高层混凝土结构的研究现状和趋势

贺 萍

(四川水利职业技术学院，四川都江堰611830)

由于高层结构在我国的迅猛发展，因此，高层混凝土结构在高层结构中得到了广泛的应用。但是作为与人民的生活息息相关的工程，必须对其各方面的性能进行深入的研究，不断改进，不断提高，对其未来发展要有很好的把握。

1 设计方面的研究

随着高层混凝土结构在我国的迅速发展，建筑高度的不断增加，建筑类型与功能的愈来愈复杂，结构体系的更加多样化，高层混凝土结构类型和功能的复杂化也使高层混凝土结构设计变得更加复杂，进而在设计过程中也难免出现一些遗漏和错误。故高层混凝土结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点。

1.1 高层混凝土结构设计中应采取的措施

1.1.1 规则混凝土结构的设计

高层混凝土结构对称性、均匀性的主要体现高层混凝土结构主体抗侧力结构沿两个主轴方向的刚度比较接近、变形特性比较相似。为此，高层混凝土结构主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主体方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀，避免在主体结构布置中某一、二片刚度特别大而延性较差的结构。高层混凝土结构主体抗侧力结构的水平布置还应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀，保证主体结构具有较好的抗扭刚度，以避免高层混凝土结构物在地震荷载或风荷载的扭矩作用下产生过大的扭转变形而结构或非结构构件的破坏。

1.1.2 不规则混凝土结构的设计

对于不规则高层混凝土结构设计中应采取的措施研究，国内、国外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭转刚度太弱的建筑结构，在地震中易受到严重的破坏。国内一些振动台模型试验结果表明，扭转效应会导致建筑结构的严重破坏。对建筑结构的扭转效应需从以下两个方面加以限制:限制建筑结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。限制建筑结构的扭转刚度不能太弱。关键是限制扭转为主的第一自振周期Tc与平动为主的第一自振周期Tl之比。当两者接近时，由于振动耦连的影响，结构的扭转效应明显增大。在抗震设计时，当建筑平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较规则的结构时，宜设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元。

1.2 对高层混凝土结构钢筋设计的研究

1.2.1 高层混凝土框架结构钢筋设计研究

我国高层混凝土框架结构破坏的情况主要有:框架柱的压弯破坏、剪切破坏、弯曲裂缝;框架梁的斜截面破坏、正截面破坏、锚固破坏;板四角的斜裂缝和平行于梁的通长裂缝;框架节点核芯区钢筋配置不当导致的破坏。针对某些节点钢筋设计与构造措施不能满足抗震设计的要求的状况，节点设计的原则应当是“强剪弱弯、强柱弱梁”，首先保证框架柱受力主筋的位置。设计对策:框架梁主筋在框架柱内侧通过。为保证框架梁的截面尺寸，在框架梁靠近柱侧四角增加4根钢筋作为架立钢筋。墙梁节点钢筋设计:在框架－剪力墙结构中，框架梁或者次梁直接搁置在核心筒墙体暗梁或过梁上，如果框架梁的截面和暗梁或过梁的截面高度相等，就造成框架梁主筋和核心筒暗梁或过梁主筋位置互相矛盾。节点设计的原则根据固定端框架梁的弯距形式，框架梁在支座位置上铁受拉，下铁受压;墙体暗梁或过梁受扭。尽量保证暗梁或连梁箍筋的完整性。

1.2.2 高层混凝土结构钢筋设计措施研究

过梁下铁设置不超过六根主筋分为两排布置，框架梁下铁布置在过梁下铁第一排和第二排钢筋之间且框架梁的接头位置全部位于支座附近，接头按照50%的比例错开;框架梁上铁直接搁置在过梁上铁上，保证框架梁主筋的锚固长度满足规范要求。根据GB 50204－2000规范中规定，过梁的箍筋尺寸取负误差，框架梁箍筋的尺寸取正误差，从而保证过梁和框架梁保护层厚度。将过梁或暗梁截面降低或减小5 cm，框架梁上铁直接锚固在过梁上，保证框架梁及楼板钢筋的保护层的厚度。悬挑构件混凝土保护层厚度是施工控制的关键。因为施工条件的限制，现场施工中某些部位的钢筋锚固长度不能满足施工规范要求的锚固长度，故必须根据现场实际情况进行节点深化设计。

总之，钢筋混凝土高层结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，在这过程中的任何遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。

2 高层混凝土结构抗震方面的研究

2.1 注意抗震缝的设计

当抗震缝两侧结构体系不同时，抗震缝宽度按不利的体系考虑，并按较低一侧的高度计算确定缝宽。抗震缝应沿房屋全高设置，基础及地下室可不设置抗震缝，但抗震缝处应加强构造和连接，当相邻结构的基础存在较大沉降时，宜加大抗震缝的宽度。8、9度框架房屋抗震缝两侧结构高度、刚度或层高相差较大时，可在缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于抗震缝的抗震墙，每一侧抗震墙的数量不应少于两道，宜分别对称布置，墙肢的长度可不大于一个柱距框架和抗震墙的内力应按考虑和不考虑抗震墙两种情况分别进行分析，并按不利情况取值。抗震墙在抗震墙一端的边柱箍筋应沿房屋全高加密。所以设计中应力要求自下而上刚度逐渐、均匀减少，体形均匀不突变。

2.2 满足抗震的要求的“四强四弱”

这里需特别指出的是质量不规则类型，考虑地震作用时必须充分领会和灵活运用抗震概念设计的优化准则和采取相应的构造措施。(1)优化准则:“强节弱杆”——防止节点破坏先于构件;“强柱弱梁”——防止杆系发生楼层倾移破坏机制，要求柱的抗弯能力高于梁的抗弯能力;“强剪弱弯”——防止构件剪力破坏，要求杆件的受剪承载力高于受弯承载力;“强压弱拉”——对杆件截面而言，为避免杆件在弯曲时发生受压区混凝土破裂的脆性破坏，使受拉区钢筋承载力低于受压区混凝土受压承载力。(2)保证措施:保证措施有两个方面:一是调整或限制构件的荷载效应，二是强制规定必要的构造措施。这两个方面在高层混凝土结构混凝土结构技术规程有详细的规定，有的则是以强制性条文提出严格要求。

3 高层混凝土受力部位裂缝分析的研究

混凝土与钢筋混凝土结构是一种耐久性较好的结构体系。但是由于混凝土的匀质性较差，抗拉强度较低，又有膨胀收缩、徐变等特性，因此在实际结构中，往往由于设计不周、施工粗糙、使用不当等原因，致使混凝土构件与结构出现不同程度的裂缝，给结构造成一定的损伤，影响建筑物的正常使用，有些裂缝则危及结构的安全，甚至造成建筑物的严重破坏和倒塌。因此，必须注意高层混凝土结构中的裂缝问题。

3.1 高层混凝土三缝设计与施工

随着经济的发展和人口的剧增，高层混凝土结构建筑也逐渐增加。在高层混凝土结构中设置温度缝、沉降缝及抗震缝，可以防止结构产生过大变形和解决结构内力问题。但设置三缝也产生出许多新问题，例如，三缝使得建筑立面处理困难;由于缝两侧均需布置剪力墙或框架，使得建筑使用不方便，而且结构变得复杂。

3.1.1 伸缩缝

高层混凝土结构中，混凝土收缩产生变形和内力，所以要设置温度收缩缝。高层混凝土结构的温度收缩问题由构造解决。如较长区段不能设置温度缝的要采取以下构造和施工措施:(1)在温度影响较大部位(如顶层、底层、山墙、内纵墙端开间等)提高配筋率。实际工程中一般配筋率在0.3%以上。(2)在顶层局部刚度变小或把结构分为较小区段。(3)在屋面设置隔热层，避免温度变化过大。(4)施工中留后浇带，一般隔40 m设一道，带宽0.7～1.0 m。

3.1.2 沉降缝

一般是主楼与群房层数相差很多，荷载也相差很大，由于沉降不均可能使得结构产生难以承受的内力和变形。通常处理沉降差采用三种方法:(1)设置沉降缝使结构各部分分开，自由沉降，这种方法给施工和设计均增加了困难。(2)设置刚度很大的基础来抵抗沉降差，也就是不设缝的做法。但此法使得材料用量急剧增加，不经济。(3)在设计与施工中采取有效措施，调整沉降差，尽量减少沉降产生的内力和变形。

3.1.3 防震缝

抗震设计时，伸缩缝和沉降缝的宽度均应符合防震缝的最小宽度要求。抗震设计在下列情况下设防震缝:

(1)各部分结构刚度相差很大，各部分分别采用不同材料，不同的结构体系时。

(2)各部分质量相差大，有错层时。

(3)平面尺寸和外伸长度尺寸超过规定限值，并且无法采取加强措施时。

总之，高层混凝土结构各部分之间凡是设缝的，就要分得彻底;凡是不设缝的，就要连接牢固，决不要似分非分，似连非连。否则连接处在地震中很容易破坏。

3.2 高层混凝土结构特殊部位裂缝分析

高层混凝土结构首先是混凝土结构，其裂缝具有普通混凝土结构所具有的基本特征，一般普通混凝土裂缝可以分成四大类，基本特点如下(1)荷载裂缝，其一般是由恒载、活载、风载、雪载、吊车荷载等一种或几种荷载作用引起的裂缝。(2)收缩－温度裂缝，它是由材料内部收缩及环境温度变化所引起的结构裂缝，依据其形成的机理不同，可分为:塑性塌落裂缝;塑性收缩裂缝;干缩裂缝;温度裂缝;水化热裂缝;收缩温度裂缝;钢筋锈蚀裂缝;碱骨料反映裂缝。(3)地基变形裂缝，主要是地基不均匀沉降产生的裂缝，这种裂缝在不同地区都有发生，是结构裂缝的一个重要方面。(4)构造不当及设计不周产生的裂缝。

虽然高层混凝土结构具有普通混凝土裂缝的一般特点，但由于它在结构型式、受力、施工、设计方面的不同(例如混凝土强度等级高，受力复杂)，往往导致高层混凝土结构裂缝有其新的特点。以下是其几个主要受力部位的裂缝成因进行探讨。

3.2.1 大体积基础混凝土板

高层混凝土结构随着高度的不断增加，地下室愈做愈深，地板也越来越厚，厚度在3 m以上的地板已屡见不鲜。高层建筑混凝土地板为主要的受力结构，整体要求高，一般一次性整体浇筑。国内外大量实践证明，各种大体积混凝土裂缝主要是由温度变化引起。这样在混凝土内部产生压应力，在外表面产生拉应力，此时混凝土的强度低，有可能产生表面裂缝。而且在降温的过程中产生的拉应力大于升温时产生的压应力，当差值过大，将在混凝土内部产生裂缝，最后可能形成贯穿裂缝。为此，应合理选用材料，降低水泥水化热，优化混凝土集料的配合比，控制水灰比，减少混凝土的干缩。如有可能，采取减少浇筑长度，增加养护时间，减少降温速率，相应减少松弛系数等措施对控制贯通缝也有一定的意义。

3.2.2 地下室混凝土墙板及楼板裂缝分析

这种裂缝的产生是由于混凝土在硬化过程中失水产生的收缩应变，在水泥水化热产生的升温达到最高点以后的降温过程中产生的拉伸应变而造成的。其特点:一是墙板受到基础;外围墙板受到地下室外墙的极大约束，这种约束远大于桩基对基础的约束，产生贯穿裂缝的几率大。二是内墙板及楼板受到温度的影响较大。三是内外温差小，产生表面裂缝的几率小。四是养护困难，散热快，降温速率大，混凝土的松弛徐变又是难以利用，在气温骤变季节尤应注意。

地下室施工完后，通常会发现外墙截面刚度变化处，平面形状转折处的阴角存在竖向裂缝。这类裂缝由顶部往下开裂，上宽下窄，这是由于收缩应力和沉降、温度应力等共同作用，在角部形成集中应力超过混凝土抗拉强度所造成的。

3.2.3 高强混凝土裂缝分析

随着材料科学的迅速发展，C80～C120的高强混凝土在具体工程中已有应用。由于高强混凝土采用的配合比多为低水灰比、高强度水泥、高水泥用量，并使用高效减水剂及加入超细矿粉，这样其收缩机制与普通混凝土就有所不同。高强混凝土由于其水泥用量大多在450～600 kg/m3之间，是普通混凝土的1.2～2倍，这样在混凝土生成的过程中由于水泥水化而引起的体积收缩及自缩就大于普通混凝土，出现裂缝的几率也大于普通混凝土。高强混凝土采用高强度水泥而且用量大，这样在混凝土硬化的过程中，水化放热量大，将加大混凝土的最高温升，从而使混凝土的温度收缩应力加大，在叠加其他因素的情况下，很可能导致温度收缩裂缝。由于高强混凝土中水泥石含量是普通混凝土的1.5倍，在硬化早期由于水分蒸发引起的干缩也将大于普通混凝土。

3.2.4 钢筋混凝土梁施工裂缝分析

现代高层混凝土结构由于建筑上的需要，在底层或底部几层做成大柱网、大开间，这样由于上部结构和下部结构不同，一般要求设置结构转换层将上部数十层的一定数量的剪力墙荷载转换到下部柱的小筒体结构上，在设计上要求混凝土一次浇筑。转换层大梁上承受着巨大的上部荷载，因此在浇筑的过程中极有可能产生沉降裂缝、收缩裂缝及温度裂缝。其主要原因是体型大，荷载大，若支撑体系的强度、刚度和稳定性稍有偏差就有可能使梁局部发生沉降，混凝土凝结后早期的强度很低，稍微的不均匀沉降就可以产生沉降裂缝。

4 发展趋势

20世纪70年代以前，我国的高层混凝土结构多采用钢筋混凝土框架结构、框架－剪力墙结构和剪力墙结构。进入80年代，由于建筑功能以及高度和层数等要求，筒中筒结构、筒体结构、底部大空间的框支剪力墙结构以及大底盘多塔楼结构在工程中逐渐被采用。90年代以后，除上述结构体系得到广泛应用外，多筒体结构、带加强层的框架－筒体结构、连体结构、巨型结构、悬挑结构、错层结构等也逐渐在工程中采用。为适应结构体系的多样化，结构材料向多样性发展。80年代以前高层混凝土结构主要为钢筋混凝土结构。进入90年代后，由于我国钢材产量的增加，钢结构、钢－混凝土混合结构逐渐被采用。此外，型钢混凝土结构和钢管混凝土结构在高层混凝土结构中也正在得到广泛应用。高层混凝土结构采用的混凝土强度等级不断提高，从C30逐步向C60及更高的等级发展。预应力混凝土结构在高层混凝土结构的梁、板结构中广泛应用。钢材的强度等级也不断提高。我国高层混凝土结构早期多为单一用途，为适应建筑功能需要，向多用途、多功能发展，高层混凝土结构平面布置和立面体型日趋复杂。具体的发展趋势如下。

4.1 加大钢管混凝土结构在高层混凝土结构中的应用

钢管混凝土结构是由混凝土填充薄壁圆形钢管而形成的组合结构。钢管混凝土结构中的钢管和混凝土两者在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能得以提高;反过来，由于混凝土的存在，可以延缓或避免钢管过早发生局部屈曲或整体失稳，从而保证了两种材料性能的充分发挥，弥补了两种材料各自的缺点。正是由于钢管和混凝土的完美结合，使钢管混凝土成为性能优良的结构材料。

深圳赛格广场是由我国自行设计、投资、制造和施工的以高科技电子配套市场为主，集办公、会展、商贸、金融、证券和娱乐为一体的现代化超高层混凝土结构。该工程占地面积9 653 m2，地下4层，地上72层，总建筑面积166 700 m2，地上建筑高度291.6 m。赛格广场采用框筒结构体系，其框架柱及抗侧力体系内筒的28根密排柱均采用了钢管混凝土，楼盖采用了钢梁和压型钢板组成的组合楼盖体系。为加强外框架与核心筒的协同工作，共设置了5道刚伸臂。

总之，钢管混凝土结构以其承载力高、抗震性能好、混凝土延性好、耐火性能好、施工简便以及造价经济合理等一系列优点而广泛应用于高层和超高层混凝土结构中。而且，高层混凝土结构也会进一步向高强、高性能、高效施工技术的钢管混凝土结构发展。其前景非常广阔，高强、高性能和高效施工技术的钢管混凝土结构，薄壁钢管混凝土结构、大管径钢管混凝土结构是将来高层混凝土结构的发展方向。

4.2 将钢纤维引入高层混凝土中

将钢纤维混凝土用于高层混凝土结构的一些特殊部位，不但充分发挥了钢纤维混凝土的优点，解决了这些部位的特殊难题，而且又能保证整体结构的经济性。在这方面的研究和应用已积累了不少有益的经验，随着科研工作的深入和规范的不断完善，钢纤维混凝土在高层混凝土结构中的应用将越来越广泛。

4.3 高强混凝土将会广泛用于高层混凝土结构

高强混凝土在高层混凝土结构工程中应用，具有良好的经济效益。

(1)节约了钢材和水泥，减小了构件截面尺寸，从而减轻了结构自重，并使使用面积增加，使总的造价有所降低。

(2)加快了施工进度，由于减少了混凝土和钢筋用量，使模板等一系列施工工作量相应地减少。同时由于高强混凝土早期强度高，可加快施工周转，因而建设周期缩短。

(3)满足了高层混凝土结构及特殊结构的使用要求。在高层混凝土结构中底层柱子受力很大，采用高强混凝土能满足受力和建筑使用要求，使得采用钢筋混凝土结构能建造较高的建筑物。

(4)改善了混凝土的质量，提高了混凝土结构的耐久性，建筑物的使用年限得到延长。

4.4 加大钢－混凝土混合结构在高层混凝土结构中的应用

钢－混凝土混合结构主要有3种类型:①外钢框架－钢筋混凝土核心筒;②钢筋混凝土外框架筒－内钢框架;③钢筋混凝土内、外框筒(剪力墙)－钢楼盖，而这3种类型中尤其以外围钢框架－内钢筋混凝土核心筒体系的使用最为普遍。钢－混凝土混合结构体系有如下优点:与钢结构相比，施工速度快、减少现场焊接工作量、降低防火处理费用、提高了结构的防火性能;与混凝土结构相比，结构刚度大、成本低、减轻了结构自重，增加了建筑使用面积，缩短了施工工期、提高了结构韧性、增加了结构抗震能力;同时，钢和混凝土结合在一起充分发挥了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，其承载力大大超过了单独结构承载力之和;钢筋混凝土与钢组成的整体结构，还增加了结构物的刚度和整体稳定性。因此，钢－混凝土混合结构被认为是一种符合我国国情的较好的高层混凝土结构形式。

4.5 钢结构将会在高层混凝土结构中取代混凝土结构

钢结构建筑具有强度高、自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势。随着房地产开发商、投资公司、大型钢铁企业和有远见的民营企业家纷纷投入钢结构住宅的研究开发工作，再加上钢结构住宅本身的优势，钢结构住宅正得到业内界越来越广泛的关注。

5 结束语

总之，在以后的高层混凝土结构中，由于，钢管混凝土结构、钢纤维混凝土结构、高强混凝土结构、钢－混凝土混合结构以及钢结构由于它们具有各自独特的优点，将在未来高层建筑得到广泛的应用。将会在高层建筑中取代高层混凝土结构，这些结构的应用，具有环保和可持续发展的特点，也更有利于建筑产业化的发展。

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