高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

閆一江 杜盛舟

【摘要】隨著現(xiàn)代化城市進(jìn)程的加快，各個(gè)地區(qū)的高層建筑工程項(xiàng)目越來越多，由于高層建筑的樓層多、施工面積大，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性要求更高。高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)有多種不同的類型，不同的混凝土結(jié)構(gòu)，適用環(huán)境和特點(diǎn)是不同，因此應(yīng)結(jié)合高層建筑的實(shí)際施工要求，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和環(huán)境情況，采用合適類型的混凝土結(jié)構(gòu)，并且做好高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，保障高層建筑施工質(zhì)量，推動(dòng)高層建筑快速發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹了高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，分析了高

層建筑混凝土結(jié)構(gòu)類型，闡述了高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。

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

近年來，我國(guó)高層建筑項(xiàng)目蓬勃發(fā)展，積累了大量的高層建筑施工管理、施工技術(shù)和施工工藝等方面的經(jīng)驗(yàn)，但是和國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在很多不足，一方面混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，影響高層建筑的空間使用功能；另一方面，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不穩(wěn)定性。因此針對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)問題，要根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，分析不同類型混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，做好混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為人們提供一個(gè)舒適、健康、安全的生活環(huán)境。

一、高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

1、可靠性

高層建筑混凝土設(shè)計(jì)的可靠性是指在高層建筑使用年限和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期范圍內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)充分達(dá)到動(dòng)力性能、剛度、穩(wěn)定性、安全性、耐久性等性能要求，并且還要確保即使高層建筑超出使用年限，在各種性能不斷降低基礎(chǔ)上，仍然可以正常使用。

2、耐久性

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足耐久性要求，在規(guī)定的使用年限內(nèi)，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保持良好的結(jié)構(gòu)耐久性，例如，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度和長(zhǎng)度不能超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，并且鋼筋保護(hù)層厚度必須符合應(yīng)用要求，避免鋼筋受到外界環(huán)境潮濕空氣的影響，出現(xiàn)銹蝕、腐蝕等問題。

3、安全性

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性要求，主要以高層建筑使用年限為依據(jù)，在預(yù)定年限時(shí)間內(nèi)，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)必須始終能夠承受外部和內(nèi)部的各項(xiàng)荷載力[1]，即使遭受到突發(fā)性的破壞性時(shí)間，應(yīng)確?；炷两Y(jié)構(gòu)能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，防止出現(xiàn)大面積的結(jié)構(gòu)性損壞。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)類型

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要由混凝土和鋼筋構(gòu)成，采用鋼筋混凝土施工材料來建設(shè)升板、使用滑模、大模板現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)等主要承重部件。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的整體性能，并且剛度大、成本低、維護(hù)方便、位移小、耐高溫，在安全性、穩(wěn)定性和耐久性等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。近年來，各種混凝土增強(qiáng)材料不斷涌出，高強(qiáng)混凝土、鋼混凝土和鋼管混凝土等技術(shù)日益成熟，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在各個(gè)地區(qū)的高層建筑工程的應(yīng)用越來越廣泛。

2、組合結(jié)構(gòu)

組合結(jié)構(gòu)是指由組合砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組合而成的一種結(jié)構(gòu)體，組合砌體結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土面層和磚砌體組成，這種組合轉(zhuǎn)砌體構(gòu)件和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同，其不僅具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各種優(yōu)點(diǎn)，還具有節(jié)約鋼材、污染小等特點(diǎn)，可極大地降低高層建筑結(jié)構(gòu)施工成本，并且施工工藝比較先進(jìn)，在組合結(jié)構(gòu)中，鋼管縫隙中填充著大量的混凝土，混凝土在鋼管中處于三軸受壓狀態(tài)，可極大地提高干鋼管穩(wěn)定性和承載能力[2]，并且節(jié)約鋼材，因此組合結(jié)構(gòu)也是一種重要的混凝土結(jié)構(gòu)形式，在一定條件下，組合結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土的應(yīng)用范圍更加廣泛，其不但可應(yīng)用在各種建筑工程項(xiàng)目中，還可以應(yīng)用在電力、冶金、造船等領(lǐng)域。

3、新型結(jié)構(gòu)

框架體系和剪力墻體系是高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最常見的兩種類型，而新型結(jié)構(gòu)體系，其根據(jù)筒體組成方式進(jìn)行區(qū)分，可分為束筒體系、框筒體系和筒中筒體系，和普通單片平面結(jié)構(gòu)體系相比，新型結(jié)構(gòu)體系具有更高的承載能力，并且筒體具有良好抗側(cè)剛度。當(dāng)前，這種新型結(jié)構(gòu)體系在樓層較多并且功能較全的高層建筑中應(yīng)用較廣泛。

三、高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

1、優(yōu)化結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)做好優(yōu)化結(jié)構(gòu)單位設(shè)計(jì)，獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)適合采用規(guī)則、簡(jiǎn)單的平面形式，混凝土結(jié)構(gòu)突出部分和平面部分的長(zhǎng)度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，保持均勻分布的剛度和承載力。并且，豎向單元結(jié)構(gòu)適合采用規(guī)則、均勻的形式，從而有效控制高層建筑的內(nèi)收和外挑問題。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分滿足高層建筑的美觀度、實(shí)用性和安全性等要求，以概念設(shè)計(jì)的知識(shí)和理念作為參考，優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使混凝土結(jié)構(gòu)的豎向和平面布局實(shí)現(xiàn)規(guī)則性、均勻和簡(jiǎn)單的要求[3]，確?；炷两Y(jié)構(gòu)承載力和剛度合理分布，避免高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)由于受到集中的塑性應(yīng)力而發(fā)生變形。

2、優(yōu)化鋼筋和混凝土使用

高層建筑施工建設(shè)需耗費(fèi)大量的鋼材、混凝土等材料，如果鋼材和混凝土強(qiáng)度較大，會(huì)導(dǎo)致高層建筑施工材料總造價(jià)超標(biāo)，并且增加其他部件的造價(jià)，降低高層建筑的經(jīng)濟(jì)效益，因此高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)化鋼筋和混凝土材料的使用和控制。例如，位于地震區(qū)的高層建筑，由于地震作用程度和高層建筑自重成正比例關(guān)系，因此混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少高強(qiáng)度鋼筋和混凝土的使用量，在減輕高層建筑柱、墻、板、梁等構(gòu)件自重基礎(chǔ)上，提高高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性，確保高層建筑的安全性。又如，位于軟土地基的高層建筑，由于軟土地基存在很多不穩(wěn)定因素，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意合理優(yōu)化高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的截面尺寸，減輕高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)重量，消弱高層建筑基礎(chǔ)工程施工難度，提高高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

3、優(yōu)化剪力墻平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮剪力墻結(jié)構(gòu)平面布局，優(yōu)化剪力墻平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)整體受力的均勻性，使高層建筑受到側(cè)向力影響發(fā)生的位移控制在允許范圍內(nèi)。高層建筑剪力墻平面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)做好以下兩方面內(nèi)容：一方面，以高層建筑主軸方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，雙向布置剪力墻結(jié)構(gòu)，墻肢截面設(shè)計(jì)應(yīng)以簡(jiǎn)單的側(cè)向剛度規(guī)則形式為主，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免使用短肢剪力墻；另一方面，應(yīng)以高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的基本功能為依據(jù)，優(yōu)化剪力墻布置，實(shí)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的均勻化和集中化，在平面形式變化較大的部位設(shè)計(jì)剪力墻，縮小高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)間距。

4、提高結(jié)構(gòu)安全性

高層建筑樓層多，人群密度高，一旦發(fā)生火災(zāi)，人們不易逃脫，并且也難以實(shí)施救治，因此高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足安全性要求。設(shè)計(jì)人員在保證高層建筑各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)上，考慮外部人為因素造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞和高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，有針對(duì)性地提升高層建筑的抗震等級(jí)。并且，從高層建筑整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的牢固度和穩(wěn)定性，在公共屬性較高的高層建筑中，盡量減少裝配式或磚砌承重的混凝土結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選擇現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合高層建筑的使用性能，綜合考慮混凝土結(jié)構(gòu)的荷載變化，高層建筑的構(gòu)件承載力和荷載標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)應(yīng)具有較大的彈性裕度[4]，確保高層建筑在各級(jí)火災(zāi)和地震等災(zāi)害中，對(duì)自身混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和安全性。

5、提高結(jié)構(gòu)抗震性

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)最容易受到的損壞主要來自地震威脅，因此在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)滿足抗震性要求，可通過對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震試驗(yàn)，得出該高層建筑結(jié)構(gòu)的最低抗震性要求，或者借鑒高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)高層建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、平立面體系和結(jié)構(gòu)體系，從而有效提升高層建筑的抗震性。在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延展性方面，應(yīng)盡量加大柱、梁端的組合剪力，提高梁端鋼筋的彎矩和柱體抗彎性能，使高層建筑柱端和梁端充分發(fā)揮塑性性能，在外部荷載作用下，保持高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定協(xié)調(diào)。在平立面設(shè)計(jì)方面，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用均勻?qū)ΨQ的墻體設(shè)置形式，提升電梯或者樓梯的井筒等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)布置的均勻性和集中性，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震墻設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震需求，全面提升高層建筑平面結(jié)構(gòu)的抗震性。并且使高層建筑各轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)盡量接近豎向剛度分布，剪力墻設(shè)計(jì)可以保持墻面豎向到底部的貫通。在混凝土結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡量選擇平面布局和空間結(jié)構(gòu)規(guī)則簡(jiǎn)單的形式，例如高層建筑的平面布局，可采用扇形、方形、圓形、矩形等結(jié)構(gòu)形式作為抗震結(jié)構(gòu)體系，避免使用過長(zhǎng)的伸展翼或者不對(duì)稱的側(cè)翼，通過對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局，使高層建筑實(shí)現(xiàn)均勻平衡的剛度和質(zhì)量分布。

6、提高結(jié)構(gòu)耐久性

首先，合理設(shè)計(jì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，根據(jù)高層建筑的設(shè)計(jì)使用年限和具體侵蝕環(huán)境，設(shè)計(jì)厚度為20mm～60mm的混凝土保護(hù)層，仔細(xì)計(jì)算構(gòu)件的表面積和截面積，避免出現(xiàn)侵蝕性物質(zhì)集中的區(qū)域，并且確?；炷翂Π逶诟咔治g度環(huán)境中保持良好的通風(fēng)效果，合理設(shè)計(jì)配筋間距，避免出現(xiàn)保護(hù)層剝離、鋼筋銹蝕等問題。其次，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用設(shè)計(jì)，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)包含多個(gè)構(gòu)件，由于不同構(gòu)件所處的外界環(huán)境不同，因此不同構(gòu)件的耐久性也存在差異，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合高層建筑的實(shí)際環(huán)境，明確不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的注意事項(xiàng)和使用接線。最后，選擇性能優(yōu)良的混凝土材料，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)混凝土材料的基本性能和質(zhì)量，從混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能、抗侵入性能和穩(wěn)定性能等方面考慮，選擇含堿量低的水泥和潔凈、耐久、堅(jiān)固的骨料，減少硅酸水泥的使用量，并且適當(dāng)在水泥中摻加一些礦物料，提高混凝土材料的強(qiáng)度和剛度。

結(jié)束語：

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮多方面因素，如地震力和高層建筑風(fēng)等側(cè)向力的影響，地基荷載和自重的影響，確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，從整體上優(yōu)化高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合主要體系和總體系之間存在的受力標(biāo)準(zhǔn)，找到最優(yōu)的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，滿足高層建筑的安全性、穩(wěn)定性和耐久性要求。

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