高层混凝土结构优化设计方法探究

李志勇

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摘要：在城市发展中占有重要的地位。但是，由于高层建筑建设的特殊性，在建设过程中使用的技术也较为复杂，尤其是混凝土结构方面，一旦出现结构问题就很容易导致整个建筑出现安全隐患，造成开发商的经济损失，严重时还有可能出现安全事故，危及人们的生命安全。因此，技术人员应该严格按照相关规范进行建设施工，才能保障建筑的质量和安全。本文基于高层混凝土结构优化设计方法探究展开论述。

关键词：高层混凝土；结构优化；设计方法探究

引言

高层住宅在进行结构设计时，主要考虑竖向荷载和水平荷载两个因素。其中竖向荷载主要包括结构本身自重、施工或建成使用中的活荷载以及竖向地震作用等；水平荷载主要包括风荷载和水平地震作用。竖向荷载作用下的受力情况相对简单，根据传统的力学知识即可进行分析设计，但水平荷载作用下的受力情况相对复杂，而且对高层住宅的结构起控制作用的往往是风荷载和水平地震作用。

1建筑结构优化设计的原则

对建筑物进行结构设计优化不同于简单的结构设计，需要在完成结构设计并掌握其设计优缺点的基础上，在不破坏原有设计，尽可能使原有设计更加符合工程实际需求的前提下，根据以下原则进行优化设计：（1）保证结构的整体性、安全性和稳定性；（2）保证结构具有较强的抗震性和结构强度，特殊部位应做局部加强设计；（3）做好必要的冗余设计，减少不必要的结构构件，以降低建设施工的复杂度和建设成本。

2钢筋混凝土高层结构设计中存在的问题分析

2.1钢筋混凝土高层结构平面设计缺乏合理性

高层结构设计的原则是保证高层建筑安全的同时有效降低建造的成本，所以在初步设计阶段应该对设计方案不断地改进，最终实现成本的最低化和钢筋混凝土高层结构设计的合理化。有些单体的建筑方案一味的追求造型新颖独特有创新，平面有较多的凸出或内凹，方案阶段布置的不合理，就会导致我们结构的墙柱、梁板布置不合理，结构整体受力不合理，相应的房屋的舒适度也会大大降低，工程造价也会增加很多，这其实是很不合理的。比如说，在沿海地区，风荷载是高层建筑的主要控制性荷载，有些平面形状复杂的高层，如Y形、H形以及弧形，这些形状的房屋风压太大，不利于抗风设计，如果坚持此方案布置，必然会导致钢筋及混凝土用量的大大增加，此项目经济性将会较差。再比如，有些平面比较狭长的建筑物，地震时会产生不规则振动，在地震较大时，会产生比较大的震害。细腰形建筑，在凹角部位会形成应力集中，导致楼板开裂、破坏。所以我们在方案初始阶段，结构人员应该尽早的介入，对建筑的不合理的设计，我们应该给出我们合理的建议，以避免结构体系的不合理。

2.2结构设计中一些细节的处理

高层结构设计本身难度较大，涉及许多抗震细节，必须要对其重视。首先，在中度地震情况下，在设计时可以加入一小水平剪力墙，这样能够在一级剪力墙塑性情况下仍能保持建筑物外形不会发生严重形变。其次，设计师还需对连接两端剪力墙的梁提高重视。因为在地震发生时连接梁一般会先开裂，连接梁在能量消耗中发挥了巨大作用，极大地提高了建筑物的延展性。需注意在对连接梁进行设计时，要对其不断弱化，否则由于连接梁设计过于强大，在地震发生时很容易将墙拉伸变形，进而给高层建筑带来安全风险。最后要注意梁柱节点的处理，在相关施工规范中已经对强柱弱梁进行了详细解说，但部分设计师未进行认真钻研，在梁头凭主观添加了梁端部，这样反而形成了弱柱强梁的模型，当地震到来时，整个结构会由于支撑力不足严重崩溃，造成巨大损失。因此，在梁柱设计时，设计师不宜盲目地对梁柱进行加强，要在考虑各载荷的情况下进行适当、科学的加强。

2.3钢筋混凝土高层结构竖向不规则

有些单体建筑追求立面的变化，左右单元不对称，层数不同，并且会有较多的外挑和收进，这其实对于结构是很不利的。建筑的薄弱部位一般表现在不规则的部位，不规则会引起质心和刚心的偏心，上下层之间结构刚度的突变，会导致承载力的突变，继而出现变形的过分集中，将会出现严重震害甚至倒塌。

3高层混凝土结构优化设计方法

3.1结构体系的选择

目前，普通高层住宅常用的结构形式有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等。框架结构是指由梁、柱组成框架来抵抗水平荷载和竖向荷载的结构形式。剪力墙结构是现在高层结构中最常使用的结构体系，指的是由抗侧刚度大的钢筋混凝土墙体承受全部水平荷载和竖向荷载的结构形式。其特点是结构体系刚度较大，空间整体性能较好，且呈现出良好的抗震性能，但剪力墙结构中的墙体不像框架结构填充墙可拆除，不能形成大空间，不利于用户后期使用功能改造。框架剪力墙结构的受力特点兼有框架及剪力墙结构体系的优点，即在剪力墙结构中布置一定数量的框架柱，这种结构布置及使用上比剪力墙结构灵活、方便，刚度及抗震能力上比框架结构有着明显的提升，但其抗侧刚度不如剪力墙结构体系，所以主要还是用于低烈度高层中。综合经济性及住宅的品质要求，笔者认为6度、7度、8度区，高度≤80m建议采用剪力墙结构或少柱剪力墙结构；6度区，高度≤60m可采用框剪结构。

3.2合理布置平面结构

对于高层建筑来说，其平面布局结构的设置将会影响建筑的稳定性，进而影响建筑的抗震性能，而建筑的抗震性能是高层建筑结构设计中最为重要的一点。技术人员在开展具体的设计工作时，应该严格遵守高层建筑抗震设计的规范与原则进行设计，同时注意使用材料对建筑抗震性的影响，最后很久建筑的楼层和高度要求合理选择抗震等级。通常情况下，使用简单对称的建筑结构能够有效提升建筑整体的抗震性能，同时还能够消耗地震释放的部分能量，缓解地震对建筑物的影响和破坏效应。其次，对于不规则建筑结构、多塔结构以及顶部塔楼结构等，技术人员还应该注意掌握建筑的振型数，进行严格的设计数据计算，在满足建筑设计需求的同时提升高层建筑混凝土结构的抗震性和稳定性。

3.3建筑基础结构的优化措施

一般裙楼部分采用独立基础，主楼部分采用筏板基础，对桩基承台和基础底板进行优化设计时，需要在满足设计要求的基础上，结合地质勘察报告对设计数据留有适当的余量，避免意外情况的发生；同时，要注意不可随意加大钢筋长度和密度，杜绝浪费现象的发生。将建筑物地下室基础部分由通用的筏板基础结构改造成独立基础加抗浮锚杆和防水底板的结构，以减少钢筋和混凝土的用量，并提升建筑物的结构安全性。对于地下室，顶板可以采用十字形梁支撑较薄的覆土层，起到提高稳定性的目的。同时，对于地质勘察报告中发现的特殊地质，如在建筑物下部的持力层为中密卵石层，可以采用“独立基础加抗水底板的裙楼基础+筏板基础的主楼

+抗浮锚杆的地下室”这样的组合结构实现结构优化设计，增强建筑物稳定性。

结束语

综上所述，高层建筑混凝土结构设计过程较为复杂，不仅需要符合建筑的功能需求，同时还要保障建筑的稳定性和安全性，因此，技术设计人员应该通过合理布置平面结构、充分考虑建设要求以及重视薄弱层结构设计等方法不断优化设计内容，从而提高高层建筑的抗震性，满足建筑工程的整体需求。

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