申秀琴

摘 要：社會在發(fā)展，時代在進步，在一座座迅速崛起的城市中，增多的不僅是一幢幢的高層建筑，更是人們對高層建筑的研究，特別是對高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的研究，對于混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，更是越來越受到人們的關(guān)注。文章對高層建筑中各種混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系及因素進行了分析，并提出了高層建筑中有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一些方案。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；因素；優(yōu)化設(shè)計

近些年來，隨著我國社會的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人們對自己所居住的建筑要求也越來越高，建造的各類高層建筑層出不窮，給城市建設(shè)帶來了新的面貌，日益復(fù)雜的使用功能和多樣化的建筑特征給高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計者帶來了非常嚴峻的挑戰(zhàn)。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系

1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是最早的高層建筑結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由鋼筋和混凝土構(gòu)成。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對高層建筑的定義指的是：10層及10層以上或房屋高度大于28米的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑?；炷两Y(jié)構(gòu)的整體性較能好，且具有耐高溫、位移小、維護方便、成本低和剛度大等特點，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一系列特點，都是鋼結(jié)構(gòu)所望塵莫及的。民用建筑中常用的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系主要有：（1）框架結(jié)構(gòu)。（2）剪力墻結(jié)構(gòu)。（3）框架剪力墻結(jié)構(gòu)。（4）筒體結(jié)構(gòu)。（5）板柱結(jié)構(gòu)、板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)等。隨著我國混凝土材料技術(shù)的不斷發(fā)展。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我國大多數(shù)高層建筑所采用的結(jié)構(gòu)體系，是目前我國應(yīng)用最廣泛的、也是大多數(shù)設(shè)計者最熟悉的建筑結(jié)構(gòu)型式。

1.2 混合結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)是由鋼框架（框筒）、鋼管混凝土框架（框筒）、型鋼混凝土框架（框筒）與鋼筋混凝土核心筒體所組成的共同承受水平和豎向作用的建筑結(jié)構(gòu).混合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，混合結(jié)構(gòu)是近年來在國內(nèi)迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用的一種高層建筑結(jié)構(gòu)體系，它不僅具有混凝土的抗壓能力和承重能力強的優(yōu)點，還具有鋼的抗拉能力及抗剪能力好的優(yōu)越性能，在實踐中已經(jīng)取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。通常，根據(jù)鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)所采用鋼材形式與配鋼方式的不同，可以將其分為組合樓板、鋼與混凝土組合梁、型鋼混凝土、鋼管混凝土等多種形式。其主要特點有：（1）承載力提高。據(jù)相關(guān)實驗表明，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)在梁截面受局部載荷時，可破壞載荷大約為設(shè)計載荷的2.2～2.6倍，能夠有效的提高承載力。（2）抗疲勞性能好。由于混凝土翼板的存在，有效的降低了鋼梁上翼緣應(yīng)力，在實際應(yīng)用中也表明混合結(jié)構(gòu)梁比純鋼梁具有更好的抗沖擊、抗疲勞的能力。（3）節(jié)約鋼材用量。在該混合結(jié)構(gòu)中，混凝土可以替代部分鋼結(jié)構(gòu)，使得用鋼量大幅下降，實踐表明，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)梁比鋼結(jié)構(gòu)梁用鋼量少20%～40%。（4）增加剛度，提高抗震性和穩(wěn)定性。一方面，混凝土板參與梁的工作，有效的增加了梁的剛度，在用鋼量相同的條件下，與鋼梁結(jié)構(gòu)相比，梁撓度可減少30%～50%，并且截面高度減小1/4～1/3。另一方面，混合結(jié)構(gòu)梁上翼緣側(cè)向剛度大，進而使得整體穩(wěn)定性提高，從而提高了抗震性能。

在高層建筑結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻體系和框架體系等幾種類型是比較常見的，而對于新型的結(jié)構(gòu)體系，它主要是以筒體的組成方式來作為區(qū)分標(biāo)準的，新型結(jié)構(gòu)體系可分為三種體系：筒中筒體系、框筒體系和束筒體系。相比于傳統(tǒng)的單片平面結(jié)構(gòu)體系，新型結(jié)構(gòu)體系中的筒體則具有更大的抗側(cè)剛度，且承載力更大。目前，在功能較全且層數(shù)較多用途較廣的高層建筑中，這種新型結(jié)構(gòu)體系相對比較適用。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮因素

在高層建筑中，當(dāng)建筑物達到一定高度，安全性就會成為重要的考慮因素，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是安全性的一個重要保證，因此，對于具有一定高度的高層建筑，在設(shè)計時，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計就顯得異常重要。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計必須充分考慮各方面因素，使其達到強度足夠、剛度適宜、延性良好、設(shè)計合理的標(biāo)準。需要考慮的因素主要包括：

2.1 側(cè)向力。側(cè)向力主要是指建筑物在建成以后所承受的風(fēng)力、地震力和垂直載荷等外力。無論是高層建筑還是低層建筑都要承受這樣的側(cè)向力，低層建筑受到水平力較小，而高層建筑受到水平力隨著層數(shù)的增多而不斷增大。因此，風(fēng)荷載和地震力等側(cè)向力應(yīng)該成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時著重考慮的因素，這些因素正是影響高層建筑物結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要因素。

2.2 適宜的剛度。據(jù)胡克定律，剪切模量G能夠在很大程度上決定向同材料的剛度，同時，建筑物的形狀購置也將在很大程度上決定建筑物在塑性期的剛度。在高層建筑建設(shè)過程中，建筑高度是一系列風(fēng)險因素的出現(xiàn)原因，其中不僅包括側(cè)向力，更包括側(cè)向位移，它是會隨著建筑物高度的增加而逐漸增大，當(dāng)高層建筑在水平力的作用之下，為了使高層建筑的側(cè)向位移保持在一定范圍之內(nèi)，高層建筑必須具有足夠的強度，同時，自振周期必須控制在最合理范圍內(nèi)。只有這樣，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計才是最優(yōu)化的。

2.3 延性良好。正如我們的常識所知，當(dāng)同時受到地震等側(cè)向力的作用，高層建筑比低層建筑更容易變形，其原因主要就在于高層建筑更具柔性。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在滿足具有足夠的強度之后，提高高層建筑結(jié)構(gòu)整體和局部的變形能力成為第二個需要重點研究的問題。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)進入塑性變形階段仍具有較強的變形能力，在當(dāng)今的設(shè)計技術(shù)條件下，通過優(yōu)良的概念設(shè)計和合理的構(gòu)造措施使高層建筑具有足夠的延性這才是設(shè)計問題的重點。避免高層建筑在大地震作用下而倒坍，確保生命和財產(chǎn)安全。

2.4 控制含泥量以及骨料級配。施工人員在配置混凝土?xí)r，應(yīng)采用10.4mm連續(xù)級配碎石，其中65%都應(yīng)為10.3mm級配碎石。施工企業(yè)所使用的中砂，細度模數(shù)應(yīng)控制于2.8至3.0，施工人員可借助0.315凹篩孔篩選中砂，篩出砂的重量不少于中砂總重量的15%即可。砂、石的含泥量不得高于1%，且其中不得含有有機質(zhì)雜物，施工企業(yè)不可使用海砂作為混凝土材料。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的具體方法

3.1 合理使用高強砼和高強鋼筋。在建筑的整個施工過程中，用鋼量是影響總造價的一個重要因素。因此，為了合理降低用鋼量，降低造價，節(jié)約成本，設(shè)計中必須合理使用高強鋼筋。然而在高層建筑位于深厚軟弱地基之上的情況下，強砼和高強鋼筋高優(yōu)化構(gòu)件截面尺寸的合理使用，對于減輕地基載荷，降低基礎(chǔ)施工的難度，縮減造價，將具有非常直觀的經(jīng)濟效果。由于地震對于一幢建筑的破壞程度，是與該幢建筑的自重成正比的，自重越大，受損毀的可能性，破壞程度就越大。因此，減輕建筑物自重能夠減小其受地震破壞的程度，為建筑物的安全提供保證。所以，高強砼和高強鋼筋在設(shè)計中的合理使用對于快速、有效的減少墻、柱、梁、板等構(gòu)件的截面尺寸，減少用鋼量，減輕建筑自重，最后達到降低造價及安全使用的目的具有十分重要的作用。

3.2 注重剪力墻的平面布置。具體應(yīng)如何注重剪力墻的平面布置，我們應(yīng)該從以下幾方面做起：（1）剪力墻的布置原則在于沿周邊均勻、相對集中布置，同時又不損害建筑原有的使用功能。一般布置在建筑物的樓梯間、電梯間處，以及平面形狀變化及恒載較大的部位，其間距宜適中，不宜過大。（2）剪力墻墻肢截面應(yīng)具有簡單、規(guī)則的特點，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定側(cè)向剛度，但不宜過大。（3）較多的短肢剪力墻不會起到聯(lián)合剪力的良好效果，全部為短肢剪力墻的情況更是應(yīng)該避免出現(xiàn)。

3.3 抗震設(shè)計中，注意鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性。在構(gòu)件設(shè)計的時候，要加強設(shè)計中的科學(xué)性，需遵循：“強節(jié)點弱桿件、強柱弱梁、強剪弱彎、強壓弱拉”的設(shè)計準則。在實際設(shè)計的時候，一定要注意結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，主要破壞屬于延性的破壞，而不是脆性破壞，這一點非常重要。

其次，對鋼筋混凝土構(gòu)件，合理確定截面尺寸，恰當(dāng)配置縱筋和箍筋（抗剪斜筋），加強鋼筋的錨固，避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土壓潰先于鋼筋屈服、鋼筋粘結(jié)錨固失效先于桿件破壞。

在具體的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，要重視鋼筋混凝土的延性構(gòu)件分析，在設(shè)計中要加強延性指標(biāo)設(shè)計，對截面曲率延性要設(shè)計合理，針對構(gòu)件位移延性，應(yīng)按照相應(yīng)的公式保證設(shè)計的科學(xué)性。

4 結(jié)語

總而言之，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮各方面因素，如高層建筑的風(fēng)荷載和地震力的影響；考慮自重和地基基礎(chǔ)的影響；保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力，具有適宜的剛度，具有良好的延性。與此同時，也應(yīng)該能夠從整體上把握結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計，了解總體系和主要體系間的最佳傳力途徑，從而找到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，滿足建筑物的使用要求。

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