王曉亮

（大連弘藝規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究有限公司）

淺析高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王曉亮

（大連弘藝規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究有限公司）

高層建筑與普通建筑不同，其施工方法和施工技術(shù)要求更為嚴(yán)格，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理與否直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，因此，本文從高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)的分析。

高層混凝土 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 具體方法

0 引言

混凝土是指由膠凝材料將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料的統(tǒng)稱。通常講的混凝土一詞是指用水泥作膠凝材料，砂、石作集料；與水按一定比例配合，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而得的水泥混凝土，也稱普通混凝土，它廣泛應(yīng)用于土木工程。隨著混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的發(fā)展應(yīng)用，使得現(xiàn)代建筑的質(zhì)量和性能都得到了大幅度提升，從而為我國(guó)的城市建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而為了使高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平進(jìn)一步提高，加大對(duì)完善高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析研究力度不僅意義重大，而且迫在眉睫。

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1側(cè)向力成為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形及建筑物土建造價(jià)的主要因素。

高層建筑和低層建筑一樣，承受自重、活載、雪載等垂直荷載和風(fēng)、地震等水平力。在低層結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，可以忽略不計(jì)；在多層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的效應(yīng)(內(nèi)力和位移)逐漸增大；在高層建筑中，水平荷載和地震力將成為主要的控制因素。

1.2結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜剛度

隨著高度的增加，高層建筑的側(cè)向位移迅速增大。因此設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)不經(jīng)要求結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，而且要求結(jié)構(gòu)有適宜的剛度，使結(jié)構(gòu)有合理的自振頻率等動(dòng)力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內(nèi)。

1.3結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的延性

相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。建筑結(jié)構(gòu)的耐震主要取決于結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力兩個(gè)因素。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免高層建筑在大震下倒塌，必須在滿足必要強(qiáng)度的前提下，通過優(yōu)良的概念設(shè)計(jì)和合理的構(gòu)造措施，來提高整個(gè)結(jié)構(gòu)、特別是薄弱層(部位)的變形能力，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮這些因素，合理設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、適宜的剛度、良好的延性。

2、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意要點(diǎn)分析

2.1概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗震性能的一種方法。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是要求建筑師和結(jié)構(gòu)師在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視規(guī)范、規(guī)程中結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的各條規(guī)定，設(shè)計(jì)中不能陷入只憑計(jì)算的誤區(qū)。以下一些要點(diǎn)值得注意：

（1）在結(jié)構(gòu)體系上，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的選型和平、立面布置的規(guī)則性，擇優(yōu)選用抗震和抗風(fēng)性能好且經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的傳遞地震力途徑，結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近

（2）一般工程都僅進(jìn)行小震下的彈性設(shè)計(jì)，而用概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施保證“中震可修，

大震不倒”，但沒有驗(yàn)算和證實(shí)，那么建筑物是否真能做到“中震可修，大震不倒”，無人知曉。對(duì)抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)的特別重要建筑和超限建筑，審查專家往往會(huì)提出更具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)：中震或大震不屈服設(shè)計(jì)；中震或大震彈性設(shè)計(jì)；要求設(shè)計(jì)單位確保實(shí)現(xiàn)“三水準(zhǔn)”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（3）水平地震作用是雙向的，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用，應(yīng)使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個(gè)主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力；結(jié)構(gòu)剛度選擇時(shí)，雖可考慮場(chǎng)地特征，選擇結(jié)構(gòu)剛度以減少地震作用效應(yīng)，但是也要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增大，過大的變形將會(huì)因p-δ效應(yīng)過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

2.2結(jié)構(gòu)選型

（1）結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動(dòng)，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案?！币虼耍Y(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作被動(dòng)。

（2）結(jié)構(gòu)的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為 a級(jí)高度的建筑外，增加了b級(jí)高度的建筑，因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為b級(jí)高度建筑甚或超過了b級(jí)高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。

（3）嵌固端的設(shè)置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個(gè)問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面。

3、關(guān)于結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要參數(shù)

高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要控制結(jié)構(gòu)的基本自振周期、結(jié)構(gòu)層層間位移和樓層基底剪力三個(gè)重要參數(shù)， 第一自振周期是整體結(jié)構(gòu)剛度的集中反應(yīng)； 扭轉(zhuǎn)為主第一自振周期與平動(dòng)為主第一自振周期的比值是結(jié)構(gòu)平面、結(jié)構(gòu)體系能否直接提供抗扭剛度的直接體現(xiàn)； 結(jié)構(gòu)樓層層間位移則是各樓層相對(duì)剛度的集中體現(xiàn)；基底剪力是否大于基底最小剪力指標(biāo)則是反應(yīng)樓層的柔度指標(biāo)。通過上述指標(biāo)可反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的整體受力性能， 可看出結(jié)構(gòu)整體布置是否合理， 若不合理可通過局部調(diào)整結(jié)構(gòu)平面， 或調(diào)整構(gòu)件斷面等進(jìn)行處理。高層混凝土結(jié)構(gòu)屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)， 所有構(gòu)件均依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)估，因此結(jié)構(gòu)計(jì)算往往需要反復(fù)調(diào)整才能通過計(jì)算。一般情況下會(huì)采用提高混凝土、鋼筋強(qiáng)度或者增加超配筋構(gòu)件的截面來試算超配筋構(gòu)件， 如果我們能夠換一個(gè)角度來考慮也許更加有效。我們應(yīng)該明確結(jié)構(gòu)調(diào)整之前應(yīng)該完成哪些工作， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)按照常規(guī)建立數(shù)值模型， 估算結(jié)構(gòu)自振周期， 判定結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)， 設(shè)置振型參與組合數(shù)以及地震作用方向等， 關(guān)鍵點(diǎn)在于所建立的結(jié)構(gòu)模型樓層剛度中心與質(zhì)量中心基本重合， 結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件能有效抵抗扭轉(zhuǎn)。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性

其次應(yīng)確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性， 重新調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置， 使得自振周期、位移比、剛度比、層間受剪承載力及剪重比處于合理范圍。第三應(yīng)對(duì)單根構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)， 檢查梁柱的超配筋信息， 調(diào)整構(gòu)件的布置， 并且進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。超配筋構(gòu)件的調(diào)整， 應(yīng)首先查出構(gòu)件超筋的原因， 若盲目加強(qiáng)超筋構(gòu)件， 所得結(jié)果往往超過我們的預(yù)期，可能得到很大的構(gòu)件截面或者在第三階段調(diào)整時(shí)很大程度上影響第二步的設(shè)計(jì)參數(shù)， 這里加強(qiáng)超配筋構(gòu)件的截面或者強(qiáng)度， 整體結(jié)構(gòu)的剛度得到加強(qiáng)， 整體剛度加大， 則樓層基底剪力增加， 超筋構(gòu)件增加剛度后分擔(dān)的剪力和彎距可能增長(zhǎng)幅度更大， 我們將無法解決超筋問題。這時(shí)可通過增加遠(yuǎn)未達(dá)到承載力的構(gòu)件剛度， 超配筋構(gòu)件減小截面降低剛度從而解決超配筋問題。

4、結(jié) 語(yǔ)

通過本文分析，高層建筑作為建筑行業(yè)主要的發(fā)展形式，為環(huán)境城市土地緊張和住房需求起到了很好的緩解作用，高層的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為高層建筑施工質(zhì)量的重要影響因素，一定要進(jìn)行不斷的完善，設(shè)計(jì)人員通過理論聯(lián)系實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷的提升設(shè)計(jì)水平，與時(shí)俱進(jìn)，促進(jìn)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展。

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1007-6344（2015）02-0172-01