谈高层建筑混凝土结构设计

张 军

（山西国建工程设计有限公司大同分公司 山西 大同 037000）

随着社会经济的快速发展，人们对于生活品质的要求越来越高，同时，对于建筑工程的需求也逐渐增多，与此同时，城市土地资源紧缺，而通过规划建设高层建筑，即可有效解决这一问题，因此，在各大城市规划建设中，很多新建工程项目均为高层建筑。与普通建筑工程相比，高层建筑结构复杂程度比较高，在结构设计和施工方面均面临很多难点，在高层建筑结构设计中，要求保证结构强度以及刚度，因此，需综合考虑各类影响因素，保证高层建筑结构设计方案的完善性。

1 高层建筑混凝土结构类型

在高层建筑混凝土结构设计中，必须重点考虑水平荷载承受力。必须保证结构具备良好的抗震性以及抗风性。高层建筑结构类型比较多，各类结构对于水平荷载以及竖向荷载的抵抗能力均有一定的区别，因此，应综合考虑高层建筑总高度、内部结构特征等选择适宜的混凝土结构类型。

1.1 框架结构

在高层建筑设计中应用框架结构，可显著提升平面布置的灵活性，即可根据高层建筑建设需求对内部空间进行灵活分割。在框架结构设计中，可将其设计为延性框架，由于结构类型比较少，因此设计计算工作量小。由于框架结构的侧向刚度小，因此，主要被应用于高度在60m以下的高层建筑结构设计中。

1.2 剪力墙结构

剪力墙结构的刚度比较大，是由钢筋混凝土结构所组成的，在高层建筑结构设计中应用剪力墙结构，可有效承担建筑水平荷载以及竖向荷载。通常情况下，剪力墙结构开间为3m～8m之间，一般被应用于高层住宅工程建设中。在剪力墙结构施工中，可避免墙角部位露出棱角，同时改善结构美观性。剪力墙结构侧向刚度和承载能力均比较强，并且弹塑性变形能力强，一般被应用于高度低于140m的高层建筑结构设计中[1]。

1.3 框架—剪力墙结构

框架剪力墙结构可将框架结构、剪力墙结构的优势进行有效结合，使二者共同承担建筑结构水平荷载以及竖向荷载。框架—剪力墙结构的布置方式灵活便捷，并且延性比较强，与框架结构相比，侧向刚度更大，可显著改善结构承载能力，一般被应用于高度低于130m的高层建筑结构设计中。

1.4 筒体结构

对于筒体结构，可划分为三种类型：①框筒结构，通过布置小柱距、高截面梁密柱深梁，即可构成整体框架结构，通常情况下，框筒结构为四榀框架，不仅抗侧力和承载力强，并且抗扭刚度比较大，可充分发挥各类施工材料的性能；②筒中筒结构，在筒中筒结构的实际应用中，需将框筒作为外筒，对于高层建筑电梯间、管道竖井等，均需规划设置在高层建筑工程中心，据此形成内筒。筒中筒结构的内外筒可发挥协同作用，其中，外筒可有效抵抗水平作用力，而内筒则能够抵抗水平剪力，一般被应用于高度低于180m的高层建筑结构设计中；③框架—核心筒结构，是由外围框架结构以及中心筒体所组成的，外筒和内筒之间的距离在10m～12m之间，布置形式灵活便捷，一般被应用于高度低于150m的高层建筑结构设计中[2]。

2 高层建筑混凝土结构设计要点

2.1 概念设计

在高层建筑混凝土结构设计中，概念设计是保证结构抗震性能的关键，在结构概念设计中，要求设计人员详细了解各类设计规范以及规程中与概念设计相关的规定条例，避免盲目计算而违反相关规范。概念设计要点如下：①在结构体系设计方面，需保证结构选型以及内部布置的规则性，选用经济效益高、抗风性能及抗震性能好的结构体系。在结构设计方案中，需确定具体的计算简图，保证地震力传递的合理性，同时还要求保证在两个轴方向，结构的动力特性大致相同；②水平地震作用具有双向性特征，在结构布置方面，应当尽量使结构可抵抗来自于各个方向的地震作用力，保证结构沿平面两个主轴方向均具有较强的刚度以及抗震性能。在结构刚度设计方面，要求综合考虑建筑工程建设场地特征，合理确定结构刚度，尽量减小地震作用效应，同时还需注意对结构变形问题予以有效控制，如果结构变形量比较大，则会造成P-Δ效应过大，对结构整体性造成不良影响；在结构设计中，还需注意提升水平向刚度、抗扭刚度以及抗震性；③在独立结构单元设计中，应当注意在凹角以及缩颈部位发生应力集中问题；对于楼梯间、电梯间，应当尽量避免设置在凹角以及端部；尽量减小地震作用下所产生的扭转效应。在竖向体型结构设计中，应当尽量避免外挑以及内收过多，在结构刚度、承载力设计方面，均需沿建筑高度方向避免造成结构软弱。另外，还需注意，避免结构破坏而造成整体结构丧失抗震性能。在高层建筑工程结构单元连接设计方面，应当保证连接牢固性，一般可应用加强连接方式[3]。

2.2 地基与基础设计

①如果建筑工程基础结构柱下扩展基础宽度比较大，在4m以上，或者地基为软弱地层，则应当采用柱下条基，同时还需注意适当增加基础结构宽度；②如果建筑工程项目建设场地地质条件好，基础埋深在3m以上，则可设计地下室，如果地基结构承载力已能够满足设计要求，则无需将地下室底板外伸，以改善结构防水性，另外，每间隔30m～40m均需设置后浇带，并应用微膨胀混凝土浇筑施工方式，以改善基础结构承载能力，尽量减小地震作用对上部结构造成不良影响；③对于新建建筑工程基础结构深度，应当控制在周围已建项目基础结构深度以下，如果与原有基础结构相比深度更大，则应当将二者之间的净距控制在基础结构高差的2倍以上，如果没有采用这一结构设计方式，则需联合应用抗滑移桩，改善基础结构稳定性。

2.3 结构选型

（1）结构体系问题。如果高层建筑结构的地基结构稳定性比较高，则在上部结构设计中，应当在满足变形限制规定的基础上尽量减小刚度。通过对基础结构以及上部结构设计方案进行优化调整，确保符合相关规范中关于高宽比的限制规定。将塔楼较长肢的剪力墙用轻质墙隔为短肢墙，保证转换层上下刚度的均匀性。通过对相关规范进行分析，对于转换层上下刚度比计算公式，应当调整为控制上下层转角比值为1左右。在高层建筑结构设计规范中，如果顶点位移以及层间位移的限值不合理，则应当采用适宜措施进行优化调整，改善水平加强层的侧向刚度，此时外柱剪力会有所增加，因此，需密切关注结构设计中的各项细节。

（2）控制柱的轴压比与短柱问题。通过有效控制柱轴压比，即可使柱处于大偏压状态，如果柱的塑性变形能力比较小，则结构延性较差；如果发生地震灾害，则所吸收的地震能量比较少，导致结构稳定性降低。但是，在高层建筑混凝土结构设计中，如果采用强柱弱梁设计方式，梁的延性比较好，则柱不易进入屈服状态，因此，可适当放松轴压比限值。另外，在很多高层建筑工程结构设计中，底层柱的长细比在4以内，并非为短柱，为判断是否为短柱，需重点检查剪跨比，如果剪跨比在2以下，则为短柱。通过相关研究发现，在建筑结构抗震设计规范中，应当适当增加轴压比，另外，推广应用钢筋混凝土，提升建筑抗震性[4]。

2.4 结构计算与分析

（1）确定抗震等级。在高层建筑混凝土结构设计中，可参考《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）确定建筑抗震等级，如果高层建筑是由主楼和裙楼所组成的，则对于裙楼抗震等级，不应低于主楼抗震等级。部分高层建筑结构的复杂程度比较高，如果将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，则对于地下一层结构抗震等级，应当保证与上部结构相同，而对于地下一层抗震等级，应当采用三级或者较低等级。

（2）振型数目。振型数与结构层数密切相关，在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中，已对阵型取值做出明确规定，在计算分析过程中，以规范要求作为依据，对振型数目取值进行调整。

（3）非结构构件设计计算。在高层建筑工程结构设计中，为了改善建筑结构美观性，可能会设置部分非结构构件，而高层建筑结构所承受的风荷载比较大，因此应当对非结构构件进行妥善处理[5]。

3 高层建筑混凝土结构设计实例

本文选择某高层商业办公楼作为研究对象，对混凝土结构设计要点进行详细探究。该商业办公楼是由A、B、C三栋高层塔楼以及一栋2层裙楼所组成的，其中，一层和二层均为商业用房，如图1所示。而三层以上均为办公用房。A、B塔楼均为18层高层建筑，二者之间顶部两层相互连接，总建设高度为64.4m，而C塔楼为19层高层建筑，总高度为58.6m。在A塔楼和B塔楼整体结构设计中，采用框架-剪力墙连体结构设计方案。

图1 A、B栋一层商场平面/mm

3.1 基础及地下室设计

在该高层建筑基础结构设计中，采用桩基础结构设计方案，在桩体结构施工中，采用钻孔灌注桩施工技术，通过对建筑上部荷载进行分析，桩径设定为两种，包括Φ700以及Φ800。另外，在主楼基础结构设计中，采用Φ800桩，而对于其余部分，则采用Φ700桩。桩基持力层为圆砾层，桩进入持力层的深度在2.5m～6.4m之间，有效桩长度在48.1m～56m之间。为确定单桩竖向承载力特征值，应当对试桩结果进行收集整理，同时参考项目建设场地地质勘查报告设定，即3500kN以及4100kN。

3.2 结构选型及结构布置

该高层建筑工程平面为狭长形，在连体结构两侧塔楼混凝土结构设计中，应当尽量保证二者的体形、平面以及刚度保持一致，尽量减小耦联振动。在该高层建筑混凝土结构设计中，对于两塔楼之间的平面，设计为喇叭形，柱距北面最小为16.8m，而南面最大为29.4m。在连接体结构设计中，对于最下层钢骨混凝土梁，可作为转换结构，即可有效支撑连接体整体结构。通过应用上述设计方案，钢骨混凝土梁的断面最大部位面积为900mm×3000mm，施工难度比较大，在对结构安全性以及经济性进行全面分析后，在两个轴之间可增加两个柱，保证连接体柱距相同，为16.8m。在连接体结构和主体结构之间，可采用刚性连接方式，对于该高层建筑每一层，均需设置500mm×1800mm混凝土梁，即可将主体结构连接为整体，同时保证受力协调。主梁高度比较大，连接体每一层的层高均为主塔楼两层的高度[6]。

连体结构的振型比较丰富，平动、扭转振型一般相互耦合，在对结构扭转效应进行计算时，可采用平扭耦联方式，同时还需综合考虑双向地震的影响。连体部位的复杂程度比较高，在连体部分设计中，应当注意两塔楼体型大致相同，并且间距比较小，在风荷载取值时，应当重点考虑建筑工程之间的相互影响，体型系数与相互干扰增大系数相乘，在连接体最下一层楼板结构设计中，还需重点考虑扭转耦联时结构周期及振型，如表1所示。通过对结构设计结果进行分析，可将自振周期控制在一定范围内，符合规范要求。

表1 考虑扭转耦联时结构周期及振型

3.3 抗震加强措施

（1）转换结构抗震设计。该高层建筑工程结构复杂程度比较高，并且转换成为薄弱层，因此，对于框支柱、框支梁、剪力墙底部的加强部位，应当提升抗震等级，同时还需增加框支梁所在楼层楼板厚度，并采用双层双向加强配筋构造设计形式。

（2）连接体结构抗震设计。该高层建筑工程为I类扭转不规则，一旦发生地震灾害，则会对连接体结构造成不良影响，发生塌落事故，对此，在连接体及连接体相邻结构抗震设计中，应当提升抗震等级，适当增加楼板结构厚度，另外，对于连接部分，需采用双层双向贯通布置方式。

4 结语

综上所述，本文结合实例，对高层建筑混凝土结构设计方式进行了详细探究。高层建筑工程结构体系复杂程度比较高，在高层建筑设计中，必须保证结构布置的科学性以及合理性，在连体结构设计中，应当保证连体结构各个部分的体型、平面以及刚度保持大致相同，即可避免连体结构复杂程度比较高而诱发耦联振动问题，改善高层建筑结构稳定性和安全性。