哈尔滨工业大学建筑设计研究院
摘要：高层建筑多采用钢筋混凝土结构形式，因为钢筋混凝土结构的强度、荷载能力、抗震性能等均满足高层建筑的技术要求，而且钢筋混凝土结构的施工简便易行、建造成本低廉，所以其成为现代城市建设中应用最为广泛的建筑结构形式。本文在分析高层建筑混凝土结构设计的原则、特点及要点的基础上，再从地基基础设计、剪力墙的布置、梁柱的设计等进行探讨。
关键词：高层建筑；混凝土；结构设计
一、高层建筑混凝土结构体系
1.钢筋混凝土结构
钢筋混凝土结构是最早的高层建筑结构，该结构主要由钢筋和混凝土构成。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》对高层建筑的定义指的是：10层及10层以上或房屋高度大于28米的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑。混凝土结构的整体性较能好，且具有耐高温、位移小、维护方便、成本低和刚度大等特点，钢筋混凝土结构的一系列特点，都是钢结构所望尘莫及的。民用建筑中常用的高层钢筋混凝土结构体系主要有：（1）框架结构。（2）剪力墙结构。（3）框架剪力墙结构。（4）筒体结构。（5）板柱结构、板柱-剪力墙结构等。随着我国混凝土材料技术的不断发展。钢筋混凝土结构已经成为我国大多数高层建筑所采用的结构体系，是目前我国应用最广泛的、也是大多数设计者最熟悉的建筑结构型式。
2.混合结构
混合结构是由钢框架（框筒）、钢管混凝土框架（框筒）、型钢混凝土框架（框筒）与钢筋混凝土核心筒体所组成的共同承受水平和竖向作用的建筑结构.混合结构是在钢结构和混凝土结构的基础上发展起来的一种新型结构，混合结构是近年来在国内迅速发展并广泛应用的一种高层建筑结构体系，它不仅具有混凝土的抗压能力和承重能力强的优点，还具有钢的抗拉能力及抗剪能力好的优越性能，在实践中已经取得良好的经济效益和社会效益。通常，根据钢与混凝土组合结构所采用钢材形式与配钢方式的不同，可以将其分为组合楼板、钢与混凝土组合梁、型钢混凝土、钢管混凝土等多种形式。其主要特点有：（1）承载力提高。据相关实验表明，钢—混凝土混合结构在梁截面受局部载荷时，可破坏载荷大约为设计载荷的2.2～2.6倍，能够有效的提高承载力。（2）抗疲劳性能好。由于混凝土翼板的存在，有效的降低了钢梁上翼缘应力，在实际应用中也表明混合结构梁比纯钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳的能力。（3）节约钢材用量。在该混合结构中，混凝土可以替代部分钢结构，使得用钢量大幅下降，实践表明，钢—混凝土混合结构梁比钢结构梁用钢量少20%～40%。（4）增加刚度，提高抗震性和稳定性。一方面，混凝土板参与梁的工作，有效的增加了梁的刚度，在用钢量相同的条件下，与钢梁结构相比，梁挠度可减少30%～50%，并且截面高度减小1/4～1/3。另一方面，混合结构梁上翼缘侧向刚度大，进而使得整体稳定性提高，从而提高了抗震性能。
在高层建筑结构体系中，剪力墙体系和框架体系等几种类型是比较常见的，而对于新型的结构体系，它主要是以筒体的组成方式来作为区分标准的，新型结构体系可分为三种体系：筒中筒体系、框筒体系和束筒体系。相比于传统的单片平面结构体系，新型结构体系中的筒体则具有更大的抗侧刚度，且承载力更大。目前，在功能较全且层数较多用途较广的高层建筑中，这种新型结构体系相对比较适用。
二、结构的稳定性设计
1.高层建筑混凝土结构的临界荷重
高层建筑混凝土结构可视为其有中等长细比的悬臂杆，其高宽比一般为3～9。此悬臂杆的整体失稳或整体楼层失稳形态有三种可能：剪切型、弯曲型及弯剪型。纯框架结构的失稳形态一般为剪切型；剪力墙结构的失稳形态为弯曲型或弯剪型：框架一剪力墙、框架一简体等带有剪力墙或筒体的结构，
2.高层建筑混凝土结构的临界荷重的确定
对于正常使用极限状态结构构件应分别按荷载效应的标组合以及荷载效应的标准组合并考虑长期作用的影响进行验算以保证变形裂缝等计算值不超出规范规定的限制。
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三、抗震性能设计
1.影响建筑物抗震效果的因素
（1）建筑物自身的结构设计
建筑物的结构设计是影响抗震效果极为关键的一个因素，建筑物若要达到抗震目的，无论点式住宅或是版式住宅，都必须进行合适的结构设计，保证抗震措施合理，能够基本实现小震不坏、大震不倒这样的目标，提高建筑结构的抗震性能。如果建筑物对平面的布置较为复杂，质心与刚心不一致，将会加剧地震的作用影响力，增强破坏性。所以，建筑物的结构平面布置应尽量保证质心和刚心重合，提高建筑物的抗震能力。
（2）建筑结构建造材料和施工过程
建筑结构的材料是影响抗震效果非常重要的因素，高层建筑在具体施工中，要加强监管和规范，严格做好高层建筑施工管理，从建筑结构的质量上来提高抗震效果。
（3）建筑物所处地质环境情况
在选择建筑工地的位置之前，要进行详尽地勘探考察，分析地形和地质条件，避开不利地段，挑选对建筑物抗震有利的地点。
2.高层混凝土建筑抗震结构设计
（1）减少地震发生时能量的输入
在具体的设计中，积极采用基于位移的结构抗震方法，对具体的方案进行定量分析，使结构的变形弹性满足预期地震作用力下的变形需求。对于高层建筑，在坚固的场地上进行建筑施工，可以有效减少地震发生作用时能量的输入，从而减弱地震对高层建筑的破坏。
（2）运用高延性设计、推广消震和隔震措施
在我国，许多高层建筑进行抗震设计时，多采用延性结构，也就是适当控制建筑结构的刚度，允许地震时结构的构件进入到具有很大延性的塑性状态，从而消耗地震作用时的能量，使地震反应减小，减弱地震给高层建筑带来的破坏。如在很多情况下是有效的，它可以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。
（3）高度的确定
在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度：一要有专家论证，二要有模型振动台试验。在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
（4）材料的选用和结构体系
在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框—筒、筒中筒和框架—支撑体系），都是其他国家高层建筑采用的主要体系。在高层建筑中采用框架—核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值；此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。在高层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。
结语
高层混凝土结构设计与施工关系到整个建筑工程的质量，与人们的切身利益与生命安全息息相关。混凝土结构设计是一项长期而复杂的工作，工程师只有在实际工作中不断学习，不断创新，力求将所有的因素考虑在其中，这样才能保证混凝土结构设计的质量，保证整个建筑工程的质量。
参考文献：
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[2]孙小华，余军.高层混凝土建筑抗震结构设计探析[J].城市建筑，2013，10
[3]满国君，付艺璇.关于高层混凝土建筑抗震结构设计探析[J].河南科技，2013，12
论文作者:崔志刚
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第7期
论文发表时间:2019/10/14
标签：结构论文; 混凝土论文; 高层建筑论文; 体系论文; 混凝土结构论文; 刚度论文; 建筑结构论文; 《建筑细部》2019年第7期论文;