探讨高层建筑混凝土结构优化设计

探讨高层建筑混凝土结构优化设计

甘焕平

凤岗镇人民政府住房规划建设局523690

摘要：本文主要是结合笔者工作经验阐述了结构优化措施，以促进高层建筑混凝土结构设计的优化完善。

关键词：高层建筑；混凝土结构；优化设计，安全

1高层建筑混凝土结构的设计方法

1.1健全单元结构的布局设计

独立的结构单元设计，指的是高层建筑当中的关键结构设计内容，这种结构设计工作一般都适合选取规则、简洁的平面形式。然而，平面的突出部分的长度和整体长度应管控在适当的范畴当中，并且有呈现出均衡分布的刚度、承载力。与此同时，竖向结构宜选用规则、均匀的形式，从而确保建筑的内收、外挑问题能得到有效的管理与控制。

为此，设计人员应在制作结构设计方案阶段就以概念设计知识及其理念作参照，基于满足建筑的美观度及适用性之上开展优化设计工作，从而促使它的竖向布局与平面布局能均匀、简单、具有规则性，确保其承载力与结构刚度分布合理，进而防止建筑独立结构单位产生太集中的应力或者塑性变形，所以掌握好建筑平面及竖向布置的连续性、均匀性、规则性，控制建筑物的长宽比、高宽比、局部外伸尺寸等指标尽可能满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）的相关要求，是结构优化设计之根本。

1.2优化高强的混凝土与钢筋使用

由于高层建筑建设得消耗大量钢、混凝土等材料，因此如果钢与混凝土的强度太大，会直接导致建筑材料造价超过限定范围，与此同时还会提高其他构件的造价，促使建筑建设的经济效益降低。

就以软土地基之上的高层建筑设计作为实例，这类结构地基由于承受了高荷载，因此为合理优化好建筑当中每一构件的截面尺寸，设计人员应当对高强度的钢筋与混凝土的使用进行优化，减小建筑结构的重量，从而大大减小建筑中所有构件的界面尺寸，减少工程地基处理工作的造价。

1.3科学合理地设计剪力墙平面结构

1）高层剪力墙结构的布置都应尽可能遵循简洁、规则的原则，保证结构的质心与刚心接近，尤其是剪力墙的方案布置、墙肢的长短等均应合理。在剪力墙布置方案上必须要坚持对称、均匀、周边、分散的原则，且墙片不宜过长，剪力墙尽可能避免短肢和“一”字型抗震墙，组成“L”“T”字型，均匀布置在平面上，形成较大的筒体，同时尽可能削弱核心筒墙体刚度，加强周边墙体布置，组合成合理的形状，达到整体刚度均匀，同时墙体布置应注意墙体刚度重心与平面质量重心相接近。

2）墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标。应尽量减少剪力墙数量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件，以期通过布置较少的抗侧力构件获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。如小高层剪力墙结构，由于建筑结构高宽比小，刚度大，抗震墙布置尽可能两三间布置一道，用跨高比较大的连梁联系在一起组成刚度较弱的联肢梁，从而降低总体刚度、加大层间位移，达到优化设计的目的。

1.4优化设计女儿墙

在设计屋面高大的女儿墙的过程中，因为很难直接地加入到高层建筑主体结构的探索队伍中去，所以一定要开展周密、严格的计算工作，从而求算出精确的女儿墙的自重。假使女儿墙不高但也能达标，那么其给建筑结构安全带来的影响会比较小。假使女儿墙的高度在上升过程当中会出现较为明显的风荷载效应及地震荷载效应，那么其也许会给建筑结构的安全性造成一定的影响。事实上，当女儿墙高度值较大时，务必要选取专业的软件以及科学合理的手段把其承受的水平荷载求算出来，而针对配筋的求算则需参考支承于屋顶的悬臂板，并使用双层钢筋。实际上，高层建筑主体结构同屋面女儿墙二者间有着极大的关联性，为此和屋面女儿墙相连的墙抑或是框架梁一定得达到与之相对应的强度标准。

1.5混凝土结构的干缩变形控制

在国家制定的有关高层建筑结构设计标准当中层明确规定：建筑室内现浇框架结构的伸缩缝间距一定要不超过55mm，但是现浇剪力墙结构的伸缩缝间距则与之不同，其得不超过45mm。事实上，在室外要严控混凝土结构的伸缩缝，并遵循以下几大设计要求：1）结构控制：采用合理、科学布局混凝土后浇带的设计方案以有效处理好高层建筑混凝土结构的干缩变形问题。换言之，就是把大楼板面积等额分成几个小区格，并依据一定秩序校准小区格的混凝土，等到其干缩变形彻底完毕后，再校准区格之间的预留区域内的混凝土，从而顺利地处理好混凝土结构的干缩变形问题；2）干缩裂缝：在现浇混凝土的凝固硬化时往往会衍生出一定的收缩应力，而建筑结构当中会产生不规则的或者规则的干缩裂缝。一般而言，建筑结构形式的长度值与干缩裂缝之间的关系成正比，形式愈长，干缩裂缝愈大。因此，在设计混凝土过程中务必要管控好结构形式的长度值。

2高层建筑混凝土结构的优化设计措施

2.1结构安全性

1）设计人员应当在保证建筑各项功能的同时，通过考虑结构自身的抗震性能及外部人为因素可能造成的结构破坏，有目的地将高层建筑的抗震等级提升。同时，还要从整体上，加强结构设计的稳定性与牢固度，避免将砖砌体承重或者装配式的混凝土结构应用于高层的公用属性较高的建筑中，而要优先选取现浇的钢筋混凝土的结构。

2）设计人员要从建筑建设过程中及投入应用后的各个方面人手，综合考虑其荷载变化的状况，尽可能地将建筑结构的荷载标准值与构件承载力设置出较大的弹性裕度，并且为楼面等部位进行额外的增加荷载的设计，以保证建筑在各级的地震与火灾等灾害中，都可以实现对于自身结构安全的维护。

2.2耐久性

1）选择良好的混凝土材料。

设计人员应当在保证混凝土材料的质量与基本性能的基础上，重点从结构的稳定性能、抗侵入性能、抗裂性能等几个方面人手，选择坚固、耐久、洁净的骨料，含碱量与水化热反应较低的水泥，减少对于硅酸盐水泥与用水量的应用，并适当地将矿物掺合料加入到材料中。

2）优化结构使用设计工作。

高层建筑中的混凝土结构物普遍包括多个构件，每一个构件所处的环境存在显著的差别，这就决定了不同构件具备的耐久性寿命存在差异，因此，设计人员要根据实际的使用环境，明确建筑中不同结构构件的使用界限与注意事项。

2.3抗震性

在结构体系设计方面，要尽可能地选择空间结构以及平面布局简单规则的形式，作为建筑的整体结构形式。同时，设计人员还要通过进行合理的布局，使建筑的质量与刚度实现均匀平衡的分布。

而在平立面设计方面，设计人员可以将墙体设置为均匀对称的形式，并提升楼梯或电梯的井筒等具备较高刚度的结构布置的集中性，同时，将抗震墙设计为符合建筑结构整体抗震需求的形式，以提升建筑平面结构的抗震性能。而且，还要保持各转换层结构在竖向刚度方面分布的接近，并使剪力墙的设计可以将墙面竖向持续地贯通到建筑底部。

2.4经济性

1）剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在高层住宅中，开间均较小，分隔墙较多，采用现浇剪力墙，可将承重墙减少，比较经济。另外，剪力墙外观整齐，没有露梁、露柱现象，便于室内布置，因此在高层住宅中常采用现浇剪力墙结构。

2）剪力墙结构设计中应注意的问题。

剪力墙布置的数量与建筑物层数和抗震设防烈度成正比，层数越高、抗震设防烈度越高，剪力墙布置数量就越多，但不是剪力墙数量越多越好。剪力墙的布置数量及其组合形式与结构总体刚度关系密切。如剪力墙结构墙体越多，建筑物的重量越大，地震反应也大，会造成浪费；另外，剪力墙结构墙体多为构造配筋，如果配筋太低，则结构延性差。

3结语

总而言之，高层建筑混凝土结构的优化设计不是以降低结构安全为代价，盲目减小截面及配筋去追求经济指标，而是结构师根据工程特点，立足于具体的设计原则及要求，通过概念设计及一系列合理的技术措施，使得建筑安全可靠，技术合理、经济指标优良。优化设计应成为每一位结构师的习惯和追求。

参考文献：

[1]苏赐钦.高层建筑混凝土结构的优化设计探析[J].黑龙江科技信息，2010，（20）

[2]高师育.高层建筑中混凝土结构裂缝分析及控制措施[J].黑龙江科技信息，2008，（14）