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摘要：随着市场经济的不断发展，使得我国建筑行业的发展具备了广阔的空间。当前，很多地区正在积极建立的高层建筑。这就必须要对混凝土结构设计问题进行改进，使其发挥出更大的作用。本文通过对高层建筑混凝土结构设计的深入分析，然后对如何完善高层建筑混凝土结构设计进行了详细阐述，以供同行探讨。
关键词：高层建筑、混凝土结构、稳定
中图分类号：TU208文献标识码： A
一、前言
城市现代化建设使得我国高层建筑不断出现，并且由于人们的要求其建筑施工的需要使得建筑技术的难度也随之增加。而高层建筑的侧向位移迅速加快使得高层建筑在设计过程中除了需要保证良好的强度外，还必须具备足够的刚度，这样才能让混凝土的结构不断完善，将水平力作用下的层位移限制在最小范围内。并且为防止高层建筑受到地震影响出现倒塌，不仅需要达到使用需要的强度，还应该对整个建筑实施更好的完善方案，来从整体上改进建筑的结构性能，从而增加高层建筑的使用寿命这就需要在结构设计阶段将以上不同的因素积极考虑在内，保证结构具备良好的强度、刚度。
二、高层建筑混凝土结构的设计特点
与多层建筑的结构设计不同,高层建筑的结构设计需要考虑的因素更多,设计中所涉及到的问题更为复杂,设计难度更大。这是因为高层建筑不但增大了对地基基础的荷载与强度要求,同时其自身的结构构件柱、墙、梁、板的承载能力、抗震能力也都需要得到保证,只有这样才能确保建筑自身的稳定性与安全性。高层建筑混凝土结构的设计具有以下几个特点:
1、水平侧向力是影响高层建筑结构设计中关于变形设计的主要影响因素。高层建筑受到的水平力主要为日常的风荷载及地震荷载作用下产生的水平地震力。与普通多层建筑相比,高层建筑的结构中更需要考虑到侧向力对建筑结构的影响,这是因为高层建筑受到水平荷载会产生较大的水平位移,影响到建筑结构的整体稳定性和舒适性。因此在结构设计中要尤其注意考虑到这一点。
2、结构的刚度布置需适宜。有人认为在建筑结构的设计中,结构的刚度越大则其承载能力越强,抗震性能就越好。其实不然,高层建筑的结构并非是刚度越大越好,刚度及质量越大,吸引的地震力也越大,同时造价也会提高,所以高层建筑结构需同时具备一定的柔性,这样才能增大其抗震性能,保证其在外力作用下,不会因刚度和脆性过大而发生倒塌。因此在设计中应该将建筑的刚度控制在适宜的范围内,不可过大,也不可过小。这也就要求高层建筑应当具备一定的延性,同时满足建筑的承载能力和抗震能力。
三、地基基础设计
地基基础是保证高层建筑安全稳定的根本,若地基基础的设计存在缺陷,那将会对后期的建筑使用带来严重影响与危害。一般来讲,高层建筑的地基基础设计最应当注意的问题就是基础的沉降问题。为此,在基础设计中应当尤其注意沉降计算,以下我们来分析两种常见的地基设计方案:
1、设置沉降缝。为避免不均匀沉降对建筑物带来的灾害,对于较长的建筑物,在建筑平面的转折部位、建筑物高度差异较大处以及地基土压缩性存在明显差异处设置沉降缝,沉降缝能够将建筑物分割成相对独立的结构单元,从而使各单元产生的沉降互不影响,因此也就避免了不均匀沉降对建筑物带来的损坏。
2、地基基础处理。高层建筑由于其传给基础的荷载往往较大,使得很多的地基承载力不能满足其采用天然地基的承载要求,当基础底面压力设计值与地基承载力设计值相当或超过不超过5%时,可采用提高上部结构刚度,如框架结构可在建筑的正负0.00米标高附近加设拉梁,适当加大梁柱截面,适当加大框架梁的通长配筋,加强抵抗不均匀沉降能力的措施。当超过5%及以上或预估结构沉降值超过规范限值时,可采取放大基础底面积、对地基进行加固处理或减少上部荷载等措施。近年来,越来越多的高层建筑采用地基处理的方法,针对高层建筑不同的结构类型、对地基的承载力要求及不同的地质情况,采用不同的地基处理方法。如近期在内蒙古呼和浩特市、包头市等地的百米高层剪力墙结构,多采用CFG桩加筏板的基础形式,CFG樁即水泥粉煤灰碎石桩,由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和,用各种成桩机械制成的低强度桩。
四、上部结构设计
除了要做好高层建筑结构的基础设计之外,还需要对其上部结构设计进行全面的优化设计,尤其是对主要受力构件,特别是竖向受力结构等主体结构的设计,更应当严格控制设计质量,不断完善优化设计方案,保证高层建筑的设计质量。
1、剪力墙的布置
高层建筑中很多涉及剪力墙的布置问题,无论是框架一剪力墙结构中的剪力墙,还是纯剪力墙结构中的剪力墙,亦或框架一核心筒和筒中筒结构中的剪力墙,都存在如何布置的问题,这也是高层混凝土结构设计需要首先面对的一个问题。为保证高层建筑较好的空间工作性能,剪力墙均应双向布置,遵循均匀、对称、强边角的布置原则,尽可能使剪力墙的刚度分布均匀。在设计框架一剪力墙结构时,若剪力墙布置不均匀,使刚度偏置,就会导致结构单元扭转效应明显,有时,即使加大柱截面和框架梁截面,也难以保证结构的第一周期为平动周期。另一方面,对于剪力墙的轴压比超过一定限值时,需要设置底部加强区域,设置约束边缘构件,从而使截面的塑性变形能力大大提高。另外设计中一定要提高对短肢剪力墙的重视程度,尽量避免布置短肢剪力墙,如果因条件限制不能完全实现,就需要控制短肢剪力墙的出现位置及数量,采取加强措施。
2、框架短柱的设计
地震作用下,框架短柱刚度大,吸收较大的地震力,尤其要注意楼层局部出现短柱的部位,极易产生剪切破坏而形成结构抗震薄弱部位。如在框架结构中双跑楼梯与平台板连接的框架柱,三跑和四跑楼梯的楼梯四角的框架柱,都可能成为框架短柱,对此类框架短柱应采取下列措施:一是采用复合箍筋沿柱全高加密间距100mm,同时保证短柱的纵向钢筋对称布置,且每侧的纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%;二是通过提高构件受剪承载力和受压承载力的方法来改善短柱的抗震性能,从而防止构件在大剪压比的情况下发生剪切破坏。
3、框架梁的设计
由于风荷载、地震力等水平荷载的作用,往往使框架梁的梁端负弯距远大于跨中正弯距。因此,为了避免框架梁负筋过多,在设计中我们都将框架粱的负弯距乘以一个0.85的调整系数进行调幅,减少梁端负弯距,并相应增加跨中正弯距。,当计算不考虑活荷载不利布置时,需增大框架梁在恒活荷载作用下的跨中正弯矩,此参数一般取1.1-1.2。另外,如果搭在框架梁上的次梁负筋配置过大时,会导致对框架梁的不利影响,此时应减小此处配筋,将其调整加大至次梁跨中或次梁与框架梁按铰接处理。
五、结束语
近30年来,高层建筑发展十分迅速,如雨后春笋林立于世界各地,具有强大的生命力。它的突出优点是有效地利用空间资源,占地面积小,可缓解大城市的住房困难、交通拥挤和用地紧张等问题。总之,在当前的城市现代化进程中,高层建筑混凝土结构必须要做严格填密的设计,尤其是对高层建筑的基础、剪力墙、梁、柱等对建筑整体稳定性影响较大的部位,更应当不断完善设计方案,提高设计水平,以确保建筑工程的设计质量。
参考文献：
[1] 江云红：《高层混凝土建筑结构的抗震概念设计》，《四川建筑》，2011年01期
[2] 张启华：《高层建筑工程结构设计问题研究》，《科技致富向导》，2010年17期
[3] 李元泰：《论高层建筑中大体积混凝土施工技术》，《科技致富向导》，2010年20期
[4] 张立安：《浅谈高层建筑结构分析与设计》，《中小企业管理与科技(上旬刊)》，2010年 05期
关键词：高层建筑、混凝土结构、稳定
中图分类号：TU208文献标识码： A
一、前言
城市现代化建设使得我国高层建筑不断出现，并且由于人们的要求其建筑施工的需要使得建筑技术的难度也随之增加。而高层建筑的侧向位移迅速加快使得高层建筑在设计过程中除了需要保证良好的强度外，还必须具备足够的刚度，这样才能让混凝土的结构不断完善，将水平力作用下的层位移限制在最小范围内。并且为防止高层建筑受到地震影响出现倒塌，不仅需要达到使用需要的强度，还应该对整个建筑实施更好的完善方案，来从整体上改进建筑的结构性能，从而增加高层建筑的使用寿命这就需要在结构设计阶段将以上不同的因素积极考虑在内，保证结构具备良好的强度、刚度。
二、高层建筑混凝土结构的设计特点
与多层建筑的结构设计不同,高层建筑的结构设计需要考虑的因素更多,设计中所涉及到的问题更为复杂,设计难度更大。这是因为高层建筑不但增大了对地基基础的荷载与强度要求,同时其自身的结构构件柱、墙、梁、板的承载能力、抗震能力也都需要得到保证,只有这样才能确保建筑自身的稳定性与安全性。高层建筑混凝土结构的设计具有以下几个特点:
1、水平侧向力是影响高层建筑结构设计中关于变形设计的主要影响因素。高层建筑受到的水平力主要为日常的风荷载及地震荷载作用下产生的水平地震力。与普通多层建筑相比,高层建筑的结构中更需要考虑到侧向力对建筑结构的影响,这是因为高层建筑受到水平荷载会产生较大的水平位移,影响到建筑结构的整体稳定性和舒适性。因此在结构设计中要尤其注意考虑到这一点。
2、结构的刚度布置需适宜。有人认为在建筑结构的设计中,结构的刚度越大则其承载能力越强,抗震性能就越好。其实不然,高层建筑的结构并非是刚度越大越好,刚度及质量越大,吸引的地震力也越大,同时造价也会提高,所以高层建筑结构需同时具备一定的柔性,这样才能增大其抗震性能,保证其在外力作用下,不会因刚度和脆性过大而发生倒塌。因此在设计中应该将建筑的刚度控制在适宜的范围内,不可过大,也不可过小。这也就要求高层建筑应当具备一定的延性,同时满足建筑的承载能力和抗震能力。
三、地基基础设计
地基基础是保证高层建筑安全稳定的根本,若地基基础的设计存在缺陷,那将会对后期的建筑使用带来严重影响与危害。一般来讲,高层建筑的地基基础设计最应当注意的问题就是基础的沉降问题。为此,在基础设计中应当尤其注意沉降计算,以下我们来分析两种常见的地基设计方案:
1、设置沉降缝。为避免不均匀沉降对建筑物带来的灾害,对于较长的建筑物,在建筑平面的转折部位、建筑物高度差异较大处以及地基土压缩性存在明显差异处设置沉降缝,沉降缝能够将建筑物分割成相对独立的结构单元,从而使各单元产生的沉降互不影响,因此也就避免了不均匀沉降对建筑物带来的损坏。
2、地基基础处理。高层建筑由于其传给基础的荷载往往较大,使得很多的地基承载力不能满足其采用天然地基的承载要求,当基础底面压力设计值与地基承载力设计值相当或超过不超过5%时,可采用提高上部结构刚度,如框架结构可在建筑的正负0.00米标高附近加设拉梁,适当加大梁柱截面,适当加大框架梁的通长配筋,加强抵抗不均匀沉降能力的措施。当超过5%及以上或预估结构沉降值超过规范限值时,可采取放大基础底面积、对地基进行加固处理或减少上部荷载等措施。近年来,越来越多的高层建筑采用地基处理的方法,针对高层建筑不同的结构类型、对地基的承载力要求及不同的地质情况,采用不同的地基处理方法。如近期在内蒙古呼和浩特市、包头市等地的百米高层剪力墙结构,多采用CFG桩加筏板的基础形式,CFG樁即水泥粉煤灰碎石桩,由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和,用各种成桩机械制成的低强度桩。
四、上部结构设计
除了要做好高层建筑结构的基础设计之外,还需要对其上部结构设计进行全面的优化设计,尤其是对主要受力构件,特别是竖向受力结构等主体结构的设计,更应当严格控制设计质量,不断完善优化设计方案,保证高层建筑的设计质量。
1、剪力墙的布置
高层建筑中很多涉及剪力墙的布置问题,无论是框架一剪力墙结构中的剪力墙,还是纯剪力墙结构中的剪力墙,亦或框架一核心筒和筒中筒结构中的剪力墙,都存在如何布置的问题,这也是高层混凝土结构设计需要首先面对的一个问题。为保证高层建筑较好的空间工作性能,剪力墙均应双向布置,遵循均匀、对称、强边角的布置原则,尽可能使剪力墙的刚度分布均匀。在设计框架一剪力墙结构时,若剪力墙布置不均匀,使刚度偏置,就会导致结构单元扭转效应明显,有时,即使加大柱截面和框架梁截面,也难以保证结构的第一周期为平动周期。另一方面,对于剪力墙的轴压比超过一定限值时,需要设置底部加强区域,设置约束边缘构件,从而使截面的塑性变形能力大大提高。另外设计中一定要提高对短肢剪力墙的重视程度,尽量避免布置短肢剪力墙,如果因条件限制不能完全实现,就需要控制短肢剪力墙的出现位置及数量,采取加强措施。
2、框架短柱的设计
地震作用下,框架短柱刚度大,吸收较大的地震力,尤其要注意楼层局部出现短柱的部位,极易产生剪切破坏而形成结构抗震薄弱部位。如在框架结构中双跑楼梯与平台板连接的框架柱,三跑和四跑楼梯的楼梯四角的框架柱,都可能成为框架短柱,对此类框架短柱应采取下列措施:一是采用复合箍筋沿柱全高加密间距100mm,同时保证短柱的纵向钢筋对称布置,且每侧的纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%;二是通过提高构件受剪承载力和受压承载力的方法来改善短柱的抗震性能,从而防止构件在大剪压比的情况下发生剪切破坏。
3、框架梁的设计
由于风荷载、地震力等水平荷载的作用,往往使框架梁的梁端负弯距远大于跨中正弯距。因此,为了避免框架梁负筋过多,在设计中我们都将框架粱的负弯距乘以一个0.85的调整系数进行调幅,减少梁端负弯距,并相应增加跨中正弯距。,当计算不考虑活荷载不利布置时,需增大框架梁在恒活荷载作用下的跨中正弯矩,此参数一般取1.1-1.2。另外,如果搭在框架梁上的次梁负筋配置过大时,会导致对框架梁的不利影响,此时应减小此处配筋,将其调整加大至次梁跨中或次梁与框架梁按铰接处理。
五、结束语
近30年来,高层建筑发展十分迅速,如雨后春笋林立于世界各地,具有强大的生命力。它的突出优点是有效地利用空间资源,占地面积小,可缓解大城市的住房困难、交通拥挤和用地紧张等问题。总之,在当前的城市现代化进程中,高层建筑混凝土结构必须要做严格填密的设计,尤其是对高层建筑的基础、剪力墙、梁、柱等对建筑整体稳定性影响较大的部位,更应当不断完善设计方案,提高设计水平,以确保建筑工程的设计质量。
参考文献：
[1] 江云红：《高层混凝土建筑结构的抗震概念设计》，《四川建筑》，2011年01期
[2] 张启华：《高层建筑工程结构设计问题研究》，《科技致富向导》，2010年17期
[3] 李元泰：《论高层建筑中大体积混凝土施工技术》，《科技致富向导》，2010年20期
[4] 张立安：《浅谈高层建筑结构分析与设计》，《中小企业管理与科技(上旬刊)》，2010年 05期