劉宇

摘 要：高層建筑的結(jié)構(gòu)層數(shù)多，承受的荷載大，還要通過實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計保證結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。結(jié)合高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，本文從結(jié)構(gòu)布局、單元優(yōu)化、抗震優(yōu)化三個方面提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，然后結(jié)合工程實例對混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實施問題進行了探討，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑;混凝土結(jié)構(gòu);抗震性能

伴隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量高層建筑得到了建設(shè)。相較于多層建筑，高層建筑具有層數(shù)多、高度大等特點，構(gòu)件承載力設(shè)計、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計等各方面都存在差異。對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計問題不夠關(guān)注，導致設(shè)計細節(jié)被忽略，在建筑結(jié)構(gòu)同時受突出地震作用和風荷載影響的情況下，容易造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剛度突變等不利因素。因此，還應加強結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，從而使建筑安全得到保證。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

作為建筑工程中常用的結(jié)構(gòu)形式，混凝土結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，采用的材料以混凝土和鋼筋為主，通過合理設(shè)計能夠保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，繼而使建筑整體質(zhì)量得到保證。而在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，由于建筑高度和層數(shù)不斷增多，承受的地震作用和風荷載也更加明顯，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性提出了更高要求?，F(xiàn)階段，高層建筑主要采用的結(jié)構(gòu)體系包含三類，分別為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，超高層和不規(guī)則建筑則多采用框筒、束筒等結(jié)構(gòu)。目前，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在過分關(guān)注概念設(shè)計的問題，對結(jié)構(gòu)總體布局關(guān)注度不足，一味強調(diào)按照規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，主要關(guān)注強度、變形兩方面的問題。但實際上在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計上，還應加強整體性把握，以便使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性得到保證。未能做到從整體設(shè)計向局部設(shè)計逐步推進，將導致設(shè)計師缺少對建筑整體承載力、剛度等目標的設(shè)定，繼而導致結(jié)構(gòu)方案布置存在不合理的問題。在細節(jié)設(shè)計方面，則存在忽視各獨立單元結(jié)構(gòu)承載力、剛度等性能的問題?，F(xiàn)代高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)復雜，存在較多變量因素，一味認為軟件計算得到結(jié)構(gòu)尺寸準確，強調(diào)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性問題，導致選擇的建筑構(gòu)件截面過小，容易導致構(gòu)件在復雜因素作用下出現(xiàn)安全風險。此外，高層建筑需要采用剛?cè)峤Y(jié)合設(shè)計方式，而并非是一味加大結(jié)構(gòu)整體剛度對地震作用進行抵抗。缺少多道設(shè)防，將導致結(jié)構(gòu)在多遇地震下缺少足夠彈塑性變形能力和延性，繼而使結(jié)構(gòu)受到較大危害。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

2.1 合理設(shè)計結(jié)構(gòu)布局

結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計容易出現(xiàn)的問題，在對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，還要做好整體結(jié)構(gòu)方案布置。在結(jié)構(gòu)平面布置方面，需要以增強結(jié)構(gòu)抗側(cè)力為目標，通過合理布置抗側(cè)力構(gòu)件使建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度得到增強，并使結(jié)構(gòu)側(cè)向位移得到減少。通過對構(gòu)件承載能力和抗震延性進行最大限度發(fā)揮，能夠使建筑結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下避免出現(xiàn)剛度突變等問題。對地震作用、風荷載等可能給結(jié)構(gòu)帶來扭轉(zhuǎn)影響的偏心因素展開分析，可以完成豎向構(gòu)件水平位移和層間位移的合理評估。在建筑達到A級時，需要將位移量控制在層平均數(shù)的1.2倍以內(nèi)，最大不超1.5倍。在建筑為B級且未混合性結(jié)構(gòu)時，位移量應不超樓層平均1.2倍。通常狀況下，高層建筑無需設(shè)置防震縫。但如果平面結(jié)構(gòu)形式復雜，難以通過調(diào)整平面布局加強結(jié)構(gòu)調(diào)整，還要利用防震縫完成單元結(jié)構(gòu)劃分。在豎向結(jié)構(gòu)布置上，應保證建筑結(jié)構(gòu)整體對稱、均勻，無特殊要求應避免進行外挑或內(nèi)收設(shè)計。遵循上小下大原理進行豎向結(jié)構(gòu)布置，需確保結(jié)構(gòu)側(cè)向變化緩慢、均勻，能夠使結(jié)構(gòu)重心保持穩(wěn)定。在剪力墻布置上，尤其應保證均勻、對稱，并在周邊進行結(jié)構(gòu)布置，使豎向上保持結(jié)構(gòu)連續(xù)，以免出現(xiàn)剛度或承載力突變問題。如果豎向結(jié)構(gòu)內(nèi)收，應確保樓層側(cè)向剛度至少達到臨界樓層側(cè)向剛度70%或鄰近3層側(cè)向剛度平均值的80%。在結(jié)構(gòu)處于樓層上部的情況下，縮進位置應與室外地面高、建筑整體高保持0.2的比值，上部縮進后的長度占下部長的75%以上。

2.2 重視單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高層建筑高度加到，需要保證結(jié)構(gòu)擁有良好延性，允許部分構(gòu)件率先出現(xiàn)塑性鉸，確保地震能量得到不斷消耗，以免重要構(gòu)件發(fā)生破壞，導致結(jié)構(gòu)受到嚴重損毀。結(jié)合這一目標進行單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化，還要重視關(guān)鍵構(gòu)件的延性設(shè)計，使構(gòu)件擁有較高的豎向抗側(cè)力，能夠順利實現(xiàn)水平力的傳遞，以便使結(jié)構(gòu)安全得到保證[1]。針對高層建筑各獨立結(jié)構(gòu)單元，需要保證平面形狀規(guī)格、對稱，能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)承載力和剛度等壓力進行均勻承擔。在對構(gòu)件截面進行優(yōu)化時，需要同時考慮安全性和經(jīng)濟性問題，在選用性價比高的構(gòu)件截面時，保證截面尺寸符合結(jié)構(gòu)安全性要求，以便使結(jié)構(gòu)設(shè)計安全風險得到降低。在抗彎結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中，在不改變其他條件的情況下，可以按寬度增加三次方的比例對側(cè)移寬度進行減小。而增加寬度，能夠使抵抗力臂增大，促使抗傾覆力得到減小。因此對體系的有效寬度進行增加，能夠使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度得到提高。通常情況下，高層建筑會設(shè)計地下室和人防結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)頂板上設(shè)置嵌固端，將給結(jié)構(gòu)整體帶來不同程度影響。重視這一細節(jié)設(shè)計，在對嵌固端上下層剛度進行設(shè)計時，還應結(jié)合樓板結(jié)構(gòu)縫位置、限制范圍等確定結(jié)構(gòu)是否協(xié)調(diào)，保證上下層擁有一致的抗震等級，使結(jié)構(gòu)的安全性得到保證。此外，高層建筑應盡量避免采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，以便因設(shè)計不規(guī)范導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不足。

2.3 加強抗震性能優(yōu)化

在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，還應重視抗震性能優(yōu)化問題。針對混凝土結(jié)構(gòu)中存在的各種懸臂桿，還應劃分為剪切、彎曲和彎剪三種類型，剪切類型的將導致樓層出現(xiàn)不同程度結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，還要進行重點優(yōu)化。在框架梁柱中，容易因雙曲率彎曲產(chǎn)生而出現(xiàn)側(cè)位移狀態(tài)，因此還應加強臨界荷重分析。在實際分析中，需要采用荷載效應標準組合分析形勢，對地震作用影響進行驗算，確定裂縫、變形等不超規(guī)定最大限度。對混凝土等材料強度和鋼筋配筋率等數(shù)據(jù)進行分析，能夠按照時間變異性將結(jié)構(gòu)荷載劃分為永久、可變和偶然三種，根據(jù)取值標準對荷重進行確認。發(fā)現(xiàn)薄弱層，需要進行強化設(shè)計，以免出現(xiàn)剛度突變問題。為使結(jié)構(gòu)抗倒塌和塑性變形能力得到提升，還要加強結(jié)構(gòu)軸壓比限制分析，保證各樓層地震潛力值合理[2]。根據(jù)驗算分析得到的結(jié)構(gòu)抗震系數(shù)，結(jié)合類似建筑抗震設(shè)計經(jīng)驗，可以對建筑平立面、結(jié)構(gòu)體系等進行優(yōu)化，使建筑的抗震能力得到提高。如在建筑平立面設(shè)計上，還應保證豎向剛度方面各轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)能夠得到均勻分布。對結(jié)構(gòu)延性進行優(yōu)化，可以對梁柱端的組合剪力或柱體抗彎能力進行增大，促使鋼筋實際彎矩得到提升。在組合作用力的影響下，梁端能夠比柱端更早發(fā)揮塑性，促使結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定。因此在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化方面，結(jié)構(gòu)方案還應經(jīng)得起考驗，以便使建筑結(jié)構(gòu)的實用性、耐久性等性能得到增強。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實踐

3.1 工程概況

某高層住宅樓高74.2m，建筑面積約11657㎡，包含地上和地下兩部分，地上共24層， 地下2層，建筑標準層高2.8m。結(jié)合建筑實際情況，考慮到框架結(jié)構(gòu)主要適用于60m高度建筑，框剪結(jié)構(gòu)適用于高度低于120m的建筑，筒體結(jié)構(gòu)適用于高度達到150m以上建筑，因此建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑基本風壓為0.5kN/㎡，設(shè)計地震分組為第二組，抗震設(shè)防烈度為7度。工程設(shè)計使用期限為50年，特征周期為0.55s，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，剪力墻抗震等級為三級，地震加速度為0.15g，抗震設(shè)防類為丙類，耐火等級為二級。

3.2 優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合建筑各層構(gòu)件混凝土強度等級可知，基礎(chǔ)層為C15，基礎(chǔ)底板為C35，-2層到4層的框架柱剪力墻、樓板、梁和樓梯為C35，圈梁、過梁和構(gòu)造柱為C35，5層到屋頂層及機房的框架柱剪力墻、樓板、梁和樓梯為C30，圈梁、過梁和構(gòu)造柱為C20。從樓（屋）面主要部位活荷載值分布情況來看，臥室、起居室荷載能夠達到2kN/㎡，陽臺、衛(wèi)生間達2.5kN/㎡，門廳、過道、樓梯間達3.5kN/㎡，樓板達5kN/㎡，機房達7kN/㎡。對原本設(shè)計方案的混凝土結(jié)構(gòu)展開分析可以發(fā)現(xiàn)，剪力墻結(jié)構(gòu)整體性指標符合要求，但設(shè)計過于保守，使得材料性能遠遠未能達到最大限度，造成了結(jié)構(gòu)成本增加。

對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，考慮到建筑整體結(jié)構(gòu)達到了安全、可靠度要求，為減少成本投入，對剪力墻布局和局部進行優(yōu)化設(shè)計，在不改變其他構(gòu)件尺寸的基礎(chǔ)上，對部分剪力墻進行簡化。剪力墻結(jié)構(gòu)體系由樓板和縱橫向結(jié)構(gòu)墻構(gòu)成，主要用于對橫向和豎向荷載進行抵抗，擁有較大抗側(cè)力剛度，在結(jié)構(gòu)合理的情況下可以保持較好延性。在平面布置優(yōu)化中，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足整體性能要求，可以將對結(jié)構(gòu)影響較小的中部位置剪力墻數(shù)量進行削減，具體可以對樓梯、電梯間周圍的剪力墻進行減少[3]。在保證墻肢尺寸合理的基礎(chǔ)上，需要使墻與墻保持4-6m間距，在保證結(jié)構(gòu)承載力要求得到滿足的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)剪力墻的靈活布置，使邊緣構(gòu)件數(shù)量得到減少，促使結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度得到增加。此外，需要使結(jié)構(gòu)墻肢軸壓比接近規(guī)范限值，使結(jié)構(gòu)重量隨之減少，達到削弱地震作用的目標。

3.3 效果分析

采用PKPM系列軟件對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計效果展開分析可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后剪力墻配筋量無顯著變化，但由于剪力墻數(shù)量有所減少，材料投入得到了降低，使結(jié)構(gòu)總體造價降低6%左右。從結(jié)構(gòu)安全性角度來看，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)自振周期從1.65s變?yōu)?.86s，剛度有所減小，彈性隨之增加。在抗震設(shè)防烈度為7度時，結(jié)構(gòu)最大層間位移有所增加，X方向從1/1526變?yōu)?/1191，Y方向從1/1259變?yōu)?/1116，但仍然符合規(guī)范，并且構(gòu)件軸壓比有所增加，能夠起到減震效果，因此能夠使材料性能得到最大限度發(fā)揮，保證結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語

綜上所述，實際在對混凝土結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，還要結(jié)合高層建筑特點提出合理的設(shè)計方案，使結(jié)構(gòu)得到合理布局，并做好細部優(yōu)化設(shè)計，促使結(jié)構(gòu)抗震性能得到提升。保證建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計取得良好效果，能夠使建筑在遭遇地震等自然災害的情況下依然維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，繼而為人員的生命財產(chǎn)安全提供保障。

參考文獻：

[1]達欣子.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2019（29）：85-87.

[2]周弦.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計分析[J].低碳世界，2019，9（03）：200-201.

[3]劉福旺.高層建筑混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].建材與裝飾，2018（23）：110-111.