论述高层建筑混凝土结构设计的相关要点

许文清

【摘要】混凝土的结构设计是一项复杂工作，设计人员要掌握足够的理论知识与实际经验、通过合理、科学地调整混凝土结构设计，来提高整体高层建筑结构设计的可靠性。

【关键词】高层建筑；结构设计；混凝土；措施

1、高层建筑的混凝土结构的设计要求

1.1延展性

高层建筑的结构柔性比低层的楼房要高，一旦遭遇地震等问题，会发生更大幅度的作用变形，若要避免建筑在地震等作用下发生倒塌变形等问题，就必须在进行混凝土结构的设计时，使其结构具备足够的延展性能。

1.2侧向力

目前，高层建筑的结构设计中，其结构内力与变形等问题，主要受到地震的水平作用力及外部环境中的风力等因素的影响，层数的不断增多会带动水平作用力的持续加大。所以，在设计混凝土结构时，必须要充分地将这些侧向力的影响考虑在内。

1.3刚度要求

高层建筑面临着众多的水平作用力影响，容易出现较大幅度的侧向位移，设计人员在进行混凝土结构设计时，必须在保证其具有足够强度的基础上，同时使其具备合理的刚度及自振频率，进而将楼层水平位移控制于允许范围。

2、高层建筑结构混凝土设计应用遵循的原则

混凝土结构平面设计要尽量使平面规则、简单、对称、长宽比适当，这样可以使平面刚度、承载力、质量分布均匀，质量中心与刚度中心接近重合，提高混凝土结构的抗震能力。具体应遵循以下原则：尽量采用规则的高层建筑结构，保证建筑平面、立面及结构布置对抗震有利；具备合理的传力途径，使作用在上部结构的水平力和竖向力能够直接、不间断地传递到基础，避免中断和迂回；具有整体的可靠性和牢固性，当高层建筑结构受到作用力丧失致使整个结构的倒塌；确定构件与构件之间、结构与结构之间，该彻底分离的绝不似分非分，该牢固的绝不似接非接；处理好结构单元与结构构件承载力之间的关系，尽量设置多道抗震防线，增强结构的抗震能力。

3、高层建筑混凝土结构设计

3.1结构平面布置

一般来说对于高层建筑内，除了极特殊的设计需求外，在高层建筑内每一个独立结构单元都不宜采用严重不规划的平置布置设计，也就是说，应该追求形状简单、规则，尽可能做到刚度和承载力分布均匀，高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状，例如抗震设计的A级高度钢筋混凝土高层建筑，其平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大，不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。

（1）结构平面布置应减少扭转的影响。首先考虑地震作用下的偶然偏心因素，其中最重要的是评估楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移。具体规定是，A级高度的高层建筑，其位移值不应大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度的高层建筑、混合结构高层建筑以及复杂高层建筑不应大于该楼层平均值的1.2倍。

（2）抗震设计时的高层结构平面布置。高层建筑宜调整平面形状和结构布置，避免结构不规则，不设防震缝。然而当建筑物平面形状复杂，我们又无法通过简单的办法将其平面形状和结构布置调整，从而形成较规则的结构时，这时我们就应该设置防震缝，以便将其划分为几个较简单的结构单元。

3.2结构竖向布置

高层建筑的竖向结构更加重要，直接影响到整体建筑的质量。高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，如无特殊的设计需要，则应力求避免有过大的外挑和内收。出于重心和稳定的考虑，整体建筑的竖向结构应该下大上小，侧向应该是逐渐均匀变化，例如世界上第一高的建筑迪拜塔就很好地证明了这一点。如果是竖向结构不是直的，或者不是下大上小，出现严重不规则的结构，例如央视大楼，那就需要特殊的结构设计，否则为会整体建筑结构的稳定性带来隐患。如果建筑结构竖向内收时，从抗震需要的角度，高层建筑结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%，或者说不应小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。

3.3抗震等级的设计

高层结构的抗震等级的设计要结合当地的地震发生状况，按照百年一遇、两百年一遇的标准来设计，在可能的情况下，还要提高抗震等级。当本区域的抗震防烈度为6到8度时，抗震等级还要在这个基础上再提高一度。在进行高层建筑的抗震设计时，其钢筋混凝土结构构件所采用的搞震等级，主要考虑到设防烈度、结构类型和房屋高度，因这三个因素不多而采用不同的抗震等级。

一般来说，高层建筑都是有地下室的，当高层建筑把地下室顶层作为其嵌固端时，这时地下室的搞震强度就应该与整体结构完全相同，否则仍然会对整体建筑有着较大的影响。如果不是这样，那么地下室的搞震等級可以稍微降低一下需求，根据每个地区的具体情况采用三级或四级。总而言之，高层建筑钢混结构设计要从竖向和平面的结构设计、抗震等级多方面的角度来分析，严格执行国家的相关规定。

4、实例分析

4.1工程概况

某高层办公楼，地下两层为停车库及设备房，局部为人防地下室，地上建筑由A、B、商业裙楼组成。A、B塔楼为18层，两栋塔楼顶部两层相连，A、B塔楼与两层裙房间通过钢结构连廊相连，连廊与塔楼间设置伸缩缝。

4.2结构设计

4.2.1基础及地下室设计

本工程采用桩基础，桩型采用抗拔性能较好的钻孔灌注桩，桩径根据上部荷载情况选用￠700和￠800两种，主楼部分采用￠800的桩，其它部分为￠700的桩基持力层为8～2层圆砾层，桩进入持力层2.5～6.4m，有效桩长为48.1～56m，单桩竖向承载力特征值结合设计试桩结果和地质报告情况分别确定为3500KN和4100kN。

两层地下室平面呈“厂”字形，局部为两层人防地下室，人防等级为6级。地下室东西向最长150m，南北向最长120m，中间不设伸缩缝，超过规范建议的结构伸缩缝最大间距，设计采用纵横向设置多道后浇带等措施减小温度变化和混凝土收缩对结构的影响。

4.2.2结构选型及布置

由于建筑平面较狭长复杂，因此连体结构两边的塔楼采用基本一致的体形、平面和刚度，可以一定程度上减小复杂的耦联振动。最初的建筑方案在两塔楼间的平面呈喇叭形，柱距北面小为16.8m，南面大为29.4m。连接体结构拟采用最下一层的钢骨混凝土梁作为转换结构来支承整个连接体，这样试算下来钢骨混凝土梁的最大断面达到900×3000，给施工带来很大的难度。经过安全性、经济性和可行性的综合分析比较，最后决定在两排柱轴各增加两个柱子，使连接体的柱距相同，均为16.8m。连接体结构与主体结构采用刚性连接，连体部分连接主梁为每层设500×1800混凝土梁，保证连接部分的刚度，将主体结构连接为整体协调受力、变形。由于主梁较高，连接体每层层高为主塔楼两层的高度，以满足建筑空间的需要。

4.3抗震加强措施

4.3.1加强转换结构的抗震措施

考虑到该工程为复杂高层建筑结构，转换层为薄弱层，故在抗震构造方面有针对性地采取了如下措施：

（1）框支柱、框支梁、剪力墙底部加强部位的抗震等级提高一级采用；

（2）薄弱层（第三结构层）的地震剪力乘1.15的增大系数；并适当对框支柱的剪力进行调整；

（3）框支柱、框支梁的设计满足《高规》中关于框支柱、框支粱在抗震设计时的相关规定；

（4）框支梁所在层的楼板厚度加大为180，双层双向加强配筋构造。

5、结语

高层建筑的发展，充分显示了科学技术的力量，使设计师从过去强调艺术效果转向重视建筑特有功能与技术因素。建筑结构设计人员要明确自己的责任，从结构方案的确定、结构计算、构造要求等多方面考虑，提高结构设计质量。

参考文献：

[1]吕西林.高层建筑结构[M].武汉：武汉工业大学出版社，2012.

[2]周芝兰.普通高等院校土木专业“十一五”规划精品教材建筑结构[M].武汉：华中科技大学出版社.2013