高層建築混凝土結構設計探索論文
【摘要】過去由於建築技術和經濟方面等原因，一般的建築都不會高於10層。現今隨社會發展，必然會出現高層建築。高層建築與低層建築在結構整體穩定性、構件截面的選擇、重要部位的延性和整體的結構體系設計都大不相同；並且兩者之間在結構耐久性、受力特點、穩固性和設計特點也不盡相同。本文主要分析高層結構混凝土結構設計中的主要設計形式和設計特點，總結了在相關設計過程中容易出現的一些遺漏和錯誤，結合自身的經驗和體會，提出了相應的最佳化措施。
【關鍵詞】高層建築;混凝土;結構設計
隨著工業化、商業化、城市化在我國的迅速展開，以及改革開放和人口遷徙等因素，人口適宜居住和土地合理使用等問題越發突出，對於建築形式提出了更高的要求，所以高層建築逐漸進入人們的視野。由於建築的高度發生變化，建築的功能和型別也逐漸多樣，導致其結構設計也隨之日益複雜，其中混凝土結構設計更是最容易出現遺漏和錯誤的環節，也是整個建築施工過程的基礎。
一、高層建築的混凝土結構的設計形式和設計特點
（1）設計形式的概述在高層建築剛發展的時候，混凝土結構體系最常用的是框架、剪力牆和框架-剪力牆三種傳統體系結構；但伴隨著建築技術和建築材料的發展，以及建築層數的不斷增加，現今最常用的是框筒、多束筒和筒中筒三種類型體系結構。1.1框架結構體系：這種體系是過去低層建築中最常用的房屋結構，一般僅適用於10層及10層以下的低層建築。整個結構體系是以框架樑、框架柱為骨架的剛性一體式連線結構，具有抗震性強、自身結構完整、重量輕和強度高等優點。但當框架結構的房屋高度增加時，框架結構的'側向力作用也隨高度而增加，其自身水平負載所產生的內力也遠超於豎向負載所產生的內力；而框架結構本身又存在抗側向位移剛度小、支座不均衡沉降敏感等結構問題，所以很容易是整個建築結構發生側向位移等情況。1.2剪力牆結構體系：這種結構體系相對於框架結構體系是一種更優的發展體系，一般適用於25~30層的房屋建築結構。整個結構體系是由橫向和縱向所組成的一體化鋼筋混凝土牆結構，具有側向位移剛度大、整體性好、水平力作用下側向位移小，以及沒有梁和柱等構件外露的優點，並且對房屋有圍護和分割作用，以及能夠有效的抵抗水平負載和豎向負載。但由於剪力牆的結構性延展性差，導致建築內部劃分的空間較狹窄，僅適用於賓館和住宅等建築。1.3框架-剪力牆結構體系：這種結構體系是綜合了前兩種結構體系的優點所產生的，一般適用於10~25層的房屋建築結構。整個結構體系是由框架和剪力牆共同組成的，把各種負載壓力分流到各種承載物上；一般的水平負載是由剪力牆結構所承擔的，一般的豎向負載是由框架結構所承擔的。這樣的分流可以大幅度減少柱樑的截面和增加建築空間的靈活度，以及增強側向位移的剛度，是一種非常實用的結構體系。1.4框筒結構體系：這是一組合式的結構體系，一般適用於30~80層的高層建築。整個結構體系是由鋼筋混凝土圍成側向位移剛度較大，並在房屋中央安置剪力牆薄壁筒，和在周圍佈置大柱距的一般框架的結構，具有抗扭剛度大、抗側移剛度大等優點。1.5筒中筒結構體系：這種結構體系是由兩部分組合而成，即內筒和外筒組合而成的，具有良好的抗風性、抗震性和空間整體性。1.6多束筒結構體系：這種結構體系是在平面結構內設定多個剪力牆和薄壁筒體，一般適用於平面形狀較為複雜的房屋建築。（2）設計特點概述高層建築與中低層建築相比，其自身的抗震效能、抗側剛度和承載力等各方面都不相同。不同結構體系的選擇將直接影響到整體建築施工的效果，所以需要透過更加優良的設計概念和合理的構造措施，以及更加專業的相關知識來對整個設計體系進行考慮和選擇。2.1考慮側向力：在低層建築中，側向位移力十分之小，可以忽略不計；在高層建築中，側向位移力隨高度增加而逐漸增大；2.2考慮負載性：由於土質、建築材料等各種因素影響，在不同的地基或樁基上施工時，要依據情況的不同來採用不同的處理措施，並且需要使地基基礎的負載力與上層結構的重力相一致2.3考慮延展性：高層建築由於高度的增加，需要更好的延展性，以及薄弱層的結構需要更加柔軟，使整個建築能夠在地震作用下，有更大程度上的變形能力。2.4考慮剛度強：由於建築高度的不斷增加，高層建築的側向位移也相應增大。所以在對高層建築進行相關設計時，需要考慮整體結構的強度和剛度，使整體結構能夠有合理的自振頻率和位移控制2.5考慮抗震性：在選擇施工地段時，要選擇地質堅硬密實的開闊平坦地段。並且要考慮整體結構的負載力和變形能力兩個因素。
二、高層建築混凝土結構設計的注意事項
由於高層建築和低層建築在許多方面都不同，所以在對高層建築混凝土結構的設計當中，需要注意幾個重要問題：1.規範問題：由於建築行業的迅速發展。過去的規範檔案並不適合現今的高層建築；現在的新規範在內容上發生了很大的變化，增添了更多的限制條件和一些強制性規則，所以設計師在對高層建築混凝土結構進行相關設計時，必須嚴格按照規範要求，遵守相關限制條件和強制性規則，避免影響整個施工過程的順利進行。2.高度問題：高層建築最明顯的特點，就是高度；雖然過高的高度能夠增加更多的居住空間和提高土地的利用率，但是為了應對相應的自然災害（地震、颱風等）來襲，建築物的高度就需要進行嚴格的限制。3.嵌固端的問題：由於嵌固的穩固性會影響整體的穩固性，所以在對整體的穩固性進行設計和計算時，需要注意嵌固的設定合理性。
三、高層建築混凝土結構設計的最佳化措施
1.增加建築整體結構的延展性當遭遇高強度地震和颱風時，高層建築由於自身高度的影響，需要很強的抗傾斜能力和良好的延展性來應對可能產生的嚴重後果。但由於經濟方面等因素，只需要對一些關鍵構件提高其延展性。同時對於不同構造的高層建築，也需要依據其自身特點，來選擇相應的構件進行加強。2.增強建築整體的彈塑性狀態除了良好的延展性外，還可以透過結構的良好彈塑性，即改變建築材料，來吸收地震能量和其他相關自然力量，形成強梁、強柱和強杆件的結構狀態。3.最佳化建築整體結構的佈置整個建築體系中最主要的兩部分，一般是框架和剪力牆。其中對於剪力牆可以採取順序周邊均勻的原則，來進行平面佈置的最佳化；對於框架要採取硬體結構一體化的原則，同時還可以注意下結構美觀的問題。
由於現在人口、經濟等各方面因素的影響，為了提高土地利用率和滿足人口居住需求，高層建築是社會發展所必然出現的產物。現在的大多數建築結構都是混凝土結構，但由於高層建築出現的時間較短，現有的各方面相關經驗和措施都較少，所以需要對於混凝土結構設計的最佳化進一步討論和發展，來獲取更高的經濟效益和社會效益。
作者:李婷婷 單位:中國建築上海設計研究院有限公司
【參考文獻】
[1]廖海龍.淺議高層建築混凝土結構設計中應注意的幾個問題[J].建材與裝飾,2016,(39):99-100.
[2]李潤林.某超高層混凝土框架—核心筒結構的設計與最佳化[D].華南理工大學,2015.
[3]賀美花.帶有鋼管混凝土柱的超高層建築結構抗風最佳化設計研究[D].廣州大學,2015.
[4]楊光磊.對鋼筋混凝土建築結構中考慮二階效應的強度及穩定問題的討論[D].重慶大學,2015.
[5]邵志利,孟凡偉.高層建築混凝土結構設計的相關問題探討[J].門窗,2014,(11):329.