【摘要】混凝土結(jié)構(gòu)作為高層建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，直接決定了高層建筑的質(zhì)量和穩(wěn)定，文章對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，具有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定設(shè)計(jì)

一、前言

文章對混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行了介紹，對高層建筑結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述，通過分析，并結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論知識，對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

二、混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的原則

穩(wěn)定性是混凝土結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出問題。在各種類型的混凝土結(jié)構(gòu)中，都會遇到穩(wěn)定問題。對于這個(gè)問題處理不好，將會造成不應(yīng)有的損失。根據(jù)穩(wěn)定性問題在實(shí)際設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)提出了以下三項(xiàng)原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定。

1.混凝土結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前混凝土結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從混凝土結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和混凝土結(jié)構(gòu)布置相一致。

2..混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。目前設(shè)計(jì)單層和多層框架混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不做框架穩(wěn)定分析而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù)，應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型條件。

3.設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。

混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦予它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)經(jīng)常考慮到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強(qiáng)度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方法

1.單元結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)的完善

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是對各個(gè)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常應(yīng)用于一些建筑結(jié)構(gòu)比較簡單、規(guī)則的平面設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，需要注意適當(dāng)?shù)目刂破矫娼Y(jié)構(gòu)中的整體、突出部分的長度，確保各個(gè)部分的承載力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均勻。在豎向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，通常采用一些比較均勻、規(guī)則的設(shè)計(jì)，能夠有效的控制建筑外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的問題。

在其設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)專業(yè)知識作為依據(jù)，以高層建筑實(shí)用性、安全性和美觀作為前提保障，對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障其各個(gè)單位結(jié)構(gòu)在水平方向和豎直方向的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、承載力等均勻合理的分布。

2.高強(qiáng)混凝土與鋼筋使用的優(yōu)化

混凝土和鋼筋是高層建筑的主要施工原料，在具體的設(shè)計(jì)過程中，需要保障在高層建筑質(zhì)量的前提下，對高強(qiáng)度的混凝土和鋼筋的使用進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化，減少混凝土和鋼筋的使用量，提高資源的配置效率。

例如，在地殼運(yùn)動較活躍的地區(qū)進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確高層建筑的重量越大，地震的作用程度就越劇烈，在保障高層建筑的質(zhì)量的前提下，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量的減少混凝土和鋼筋的使用量，降低振動作用程度，提高其建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，延長其使用年限。

3.對剪力墻平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化

設(shè)計(jì)人員在對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還需要重視剪力墻平面結(jié)構(gòu)布局對高層整體建筑結(jié)構(gòu)承載力均勻程度的影響。在進(jìn)行剪力墻平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要是通過以下幾點(diǎn)：一是將高層建筑的基本結(jié)構(gòu)功能作為其設(shè)計(jì)的依據(jù)，最大程度的將剪力墻進(jìn)行集中化和均勻化設(shè)計(jì)；二是找準(zhǔn)高層建筑的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，對剪力墻進(jìn)行雙向布置，盡可能的減少使用一些短肢剪力墻。

四、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

1.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的臨界荷重

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)可視為其有中等長細(xì)比的懸臂桿，其高寬比一般為3～9。此懸臂桿的整體失穩(wěn)或整體樓層失穩(wěn)形態(tài)有三種可能：剪切型、彎曲型及彎剪型。純框架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形態(tài)一般為剪切型；剪力墻結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形態(tài)為彎曲型或彎剪型：框架一剪力墻、框架一簡體等帶有剪力墻或筒體的結(jié)構(gòu)，

2.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的臨界荷重的確定

對于正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)分別按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合以及荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用的影響進(jìn)行驗(yàn)算以保證變形裂縫等計(jì)算值不超出規(guī)范規(guī)定的限制。

3.在設(shè)計(jì)中主要控制以下指標(biāo)

（1）剛度比

剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)，規(guī)范及軟件分別提供了剪切剛度，剪彎剛度和地震力與相應(yīng)的層間位移比三種剛度比的計(jì)算方式，其中剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及對地下室嵌固條件的判定，剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們這里強(qiáng)調(diào)的是樓層平均剪力與平均層間位移比值的層剛度，通常絕大多數(shù)工程都可以用此值來判定結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性，它也是軟件剛度比計(jì)算的缺省方式。主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，對于形成的薄弱層則應(yīng)予以加強(qiáng)。

（2）軸壓比

規(guī)范對軸壓比限值按照抗震等級進(jìn)行了規(guī)定，限制框架柱的軸壓比主要是為了保證柱的塑性變形能力和框架的抗倒塌能力，控制柱的延性，避免柱在地震作用下的脆性破壞，盡可能使框架柱最終為大偏心受壓破壞：確保剪力墻肢底部塑性鉸區(qū)的延性性能和耗能能力，避免在強(qiáng)烈地震作用下墻體的壓潰和喪失豎向荷載的承載能力。結(jié)合對其它結(jié)構(gòu)特性的控制及構(gòu)造措施來間接實(shí)現(xiàn)對該值的限制。軸壓比不滿足時(shí)可增大剪力墻、框架柱的截面尺寸、設(shè)置芯柱，采用復(fù)合箍筋等辦法。

（3）剪重比

剪重比是某層對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層剪力與該層及其上各層重力荷載代表值之和的比值。主要是控制各樓層的最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)足夠的地震作用。由于目前規(guī)范采用的振型分解反應(yīng)譜法不能對此做出準(zhǔn)確估計(jì)，為確保結(jié)構(gòu)安全，特提出對結(jié)構(gòu)總水平地震剪力及各樓層水平地震剪力最小值的限制。

（4）周期比

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比。限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。周期比不滿足時(shí)采用的調(diào)整方法：改變結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則布置，使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心盡可能靠近；提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。SATWE程序中的振型是以其周期的長短排序的，結(jié)構(gòu)的第一、第二振型宜為平動，扭轉(zhuǎn)周期宜出現(xiàn)在第三振型及更高階振型。當(dāng)?shù)谝徽裥蜑榕まD(zhuǎn)時(shí)，周期比肯定不滿足規(guī)范的要求。

五、結(jié)束語

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于能否控制好剛度比、軸壓比、剪重比、周期比這四個(gè)指標(biāo)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑成為建筑群的主流，因此，加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的研究是非常重要的。

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