高层建筑混凝土结构设计初探

摘要：本文作者结合实际设计经验，对高层建筑混凝土结构设计进行了分析探讨，提出了自己的见解。

关键词：高层建筑；混凝土；结构设计

1 高层建筑混凝土结构设计的原则

1.1 整体性

混凝土结构设计的整体性是指把各个部分组成一个整体，研究整体的功能和设计规律，从整体和部分中发现整体的特征。

1.2 结构性

在混凝土结构设计过程中，要充分了解其结构及其各要素是非常重要的。建筑结构决定着建筑的性能和质量，影响着它在建筑中的使用和其发展情况，同时它也是性能的载体，还可以反作用于结构。混凝土结构的各要素运动的稳定性与结构息息相关。

1.3 最优化性

混凝土结构设计中存在差异整合，使建筑的各个部分合理的组合在一起，差异的部分相互互补，相互支持，相互需要，保证着整合后的性能。建筑结构的形成也离不开差异整合，充分体现了它的重要性，在设计过程中，我们要重视这一点。

1.4 动态性

混凝土结构设计的动态原则是把握系统的内外联系，以及发展趋势，动力规律、方式等方面，使混凝土在建筑中提供更好地应用，满足需求，把握时代的发展方向，跟随时代的脚步。

2 高层建筑结构设计特点

2.1 侧向力（风或水平地震作用）成为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。高层建筑和低层建筑一样，承受自重、活载、雪载等垂直荷载和风、地震等水平力。在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，可以忽略不计；在多层结构中，水平荷载的效应（内力和位移）逐渐增大；在高层建筑中，水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。

2.2 结构应具有适宜刚度。随着高度的增加，高层建筑的侧向位移迅速增大。因此设计高层建筑时，不仅要求结构有足够的强度，而且要求结构有适宜的刚度，使结构有合理的自振频率等动力特性，并使水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。

2.3 结构应具有良好的延性。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。建筑结构的耐震主要取决于结构的承载力和变形能力两个因素。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免高层建筑在大震下倒塌，必须在满足必要强度的前提下，通过优良的概念设计和合理的构造措施，来提高整个结构、特别是薄弱层（部位）的变形能力，来保证结构具有足够的延性。

因此，在结构设计中应综合考虑这些因素，合理设计，使结构具有足够的强度、适宜的刚度、良好的延性。

3 结构选型

3.1 结构的规则性问题。新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作被动。

3.2 结构的超高问题。在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外，增加了B级高度的建筑，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为B级高度建筑甚或超过了B级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。

3.3 嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

3.4 短肢剪力墙的设置问题。在新规范中，对墙肢截面高厚比为5-8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

4 地基与基础设计

在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂，《地基基础设计规范》无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定，因此，作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确。

5 结构计算与分析

5.1 结构整体计算的软件选择。由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以，在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件。对计算结果的合理性、可靠性进行判断是十分必要的，是结构工程师最主要的任务之一，这项工作要以结构工程师的力学概念和丰富的工程经验为基础。

5.2 结构整体计算需控制的几个参数。①剪重比：控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。若过小，说明底部剪力过小，这时应注意结构位移和结构稳定是否满足要求。若过大，应检查输入信息是否有误或剪力墙过多结构太刚。②刚度比：控制结构竖向规则性，避免产生刚度突变。③位移比：控制结构平面规则性，以免产生扭转。它反映的是质心与刚心的偏离程度。平面布置宜规则，对称，使质心和刚心尽量重合。④周期比：控制结构扭转效应。结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑不应大于0.85。反映的是抗扭刚度与抗侧刚度之间的关系。⑤层间受剪承载力比：控制竖向不规则性。

5.3 是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数，已列为强制性条文，需特别注意。

5.4 多塔结构和分缝结构的计算分析。近几年来，大底盘，多塔楼的高层建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型高层建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。如果分开计算，下部裙房及基础计算误差较大，且各塔之间相互影响无法考虑。应先进行整体计算，但计算周期比时应将各塔分开。

5.5 非结构构件的计算与设计。在高层建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。

对这部分内容，尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大。因此，必须严格按照规范中的非结构构件的计算处理措施进行设计。

6 结束语

实际上结构设计不仅仅是一门技术，更是一门艺术，结构设计没有绝对最佳的标准模式，只有通过不断地探索、比较，去寻求相对的最优。因此，我们每一个结构设计工程师都应不断地追求尽善尽美的设计思想，不只盲目照搬规范和依赖计算机程序作设计，用自己的结构设计概念、经验、判断力和创造力为业主和社会设计出更好的建筑。随着我国经济的发展和科学技术的进步，城市中的高层建筑如雨后春笋，日益增加。高层建筑混凝土结构设计复杂，应从结构设计特点、结构选型、具体程序计算、结构构造措施等方面把握整个设计。本文主要对高层建筑混凝土结构设计的基本要求进行了简要的分析。

参考文献：

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 原长庆.高层建筑混凝土结构设计[M].哈尔冰：哈尔滨工业大学出版社，2009.

[3] 付平位.高层建筑钢筋混凝土的结构设计[J].科教纵横，2011，（08）.

[4] 徐银夫.关于高层建筑结构设计的研究[J].科技经济市场，2010，（02）.

[5] 闵小双.概念设计在建筑结构设计中的意义[J].科技咨询导报，2011，（02）.

[6] 康为江，郦世平.高层建筑中竖向结构的选型与布置探讨[J].建筑技术，2009，（11）.