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【摘 要】 在城市发展中，高层建筑所占的地位越来越重要，但其结构的复杂程度也为设计人员增加了难度。本文就高层建筑结构设计的特点入手，分析探讨了高层混凝土结构设计存在的若干问题，并对其高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法进行了阐明。
【关键词】 高层建筑；混凝土结构；结构设计；特点；问题；优化方法
引言：
随着城市化的发展和土地资源的日渐减少，高层建筑成为城市发展的象征，其在城市中所占的地位也越来越重要。然而，由于高层建筑的建筑高度较高，作为高层建筑的灵魂的混凝土结构设计无疑成为了重中之重的任务。为了更好的发挥高层建筑的优势，保证高层建筑的安全施工，应提高混凝土的结构的设计和管理，对设计中存在的问题要给出相应的解决方案，关键的问题更要做到全盘考虑。在设计中应突出设计内涵，把握整体机构，才能更好的完成设计目标，保证设计质量。
一、高层建筑结构设计的特点
1、水平荷载成为设计的决定性因素
1.1高层楼房的自身重力加上楼面所要承受的载荷，在竖直的构件中的弯矩和轴向力是与楼房的高度成正比的。
1.2由水平载荷对结构所引起的倾覆力矩、竖直方向构件产生的轴力与楼房的高度的平方成正比。
1.3竖直方向载荷在高楼层上一般为一定值，水平方向的风载荷其值是在结构动力特性的作用下或有很大幅度上的变化。
2、侧移成为设计的控制指标
2.1结构定点的侧移Ut与其结构的高度H4成正比
2.2结构的侧移以及其使用的安全性、使用的功能有着非常密切的关系。其一，过大的侧移会使人产生不安全的感觉；其二，结构的侧移会对主体结构以及填充墙造成损坏或者出现裂缝，从而影响了正常的使用；其三，因為P-Δ效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏。
2.3必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大的承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。
3、轴向变形的影响在设计中不容忽视
3.1竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力的影响
图为某75层的商业大厦，其采用剪力墙和钢柱混合体系，由于钢柱负荷面积大，其底层的钢柱压缩变形比墙多260mm。
3.2水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响
水平荷载的作用下，使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴向拉伸，从而产生整体水平侧移。
结构层数越高，轴向变形所产生的影响越大。
4、延性成为结构设计的重要指标
4.1延性表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。
4.2延性系数μ：用来衡量延性的大小
4.3结构的抗震性能取决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即结构延性的大小。
4.4为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。
二、高层混凝土结构设计存在的若干问题
在建筑技术发展较为成熟的今天，我国的混凝土结构也在高频率的使用和设计中发现了很多的问题，因此，我们应该追本溯源，对现存的每一个问题进行分析，从中找出原因并加以改进，这样就可以实现混凝土结构的真正价值。
1、墙体产生裂缝
混凝土结构出现裂缝的原因是比较多的，一般混凝土的浇筑工作是一步到位的，但是由于内部和外部的温差过大，相互之间的作用力就会使得墙体出现裂缝，初期比较细小，但是如果没有及时的发现和处理的话，这个裂缝就会逐渐的变大，进而破坏了混凝土结构。
2、结构的超高问题
新的规范是在旧的抗震规范的基础上对高度做了严格的修订，一方面把原来的限制高度设置为A级高度，另一方面增加了B级高层建筑。若是建筑高度达到了或者说超过了B级建筑高度，我们必须改变设计的方法，采取必要的措施。防止由于结构高度的变更而忽视的工程中会出现的问题，这样就会产生工程施工图审查通不过的情况，更为严重的会导致重新设计施工图，有时候还会需要重新开专家会议，这样一来对造假和工程的工期和整体的布局都产生了重大影响和损失。例如，超高建筑物的主楼体系选用3.6m的厚的现浇钢筋混凝土筏板。
3、结构计算与分析阶段的问题
3.1结构安全性。结构设计中必须要考虑以人为本的安全性的问题，由于高层建筑人口居多，密度较大。在天灾人祸面前，一旦设计的不够合理，则会带来严重的灾难后果。在保证高层建筑整体的功能和质量的前提下，最大程度的去减低灾难程度。在设计中一是要考虑建筑结构的承载能力和材料的最大承载力进行比较计算。二是将结构的自振性和环境的因素考虑在内。提高自身结构安全性，减少混凝土的使用量，最大程度减少自身的重量。
3.2混凝土结构耐久性。设计人员要尽可能的去采用一些稳定性和抗入侵性都很强的混凝土进行施工，这样在材料的选择上做了自身结构性的最优选择。在具体设计过程中，要考虑到不同的构件所处的环境进行差异化的设计和材料的选用，使用45mm的混凝土保护层，保证其能延长使用年限。
3.3抗震性。地震对高层建筑的威胁是最大的，设计中要高度重视抗震性，减少一些不对称结构的设计，一些展翼过长的设计也应该根据实际的情况设计，尽可能的科学规划和布局平面结构。确保自身的重量和结构强度的和谐分布。在计算设计时是否需要地震力的放大，考虑到建筑隔墙影响，在新规中增加了振型参与系数的概念。故而对计算结果进行分析的时候，是否要调整振型数目、各地的地震周期需要分开计算。在施工中需增大框架梁在恒活荷载作用下的的跨中正弯矩，此参数取1.1～1.2
4、短肢剪力墙的设置问题
设计人员在对高层建筑的短肢剪力墙进行设计时，应注意剪力墙的平面结构布局对结构承载力的均匀程度的冲击，对短剪力墙的应用的原则是能少用尽量少用，甚至不用。因为在新规中，对短肢剪力墙在高层中的应用增加了很多的限制，为防止以后工作的麻烦尽量少用。一是可以通过将剪力墙进行高度的集中化和均匀设计对剪力墙的平面结构进行优化，另一方面把高层建筑的基准作为参考，对剪力墙进行双向布置。例如，一方面使用的是全高密间距100mm，另一方面提高构件受剪承载力和受压承载力。 三、高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法
1、高强砼和高强钢筋的合理使用
在建筑施工过程中，钢的花费在建筑总花费中占有很大的比重。因此，对于钢的用量要进行严格控制，合理地使用高强钢筋，避免过度用钢造成建筑施工资金不足或紧张。同时对于地基较软弱的高层建筑，合理布置强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸，不仅可以减少造价，还可以减轻地基载荷，方便施工。建筑物的自重越大，地震对其破坏的程度就越大，所以还可以通过减轻建筑自重来降低地震对建筑物的损坏，而合理使用高强砼和高强钢筋可以有效地减轻自重，达到降低造价和降低地震对建筑物破坏的程度。
2、综合考虑平面性状、各部分的刚度和承载力三个方面
首先，要遵循平面结构性状简单规则的原则，将长度和凸出部分控制在一定范围内，竖向体型要规则均匀。其次，要均匀分配各部分的刚度和承载力，竖向布置要采用规则的结构，形状是下大上小，侧向刚度要均匀变化。有时候会发生结构设计严格按照标准设计，导致造型不够美观，在这种情况下，结构设计人员就要关注结构概念设计，并将其贯穿于整个设计中，在保证建筑结构合理适用的前提下，美化建筑外部形象。
3、加強混凝土结构抗裂的设计
按照我国现行的有关规定，应当对建筑混凝土结构的长度进行合理控制，这样能够防止主体结构过长导致局部裂缝的情况发生。为使由温缩应力引起的结构裂缝获得有效控制，应当在混凝土结构设计中增设伸缩缝，其间距可控制30～50mm的范围内。同时，在混凝土结构浇筑施工工艺的设计过程中，因结构仓面较大，故此宜采取分层浇筑法，即将整个混凝土结构分成若干层，并逐层进行浇筑振捣，直至全部完成为止。此外，为避免混凝土裂缝的形成，应当严格控制好温差，具体包括以下内容：内部温差、外部温差、温度徒降等允许值。
4、注重结构抗震性能
合理设计混凝土筒体的承载力和延性，这里特别强调了混合结构体系的高层建筑。为了保证高层建筑的抗震性能，型钢柱的设置位置与设置方法要根据建筑高度的不同而选择适用的。当建筑物高度不超过130m时，并且抗震设防等级多为7级；筒体四角和楼面钢梁与型钢混凝土梁的交接处设置型钢柱，建筑物的高度一般高于130m，型钢柱的位置设在筒体四角，抗震设防等级要设为7、8、9级，避免外围框架的刚度及承载力不达标。要想通过刚性连接外围框架平面内柱与梁的方法增强外围框架的刚度和水平承载力，降低水平作用力使楼层侧移的可能性，可使用以下方法：一是设置外伸桁架加强层；二是采用分段拼装外伸桁架与筒体剪力墙刚接的方法；三是均匀布置贯通性的刚接桁架与抗侧力墙体。
5、注重剪力墙的平面布置
5.1剪力墙的布置要遵循周边均匀和相对集中的原则，当然前提是要保证建筑的使用功能。通常情况下剪力墙的位置是布置在建筑物的楼梯间、电梯间处以及平面形状变化及恒载较大的部位，其间距也要控制好，间距过大或过小都不可以。
5.2剪力墙墙肢截面要简单规则，不宜太复杂，同时剪力墙结构的侧向刚度也要适宜。
5.3短肢剪力墙的数量不宜太多，因为较多的短肢剪力墙没有联合剪力的效果好，特别是全部为短肢剪力墙的情况决不能发生。
四、结束语
总而言之，高层混凝土的结构设计是一个复杂的、庞大的甚至需要不断修改的“工程”，任何的纰漏和差错都是有可能使整个设计过程变得复杂和繁琐，甚至带来不可挽回的损失。因此我们必须在设计的时候提高警惕，认真分析高层建筑中的不稳定因素和对这些问题的解决方式，取长补短，充分的把高层建筑混凝土的结构优势发挥出来，以此来提高建筑的稳定性和安全性，延长建筑的使用年限，最终促进和谐社会的发展。
参考文献：
[1]纪福宏，郭惠琴.混凝土结构设计中若干问题的探讨[J].山西建筑.2011（11）.
[2]张军.对高层建筑混凝土结构设计的思考[J].建筑·建材·装饰.2013（11）.
[3]苏永平.高层建筑中混凝土结构的优化设计研究[J].山西建筑.2013（09）.
【关键词】 高层建筑；混凝土结构；结构设计；特点；问题；优化方法
引言：
随着城市化的发展和土地资源的日渐减少，高层建筑成为城市发展的象征，其在城市中所占的地位也越来越重要。然而，由于高层建筑的建筑高度较高，作为高层建筑的灵魂的混凝土结构设计无疑成为了重中之重的任务。为了更好的发挥高层建筑的优势，保证高层建筑的安全施工，应提高混凝土的结构的设计和管理，对设计中存在的问题要给出相应的解决方案，关键的问题更要做到全盘考虑。在设计中应突出设计内涵，把握整体机构，才能更好的完成设计目标，保证设计质量。
一、高层建筑结构设计的特点
1、水平荷载成为设计的决定性因素
1.1高层楼房的自身重力加上楼面所要承受的载荷，在竖直的构件中的弯矩和轴向力是与楼房的高度成正比的。
1.2由水平载荷对结构所引起的倾覆力矩、竖直方向构件产生的轴力与楼房的高度的平方成正比。
1.3竖直方向载荷在高楼层上一般为一定值，水平方向的风载荷其值是在结构动力特性的作用下或有很大幅度上的变化。
2、侧移成为设计的控制指标
2.1结构定点的侧移Ut与其结构的高度H4成正比
2.2结构的侧移以及其使用的安全性、使用的功能有着非常密切的关系。其一，过大的侧移会使人产生不安全的感觉；其二，结构的侧移会对主体结构以及填充墙造成损坏或者出现裂缝，从而影响了正常的使用；其三，因為P-Δ效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏。
2.3必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大的承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。
3、轴向变形的影响在设计中不容忽视
3.1竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力的影响
图为某75层的商业大厦，其采用剪力墙和钢柱混合体系，由于钢柱负荷面积大，其底层的钢柱压缩变形比墙多260mm。
3.2水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响
水平荷载的作用下，使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴向拉伸，从而产生整体水平侧移。
结构层数越高，轴向变形所产生的影响越大。
4、延性成为结构设计的重要指标
4.1延性表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。
4.2延性系数μ：用来衡量延性的大小
4.3结构的抗震性能取决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即结构延性的大小。
4.4为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。
二、高层混凝土结构设计存在的若干问题
在建筑技术发展较为成熟的今天，我国的混凝土结构也在高频率的使用和设计中发现了很多的问题，因此，我们应该追本溯源，对现存的每一个问题进行分析，从中找出原因并加以改进，这样就可以实现混凝土结构的真正价值。
1、墙体产生裂缝
混凝土结构出现裂缝的原因是比较多的，一般混凝土的浇筑工作是一步到位的，但是由于内部和外部的温差过大，相互之间的作用力就会使得墙体出现裂缝，初期比较细小，但是如果没有及时的发现和处理的话，这个裂缝就会逐渐的变大，进而破坏了混凝土结构。
2、结构的超高问题
新的规范是在旧的抗震规范的基础上对高度做了严格的修订，一方面把原来的限制高度设置为A级高度，另一方面增加了B级高层建筑。若是建筑高度达到了或者说超过了B级建筑高度，我们必须改变设计的方法，采取必要的措施。防止由于结构高度的变更而忽视的工程中会出现的问题，这样就会产生工程施工图审查通不过的情况，更为严重的会导致重新设计施工图，有时候还会需要重新开专家会议，这样一来对造假和工程的工期和整体的布局都产生了重大影响和损失。例如，超高建筑物的主楼体系选用3.6m的厚的现浇钢筋混凝土筏板。
3、结构计算与分析阶段的问题
3.1结构安全性。结构设计中必须要考虑以人为本的安全性的问题，由于高层建筑人口居多，密度较大。在天灾人祸面前，一旦设计的不够合理，则会带来严重的灾难后果。在保证高层建筑整体的功能和质量的前提下，最大程度的去减低灾难程度。在设计中一是要考虑建筑结构的承载能力和材料的最大承载力进行比较计算。二是将结构的自振性和环境的因素考虑在内。提高自身结构安全性，减少混凝土的使用量，最大程度减少自身的重量。
3.2混凝土结构耐久性。设计人员要尽可能的去采用一些稳定性和抗入侵性都很强的混凝土进行施工，这样在材料的选择上做了自身结构性的最优选择。在具体设计过程中，要考虑到不同的构件所处的环境进行差异化的设计和材料的选用，使用45mm的混凝土保护层，保证其能延长使用年限。
3.3抗震性。地震对高层建筑的威胁是最大的，设计中要高度重视抗震性，减少一些不对称结构的设计，一些展翼过长的设计也应该根据实际的情况设计，尽可能的科学规划和布局平面结构。确保自身的重量和结构强度的和谐分布。在计算设计时是否需要地震力的放大，考虑到建筑隔墙影响，在新规中增加了振型参与系数的概念。故而对计算结果进行分析的时候，是否要调整振型数目、各地的地震周期需要分开计算。在施工中需增大框架梁在恒活荷载作用下的的跨中正弯矩，此参数取1.1～1.2
4、短肢剪力墙的设置问题
设计人员在对高层建筑的短肢剪力墙进行设计时，应注意剪力墙的平面结构布局对结构承载力的均匀程度的冲击，对短剪力墙的应用的原则是能少用尽量少用，甚至不用。因为在新规中，对短肢剪力墙在高层中的应用增加了很多的限制，为防止以后工作的麻烦尽量少用。一是可以通过将剪力墙进行高度的集中化和均匀设计对剪力墙的平面结构进行优化，另一方面把高层建筑的基准作为参考，对剪力墙进行双向布置。例如，一方面使用的是全高密间距100mm，另一方面提高构件受剪承载力和受压承载力。 三、高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法
1、高强砼和高强钢筋的合理使用
在建筑施工过程中，钢的花费在建筑总花费中占有很大的比重。因此，对于钢的用量要进行严格控制，合理地使用高强钢筋，避免过度用钢造成建筑施工资金不足或紧张。同时对于地基较软弱的高层建筑，合理布置强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸，不仅可以减少造价，还可以减轻地基载荷，方便施工。建筑物的自重越大，地震对其破坏的程度就越大，所以还可以通过减轻建筑自重来降低地震对建筑物的损坏，而合理使用高强砼和高强钢筋可以有效地减轻自重，达到降低造价和降低地震对建筑物破坏的程度。
2、综合考虑平面性状、各部分的刚度和承载力三个方面
首先，要遵循平面结构性状简单规则的原则，将长度和凸出部分控制在一定范围内，竖向体型要规则均匀。其次，要均匀分配各部分的刚度和承载力，竖向布置要采用规则的结构，形状是下大上小，侧向刚度要均匀变化。有时候会发生结构设计严格按照标准设计，导致造型不够美观，在这种情况下，结构设计人员就要关注结构概念设计，并将其贯穿于整个设计中，在保证建筑结构合理适用的前提下，美化建筑外部形象。
3、加強混凝土结构抗裂的设计
按照我国现行的有关规定，应当对建筑混凝土结构的长度进行合理控制，这样能够防止主体结构过长导致局部裂缝的情况发生。为使由温缩应力引起的结构裂缝获得有效控制，应当在混凝土结构设计中增设伸缩缝，其间距可控制30～50mm的范围内。同时，在混凝土结构浇筑施工工艺的设计过程中，因结构仓面较大，故此宜采取分层浇筑法，即将整个混凝土结构分成若干层，并逐层进行浇筑振捣，直至全部完成为止。此外，为避免混凝土裂缝的形成，应当严格控制好温差，具体包括以下内容：内部温差、外部温差、温度徒降等允许值。
4、注重结构抗震性能
合理设计混凝土筒体的承载力和延性，这里特别强调了混合结构体系的高层建筑。为了保证高层建筑的抗震性能，型钢柱的设置位置与设置方法要根据建筑高度的不同而选择适用的。当建筑物高度不超过130m时，并且抗震设防等级多为7级；筒体四角和楼面钢梁与型钢混凝土梁的交接处设置型钢柱，建筑物的高度一般高于130m，型钢柱的位置设在筒体四角，抗震设防等级要设为7、8、9级，避免外围框架的刚度及承载力不达标。要想通过刚性连接外围框架平面内柱与梁的方法增强外围框架的刚度和水平承载力，降低水平作用力使楼层侧移的可能性，可使用以下方法：一是设置外伸桁架加强层；二是采用分段拼装外伸桁架与筒体剪力墙刚接的方法；三是均匀布置贯通性的刚接桁架与抗侧力墙体。
5、注重剪力墙的平面布置
5.1剪力墙的布置要遵循周边均匀和相对集中的原则，当然前提是要保证建筑的使用功能。通常情况下剪力墙的位置是布置在建筑物的楼梯间、电梯间处以及平面形状变化及恒载较大的部位，其间距也要控制好，间距过大或过小都不可以。
5.2剪力墙墙肢截面要简单规则，不宜太复杂，同时剪力墙结构的侧向刚度也要适宜。
5.3短肢剪力墙的数量不宜太多，因为较多的短肢剪力墙没有联合剪力的效果好，特别是全部为短肢剪力墙的情况决不能发生。
四、结束语
总而言之，高层混凝土的结构设计是一个复杂的、庞大的甚至需要不断修改的“工程”，任何的纰漏和差错都是有可能使整个设计过程变得复杂和繁琐，甚至带来不可挽回的损失。因此我们必须在设计的时候提高警惕，认真分析高层建筑中的不稳定因素和对这些问题的解决方式，取长补短，充分的把高层建筑混凝土的结构优势发挥出来，以此来提高建筑的稳定性和安全性，延长建筑的使用年限，最终促进和谐社会的发展。
参考文献：
[1]纪福宏，郭惠琴.混凝土结构设计中若干问题的探讨[J].山西建筑.2011（11）.
[2]张军.对高层建筑混凝土结构设计的思考[J].建筑·建材·装饰.2013（11）.
[3]苏永平.高层建筑中混凝土结构的优化设计研究[J].山西建筑.2013（09）.