浅析高层建筑混凝土结构设计

摘要：本文结合高层建筑混凝土结构的特点，从混凝土结构布置、地基与基础设计及建筑上部结构设计等方面探讨了高层建筑混凝土结构的设计方案。

关键词：高层建筑 混凝土结构 设计

前言

近年来，随着我国建筑业的迅猛发展，建筑功能不断丰富，致使工程设计越来越复杂。钢筋混凝土作为结构材料在民用建筑中得到广泛的应用和空前的发展。在高层建筑的结构设计中，侧向位移因素的存在使得高层建筑在设计过程中除了需要保证良好的强度外，还必须具备足够的刚度。我国的混凝土结构设计规范已经基本形成体系，但在设计方面仍存在一定的空缺和问题。本文总结了高层建筑混凝土结构设计的特点，提出了高层建筑混凝土结构的设计方案，以促进高层建筑事业的进一步发展。具体分析如下：

一、 混凝土结构布置分析

建筑工程设计中，建筑与结构是两个关系最密切的专业，结构体系的选型和结构布置，都要考虑最有利于抗震和抗风的要求。

首先是建筑以及抗侧力结构的平面布置要规则。针对工程的实际，综合分析各方面因素，采取的规则布置措施主要有：(1)根据建筑地理环境特征，将周边剪力墙尽量加长加厚，尤其是离刚心最远处，将刚心和质心偏心率调整到最小，从而使扭转周期减小，将结构调整成扭转规则结构。(2)削弱核心筒连梁，采用弱连梁连接，增大平动周期，进而使平扭周期比增大。(3)在凹角处增设45°斜向钢筋，抵抗角区应力集中，加强薄弱处的板厚和配筋。

其次是建筑的立面和竖向剖面要规则。为避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力的突变，混凝土结构的侧向刚度要均匀变化，竖向的抗侧力构件截面的尺寸和材料强度要自下而上的逐渐减小。在设计过程中可通过墙柱轴压比的有效控制，提高柱的纵筋配筋率和箍筋配筋率(特别是角部)，纵筋配筋率均加大一级，柱箍筋全楼加密，角柱加芯柱，从而提高在大震中结构竖向构件抵抗的变形能力。

最后设计新型结构。框架体系、剪力墙体系和框架一剪力墙体系三种类型是以往高层建筑固有的结构体系。而我们新型的结构体系主要是根据筒体的组成方式来区分的，主要有框筒体系、筒中筒体系和多束筒体系三种。在水平力作用下，新型结构体系可以看成固定于基础上的箱型悬臂结构，其具有的承载力和抗侧刚度更大。目前，这种新型的筒体结构体系在层数较多、功能较多、用途较多的高层建筑中已得到广泛的应用。

二、 地基与基础设计

“万丈高楼平地起”，地基的好坏将决定一个工程的最终质量，因此，在高层建筑混凝土结构设计中，地基与基础设计是工程的关键。由于上部荷载的巨大差异，设计满足要求的高层建筑主体结构本身筒体与周边结构之间的沉降差和高层主体与裙房或者纯地下结构之间的沉降差对地基方案的选择起着决定性的作用，因此，高层建筑设计主要要把握沉降设计。那么如何进行地基设计呢?笔者主要采用以下两种方案：

一种方案是设计沉降缝。为避免不均匀沉降对建筑物带来的灾害，对于长度较大的建筑物，在建筑平面的转折部位、建筑物高度差异处以及长高比过大的砌体承重结构、地基土压缩性存在明显差异处设置沉降缝，沉降缝能够将建筑物分割成独立的单元，从而实现使各单元产生的沉降互不影响，因此也就避免了不均匀沉降对建筑物带来的灾害。另一种方案是地基基础处理。在建筑纵横墙体相交处，存在着基础面积重叠现象。从而造成地基受力面积重复，地基应力加大。因此，必须调整某局部基础宽度以满足地基承载力的要求。具体做法：一是当基础底面压力设计值超过地基承载力设计值不足10%时，可采用提高上部结构抵抗不均匀沉降能力的措施。二是当基础底面压力设计值超过地基承载力设计值10%及以上或建筑已出现不容许的沉降和裂缝时，可采取放大基础底面积、加固地基或减少荷载的措施。

三、上部结构设计

1、剪力墙结构设计

高层建筑应有较好的空间工作性能，剪力墙结构应双向布置，形成空间结构。在设计中若框剪结构剪力墙布置不均匀，单肢刚度过大的剪力墙经常出现，从而导致应力的过度集中，造成剪力墙的部分破坏。因此，我们应该通过设计有选择地连接两片剪力墙，从而保持建筑物延性的连梁破坏，从而使柱子的完整性得以保证，这就是我们说的延性设计和连梁设计。设计要点是一方面为加强塑性铰区的塑性转动能力，及防止混凝土压溃前受压钢筋过早压屈，我们应在在梁的两端设置箍筋加密区。同时，为防止粘结破坏，可以在设计中采取措施使塑性铰外移，将塑性铰从柱面移开一定距离，从而避免梁端钢筋屈服后向核心区发展。另一方面，可以设置底部加强区，设置约束边缘构件，从而使截面的塑性变形能力增大。主要包括沿墙肢截面的长度和墙肢的高度，箍筋数量，水平分布筋在约束边缘构件内的锚固以及确保一定的纵筋面积的设计，从而符合约束边缘构件的构造要求。另外，剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，使结构具有适宜的侧向刚度。

2、柱的设计

地震作用下，框架短柱刚度大，吸收较大的地震力，极易产生剪切破坏而形成结构抗震薄弱部位。因此，在框架结构的双跑板式楼梯设计时，为避免“框架短柱”的形成，应采取下列措施：一是采用复合箍筋沿柱全高加密的方式处理，同时保证短柱的纵向钢筋对称布置，且每侧的纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。二是通过提高构件受剪承载力和受压承载力的方法来改善短柱的抗震性能，主要措施有在柱中配置螺旋箍筋、普通复合箍筋，加强对混凝土的约束，使混凝土的抗压强度得到提高，从而防止构件在大剪压比情况下发生剪切破坏。

3、梁的设计

由于地震作用、风荷载等水平力的作用，往往使得框架粱的梁端负弯距远大过跨中正弯距。因此，为了避免框架粱负筋过多过密，在设计中我们往往都应将框架粱的负弯距乘以一个0.85左右的调幅系数进行调幅，减少粱端负弯跑，并使跨中正弯距相应增加，做到粱的上下配筋均匀一致。同时，当不计算活荷载或不计算活荷载不利布置时，可通过此参数调整梁在恒活荷载作用下跨中正弯矩，一般取1.1—1.2，在选用时应注意：如果活荷载考虑不利布置时此系数取1.0。另外，当梁底距外窗顶尺寸较小时，宜加大梁高做至窗顶，使外部框架梁尽量做成梁外皮与柱外皮齐平。当建筑有要求时，梁也可偏出柱边一较小尺寸。梁与柱的偏心可大于1/4柱宽，并宜小于1/3柱宽。同时，折梁阴角在下时纵筋应断开，并锚入受压区内La，还应加附加箍筋。

四、总结

建筑事业的快速发展带来了民用建筑的飞跃进步，建筑混凝土结构设计本身是一个复杂综合体，我们只有追求新的结构形式和更加合理的设计方案，使整个建筑结构在平面和竖向合理地布置结构刚度，建设成一个结构上的规则建筑.

参考文献：

[1]江云红. 高层混凝土建筑结构的抗震概念设计[J]. 四川建筑, 2011,(01)

[2]陈峰, 张旭. 关于高层建筑剪力墙连梁设计的探讨[J]. 科技促进发展(应用版), 2010,(08)

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