高层建筑混凝土结构优化设计分析研究

赵鑫

（中天设计集团有限公司，长春 130000）

1 引言

高层建筑结构日常使用过程中，不仅要承受外部载荷，还要承担自身质量及其他竖向载荷。而且，高层建筑会受到地震、风等因素的影响，在进行混凝土结构设计时，要综合考虑各种因素，结合建筑用途、结构类型、抗震条件等要素开展结构优化设计工作。

2 高层建筑混凝土结构设计的基本原则

2.1 安全性

高层建筑混凝土结构设计中需要将结构安全问题摆在首位。在进行结构预设工作前，要坚持以人为本的原则，以混凝土结构安全性标准为指导，确定高层建筑整体设计价值及意义。保证建筑的安全设计，满足相应标准规范要求，确保设计高效、合理[1]。

2.2 适用性

高层建筑混凝土结构设计需要综合内外多种因素进行建筑的功能性分析，对高层建筑内部空间进行构思，综合分析建筑整体功能性需求，保持建筑良好的适用性，充分发挥高层建筑自身特点，以便获取良好的结构性能。

2.3 可靠性

高层建筑混凝土结构的设计使用年限需要结合材料、技术、工艺等要素进行综合控制，在预设过程中针对高层建筑可靠性、安全性、耐用性进行选择及提升，都需要考虑以上要素的影响。在后续混凝土结构设计期间，秉承安全性原则，以耐用性为前提进行分析，确保混凝土结构可靠性满足高层建筑建设需求。

3 高层建筑混凝土结构优化设计分析

3.1 合理布置建筑平面结构

高层建筑平面布局结构会对建筑抗震性能产生较大影响，而抗震性能是所有建筑进行结构设计时必须重点关注的基础性工作。具体设计工作中，要按照高层建筑抗震设计原则、要求、标准等进行设计，关注混凝土结构材料对建筑抗震性能的影响，根据建筑楼层高度选择合理的抗震等级。一般情况下，简单、对称、规则的建筑结构能够提升建筑整体的抗震能力，并且消耗地震释放的部分能量，能够很好地弱化地震的延伸作用，降低地震对高层建筑的破坏。而对于多塔结构、顶部塔楼结构等要掌握其振型数，合理控制其大小，做好设计数据核算，严格遵循标准规范设计要求，遵循抗震设计理念开展工作，在满足建筑建设要求的基础上，尽量选择规则性较强的平面结构，进而提升高层建筑混凝土结构的抗震性能[2]。

3.2 选择有效的抗侧力结构形式

高层建筑抗侧力结构系统能够提升建筑水平抗震性能。日常混凝土结构设计，要综合建筑功能性、高度、结构等要素进行考虑，选择有效的抗侧力结构形式。若建筑高度小于50m，且内部空间要求标准高，可以选择框架结构作为混凝土结构抗震体系，以便充分利用框架结构的灵活空间；若建筑高度在100m左右，可以选择剪力墙结构，确保高层建筑混凝土结构刚度满足标准要求，且结构水平位移较小；对于建筑空间、结构类型都要求较高的建筑，可以选择框剪结构、框筒结构等进行设计，在满足高层建筑功能性要求的同时保障结构抗侧力刚度达标。

3.3 根据建设要求选择基础类型

高层建筑基础需要承载上部所有结构重量，其类型的选择需要根据施工区域水文、地质勘察资料，以及上部结构形式、载荷等要素进行综合分析才能确立较为科学的基础形式。而且，高层建筑基础类型会对建筑安全、功能、成本产生直接影响，必须以慎重的态度对待，选择科学、有效的基础方案。若建筑层数较少、载荷较小，且建设区域水文、地质等要素处于较好水平，可以选择独立基础、条形基础等，这2类基础经济性、便利性都非常高；若建筑层数较多、载荷较大，且建设区域的水文、地质等要素存在较大问题，可以选择桩基础，通过桩基的摩擦力、端承力将上部载荷传递到大地当中；若建筑层数较多、建设区域水文地质条件优越，或者建筑层数较少且基础持力层的土质较差，均可使用筏板类型的混凝土基础，增加高层混凝土结构与下部持力层之间的基础面积，降低土层单位面积荷载，提升基础整体承载能力[3]。

3.4 关注薄弱层结构的设计工作

高层建筑薄弱层的设计非常关键。这主要是由于薄弱层会在外部强烈的地震作用下，出现屈服形变问题，给混凝土结构带来较为严重的安全影响。因此，在高层建筑混凝土结构设计期间需要对结构薄弱层进行重点关注，选择有效的设计方法提升整体结构安全性。若高层建筑混凝土结构竖向结构刚度不连续，而楼层刚度比低于标准规范要求，就出现了结构薄弱层。此时，在设计过程中，需要借助放大调整系数调整结构薄弱层的构件设计，确保薄弱层安全标准满足规范要求，提升整个高层建筑抗震能力。

3.5 优化转换层结构设计工作

高层建筑底部各层对建筑空间要求存在多种标准，这就需要在高层建筑当中设计转换层来完成整体的结构转换。高层建筑混凝土结构转换层设计需要关注转换层上下竖向结构设置是否合理，是否能够将落地剪力墙百分比控制在合理范围，并解决建筑竖向结构构件刚度突变问题。若无法合理设置建筑转换层内部结构形式，很容易造成高层建筑竖向刚度突变性转变，进而出现抗震不利的薄弱点，影响高层建筑整体结构安全。对高层建筑混凝土结构转换层上、下2部分的刚度来说，需要严格控制其刚度比，确保能够提升建筑竖向构件的抗侧力，来降低建筑整体竖向构件刚度突变造成的问题。使整个高层建筑混凝土结构位移比、整体性、刚度比都能满足标准规范要求。另外，还要通过设计控制高层建筑上部的竖向构件数量，以便降低转换层结构的刚度差值，避免混凝土结构转换层发生突变性的刚度转换，保证高层建筑整体结构能够满足工程建设要求[4]。

3.6 控制混凝土自身参数性能

优化设计混凝土配比，选择中水化热的普通硅酸盐水泥，原材料需要送检试验，保证测试结果合格，结合施工工程现场测得的各类砂石骨料的含水量、直径等，计算出实际使用砂石料的施工配合比。

严格按照砂子—水泥—石子—水的顺序进行上料，确保混凝土搅拌的均匀性，要按照混凝土塌落度以及搅拌机容量来确定出搅拌的时间，确保现场满足早期强度要求。关注混凝土水化热控制方式，在材料当中适当添加相应的辅料、膨胀剂，替代后浇带作用。若在冬季施工，要注意采取有效措施防范冻害问题。在高层建筑施工过程中，不可避免地会涉及大体积混凝土浇筑，通过严格控制混凝土水灰比、塌落度，确保混凝土性能保持一致，防范附加应力问题，减少混凝土出现裂纹的问题。完成大体积混凝土浇筑施工后，及时采取措施进行覆盖，做好保温养护、保湿养护工作，严格控制混凝土表面温度。

4 结语

高层建筑混凝土结构体系较为复杂，其设计工作的经验、技术都有了较大发展。在此背景下，开展高层建筑混凝土建筑结构设计要注重其布局，采取有效措施优化其结构平面状况，选择安全、合理的结构类型，满足高层建筑建设整体需求。