈做愈深，地板也越來越厚，厚度在3 m以上的地板已屢見不鮮。高層建筑混凝土地板為主要的受力結構，整體要求高，一般一次性整體澆筑。國內外大量實踐證明，各種大體積混凝土裂縫主要是由溫度變化引起。這樣在混凝土內部產(chǎn)生壓應力，在外表面產(chǎn)生拉應力，此時混凝土的強度低，有可能產(chǎn)生表面裂縫。而且在降溫的過程中產(chǎn)生的拉應力大于升溫時產(chǎn)生的壓應力，當差值過大，將在混凝土內部產(chǎn)生裂縫，最后可能形成貫穿裂縫。為此，應合理選用材料，降低水泥水化熱，優(yōu)化混凝土集料的配合比，控制水灰比，減少混凝土的干縮。如有可能，采取減少澆筑長度，增加養(yǎng)護時間，減少降溫速率，相應減少松弛系數(shù)等措施對控制貫通縫也有一定的意義。

3.2.2 地下室混凝土墻板及樓板裂縫分析

這種裂縫的產(chǎn)生是由于混凝土在硬化過程中失水產(chǎn)生的收縮應變，在水泥水化熱產(chǎn)生的升溫達到最高點以后的降溫過程中產(chǎn)生的拉伸應變而造成的。其特點:一是墻板受到基礎;外圍墻板受到地下室外墻的極大約束，這種約束遠大于樁基對基礎的約束，產(chǎn)生貫穿裂縫的幾率大。二是內墻板及樓板受到溫度的影響較大。三是內外溫差小，產(chǎn)生表面裂縫的幾率小。四是養(yǎng)護困難，散熱快，降溫速率大，混凝土的松弛徐變又是難以利用，在氣溫驟變季節(jié)尤應注意。

地下室施工完后，通常會發(fā)現(xiàn)外墻截面剛度變化處，平面形狀轉折處的陰角存在豎向裂縫。這類裂縫由頂部往下開裂，上寬下窄，這是由于收縮應力和沉降、溫度應力等共同作用，在角部形成集中應力超過混凝土抗拉強度所造成的。

3.2.3 高強混凝土裂縫分析

隨著材料科學的迅速發(fā)展，C80～C120的高強混凝土在具體工程中已有應用。由于高強混凝土采用的配合比多為低水灰比、高強度水泥、高水泥用量，并使用高效減水劑及加入超細礦粉，這樣其收縮機制與普通混凝土就有所不同。高強混凝土由于其水泥用量大多在450～600 kg/m3之間，是普通混凝土的1.2～2倍，這樣在混凝土生成的過程中由于水泥水化而引起的體積收縮及自縮就大于普通混凝土，出現(xiàn)裂縫的幾率也大于普通混凝土。高強混凝土采用高強度水泥而且用量大，這樣在混凝土硬化的過程中，水化放熱量大，將加大混凝土的最高溫升，從而使混凝土的溫度收縮應力加大，在疊加其他因素的情況下，很可能導致溫度收縮裂縫。由于高強混凝土中水泥石含量是普通混凝土的1.5倍，在硬化早期由于水分蒸發(fā)引起的干縮也將大于普通混凝土。

3.2.4 鋼筋混凝土梁施工裂縫分析

現(xiàn)代高層混凝土結構由于建筑上的需要，在底層或底部幾層做成大柱網(wǎng)、大開間，這樣由于上部結構和下部結構不同，一般要求設置結構轉換層將上部數(shù)十層的一定數(shù)量的剪力墻荷載轉換到下部柱的小筒體結構上，在設計上要求混凝土一次澆筑。轉換層大梁上承受著巨大的上部荷載，因此在澆筑的過程中極有可能產(chǎn)生沉降裂縫、收縮裂縫及溫度裂縫。其主要原因是體型大，荷載大，若支撐體系的強度、剛度和穩(wěn)定性稍有偏差就有可能使梁局部發(fā)生沉降，混凝土凝結后早期的強度很低，稍微的不均勻沉降就可以產(chǎn)生沉降裂縫。

4 發(fā)展趨勢

20世紀70年代以前，我國的高層混凝土結構多采用鋼筋混凝土框架結構、框架－剪力墻結構和剪力墻結構。進入80年代，由于建筑功能以及高度和層數(shù)等要求，筒中筒結構、筒體結構、底部大空間的框支剪力墻結構以及大底盤多塔樓結構在工程中逐漸被采用。90年代以后，除上述結構體系得到廣泛應用外，多筒體結構、帶加強層的框架－筒體結構、連體結構、巨型結構、懸挑結構、錯層結構等也逐漸在工程中采用。為適應結構體系的多樣化，結構材料向多樣性發(fā)展。80年代以前高層混凝土結構主要為鋼筋混凝土結構。進入90年代后，由于我國鋼材產(chǎn)量的增加，鋼結構、鋼－混凝土混合結構逐漸被采用。此外，型鋼混凝土結構和鋼管混凝土結構在高層混凝土結構中也正在得到廣泛應用。高層混凝土結構采用的混凝土強度等級不斷提高，從C30逐步向C60及更高的等級發(fā)展。預應力混凝土結構在高層混凝土結構的梁、板結構中廣泛應用。鋼材的強度等級也不斷提高。我國高層混凝土結構早期多為單一用途，為適應建筑功能需要，向多用途、多功能發(fā)展，高層混凝土結構平面布置和立面體型日趨復雜。具體的發(fā)展趨勢如下。

4.1 加大鋼管混凝土結構在高層混凝土結構中的應用

鋼管混凝土結構是由混凝土填充薄壁圓形鋼管而形成的組合結構。鋼管混凝土結構中的鋼管和混凝土兩者在受力過程中的相互作用，即鋼管對其核心混凝土的約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性性能得以提高;反過來，由于混凝土的存在，可以延緩或避免鋼管過早發(fā)生局部屈曲或整體失穩(wěn)，從而保證了兩種材料性能的充分發(fā)揮，彌補了兩種材料各自的缺點。正是由于鋼管和混凝土的完美結合，使鋼管混凝土成為性能優(yōu)良的結構材料。

深圳賽格廣場是由我國自行設計、投資、制造和施工的以高科技電子配套市場為主，集辦公、會展、商貿(mào)、金融、證券和娛樂為一體的現(xiàn)代化超高層混凝土結構。該工程占地面積9 653 m2，地下4層，地上72層，總建筑面積166 700 m2，地上建筑高度291.6 m。賽格廣場采用框筒結構體系，其框架柱及抗側力體系內筒的28根密排柱均采用了鋼管混凝土，樓蓋采用了鋼梁和壓型鋼板組成的組合樓蓋體系。為加強外框架與核心筒的協(xié)同工作，共設置了5道剛伸臂。

總之，鋼管混凝土結構以其承載力高、抗震性能好、混凝土延性好、耐火性能好、施工簡便以及造價經(jīng)濟合理等一系列優(yōu)點而廣泛應用于高層和超高層混凝土結構中。而且，高層混凝土結構也會進一步向高強、高性能、高效施工技術的鋼管混凝土結構發(fā)展。其前景非常廣闊，高強、高性能和高效施工技術的鋼管混凝土結構，薄壁鋼管混凝土結構、大管徑鋼管混凝土結構是將來高層混凝土結構的發(fā)展方向。

4.2 將鋼纖維引入高層混凝土中

將鋼纖維混凝土用于高層混凝土結構的一些特殊部位，不但充分發(fā)揮了鋼纖維混凝土的優(yōu)點，解決了這些部位的特殊難題，而且又能保證整體結構的經(jīng)濟性。在這方面的研究和應用已積累了不少有益的經(jīng)驗，隨著科研工作的深入和規(guī)范的不斷完善，鋼纖維混凝土在高層混凝土結構中的應用將越來越廣泛。

4.3 高強混凝土將會廣泛用于高層混凝土結構

高強混凝土在高層混凝土結構工程中應用，具有良好的經(jīng)濟效益。

(1)節(jié)約了鋼材和水泥，減小了構件截面尺寸，從而減輕了結構自重，并使使用面積增加，使總的造價有所降低。

(2)加快了施工進度，由于減少了混凝土和鋼筋用量，使模板等一系列施工工作量相應地減少。同時由于高強混凝土早期強度高，可加快施工周轉，因而建設周期縮短。

(3)滿足了高層混凝土結構及特殊結構的使用要求。在高層混凝土結構中底層柱子受力很大，采用高強混凝土能滿足受力和建筑使用要求，使得采用鋼筋混凝土結構能建造較高的建筑物。

(4)改善了混凝土的質量，提高了混凝土結構的耐久性，建筑物的使用年限得到延長。

4.4 加大鋼－混凝土混合結構在高層混凝土結構中的應用

鋼－混凝土混合結構主要有3種類型:①外鋼框架－鋼筋混凝土核心筒;②鋼筋混凝土外框架筒－內鋼框架;③鋼筋混凝土內、外框筒(剪力墻)－鋼樓蓋，而這3種類型中尤其以外圍鋼框架－內鋼筋混凝土核心筒體系的使用最為普遍。鋼－混凝土混合結構體系有如下優(yōu)點:與鋼結構相比，施工速度快、減少現(xiàn)場焊接工作量、降低防火處理費用、提高了結構的防火性能;與混凝土結構相比，結構剛度大、成本低、減輕了結構自重，增加了建筑使用面積，縮短了施工工期、提高了結構韌性、增加了結構抗震能力;同時，鋼和混凝土結合在一起充分發(fā)揮了鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，其承載力大大超過了單獨結構承載力之和;鋼筋混凝土與鋼組成的整體結構，還增加了結構物的剛度和整體穩(wěn)定性。因此，鋼－混凝土混合結構被認為是一種符合我國國情的較好的高層混凝土結構形式。

4.5 鋼結構將會在高層混凝土結構中取代混凝土結構

鋼結構建筑具有強度高、自重輕、地基費用省、占用面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢。隨著房地產(chǎn)開發(fā)商、投資公司、大型鋼鐵企業(yè)和有遠見的民營企業(yè)家紛紛投入鋼結構住宅的研究開發(fā)工作，再加上鋼結構住宅本身的優(yōu)勢，鋼結構住宅正得到業(yè)內界越來越廣泛的關注。

5 結束語

總之，在以后的高層混凝土結構中，由于，鋼管混凝土結構、鋼纖維混凝土結構、高強混凝土結構、鋼－混凝土混合結構以及鋼結構由于它們具有各自獨特的優(yōu)點，將在未來高層建筑得到廣泛的應用。將會在高層建筑中取代高層混凝土結構，這些結構的應用，具有環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特點，也更有利于建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

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