摘要：进入21世纪，随着时代的进步，混凝土的应用越来越广泛，其对于建筑结构的稳定性以及建筑工程的质量改善具有重要的意义，然而，在设计过程中，需要提高设计人员的专业素质，才能建造出高质量高标准的建筑，从而促进我国城市化进程的发展。文章对高层建筑中各种混凝土结构的发展以及高层建筑的结构设计体系及因素进行了分析，并提出了高层建筑中有关混凝土结构优化设计的一些方案。
关键词：混凝土；高层建筑；结构；因素；优化设计；应用
1、高层建筑混凝土结构体系
1.1 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。
1.2 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。
2、高层建筑结构设计考虑因素
在高层建筑中，当建筑物达到一定高度，安全性就会成为重要的考虑因素，混凝土结构的优化设计是安全性的一个重要保证，因此，对于具有一定高度的高层建筑，在设计时，混凝土结构的优化设计就显得异常重要。高层建筑结构设计必须充分考虑各方面因素，使其达到强度足够、刚度适宜、延性良好、设计合理的标准。需要考虑的因素主要包括：
2.1 侧向力。侧向力主要是指建筑物在建成以后所承受的风力、地震力和垂直载荷等外力。无论是高层建筑还是低层建筑都要承受这样的侧向力，低层建筑受到水平力较小，而高层建筑受到水平力随着层数的增多而不断增大。因此，风荷载和地震力等侧向力应该成为高层建筑结构设计时着重考虑的因素，这些因素正是影响高层建筑物结构变形、结构内力的主要因素。
2.2 适宜的刚度。据胡克定律，剪切模量G能够在很大程度上决定向同材料的刚度，同时，建筑物的形状购置也将在很大程度上决定建筑物在塑性期的刚度。在高层建筑建设过程中，建筑高度是一系列风险因素的出现原因，其中不仅包括侧向力，更包括侧向位移，它是会随着建筑物高度的增加而逐渐增大，当高层建筑在水平力的作用之下，为了使高层建筑的侧向位移保持在一定范围之内，高层建筑必须具有足够的强度，同时，自振周期必须控制在最合理范围内。只有这样，高层建筑的结构设计才是最优化的。
2.3 延性良好。正如我们的常识所知，当同时受到地震等侧向力的作用，高层建筑比低层建筑更容易变形，其原因主要就在于高层建筑更具柔性。因此，在高层建筑结构设计中，在满足具有足够的强度之后，提高高层建筑结构整体和局部的变形能力成为第二个需要重点研究的问题。当整体结构进入塑性变形阶段仍具有较强的变形能力，在当今的设计技术条件下，通过优良的概念设计和合理的构造措施使高层建筑具有足够的延性这才是设计问题的重点。避免高层建筑在大地震作用下而倒坍，确保生命和财产安全。
2.4 控制含泥量以及骨料级配。施工人员在配置混凝土时，应采用10.4mm连续级配碎石，其中65%都应为10.3mm级配碎石。施工企业所使用的中砂，细度模数应控制于2.8至3.0，施工人员可借助0.315凹筛孔筛选中砂，筛出砂的重量不少于中砂总重量的15%即可。砂、石的含泥量不得高于1%，且其中不得含有有机质杂物，施工企业不可使用海砂作为混凝土材料。
3、高层建筑对混凝土结构的处理
3.1 柱与基础的相接
高层建筑在对结构进行优化时，需要考虑柱与基础的连接问题，建筑底板与不同强度的混凝土的连接问题是施工的重点，施工人员需要注意混凝土施工缝是否重合，只有保证施工项目的质量达到要求，才能保证后续项目的正常进行，才能保证工程的整体质量达标。柱与基础的连接需要考虑混凝土强度问题，施工人员可以将混凝土交接面设在与柱的距离为柱宽的位置，交接面的深度一般需要延伸到底板的底部。
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3.2 柱与梁的相接
柱与梁的连接位置也是施工的一大难点，在施工过程中，需要考虑柱与梁的相接处受力情况，还要保证施工缝的设置位置合理，在对混凝土进行处理时，要根据混凝土的强度优化施工技术，要尽量减少施工的安全隐患。混凝土浇筑会形成施工缝，在浇筑的过程中，一定要规范操作，要保证施工缝设计位置的合理性。柱与梁采用的混凝土强度有一定差异，在处理的过程中，要考虑影响浇筑质量的因素。一般情况下，建筑的楼层越高，采用的混凝土强度越大，所以，施工单位需要采用适合的混凝土材料，要根据建筑实际情况，确定混凝土强度等级。建筑结构的受力比较复杂，施工单位要选择适合的技术与方法，要保证梁轴线的垂直度，不能形成阶梯搓。梁板施工时，采用的混凝土可能属于不同的强度等级，但是其强度相差的级别不宜过大。
4、高层建筑结构设计中混凝土的具体应用
4.1 保证高层建筑结构的稳定性
建筑结构的高宽比越大，受地震引起的侧移和颠覆作用就会越大。所以建议高宽比很大的高层建筑尽可能使用配有钢筋的桩基础，因为桩是埋在土中的细长构件，具有较好的抗拔性，抵抗上部结构倾覆的能力较强，从而保证高层建筑结构的稳定性。同时。要增加高层建筑的下部几层宽度.必须控制在规范的高宽比限值内，极力避免大底盘建筑的形成。这时可以采取设置类似扶壁的钢筋混凝土构件的方法，增加基础底板的悬挑高度来扩大基础底面积。确保整体建筑结构的稳定性。
4.2 提高结构重要部位的延性，防止截面钢筋超配
要使高层建筑在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力，最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点，比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件或某些构件中关键部位的延性。在结构竖向对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑应着重提高底层构件的延性；对框支结构应着重提高底层或底部几层框架的延性。在结构平面位置上应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性。使结构能进入弹塑性状态，并能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震从而达到“中震可修、大震不倒”的设防目标，就必须做到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”。但是值得注意的-个问题是在实际设计时，对某些构件的配筋进行放大调整形成了强梁弱柱、强杆件弱节点的不利情况，这样做的结果可以保证构件小震不坏，但是因为形不成延性结构就不能保证大震不倒。
4.3 控制超长结构混凝土的于缩裂缝
造成混凝土干缩裂缝有两个原因，一是现浇混凝土在凝固硬化时会产生收缩应力，结构越长对其造成的干缩裂缝越大；二是高层建筑结构在投入使用期间，经过一年四季的温差变化会使结构承受热胀冷缩的作用，从而造成温度裂缝，并且结构越长、温差越大对结构造成的影响也越大。为了有效地控制超长结构混凝土的干缩裂缝现象，可采用设置混凝土后浇带的办法。将较大的楼板面积划分为较小的区格，先对小的区格进行混凝土的浇筑，待其缩变形完成后，再对预留带进行浇筑。这种办法能有效地减少现浇混凝土的下缩裂缝问题，却不能控制温度裂缝。
5、高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法
5.1 合理使用高强砼和高强钢筋。在建筑的整个施工过程中，用钢量是影响总造价的一个重要因素。因此，为了合理降低用钢量，降低造价，节约成本，设计中必须合理使用高强钢筋。然而在高层建筑位于深厚软弱地基之上的情况下，强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸的合理使用，对于减轻地基载荷，降低基础施工的难度，缩减造价，将具有非常直观的经济效果。由于地震对于一幢建筑的破坏程度，是与该幢建筑的自重成正比的，自重越大，受损毁的可能性，破坏程度就越大。因此，减轻建筑物自重能够减小其受地震破坏的程度，为建筑物的安全提供保证。所以，高强砼和高强钢筋在设计中的合理使用对于快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸，减少用钢量，减轻建筑自重，最后达到降低造价及安全使用的目的具有十分重要的作用。
5.2 注重剪力墙的平面布置。具体应如何注重剪力墙的平面布置，我们应该从以下几方面做起：（1）剪力墙的布置原则在于沿周边均匀、相对集中布置，同时又不损害建筑原有的使用功能。一般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，其间距宜适中，不宜过大。（2）剪力墙墙肢截面应具有简单、规则的特点，剪力墙结构应具有一定侧向刚度，但不宜过大。（3）较多的短肢剪力墙不会起到联合剪力的良好效果，全部为短肢剪力墙的情况更是应该避免出现。
5.3 抗震设计中，注意钢筋混凝土结构的延性。在构件设计的时候，要加强设计中的科学性，需遵循：“强节点弱杆件、强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉”的设计准则。在实际设计的时候，一定要注意结构的抗震设计，主要破坏属于延性的破坏，而不是脆性破坏，这一点非常重要。
其次，对钢筋混凝土构件，合理确定截面尺寸，恰当配置纵筋和箍筋（抗剪斜筋），加强钢筋的锚固，避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土压溃先于钢筋屈服、钢筋粘结锚固失效先于杆件破坏。
在具体的结构抗震设计中，要重视钢筋混凝土的延性构件分析，在设计中要加强延性指标设计，对截面曲率延性要设计合理，针对构件位移延性，应按照相应的公式保证设计的科学性。
6、结束语
总而言之，在高层建筑混凝土结构设计时，应充分考虑各方面因素，如高层建筑的风荷载和地震力的影响；考虑自重和地基基础的影响；保证高层建筑结构具有足够的承载力，具有适宜的刚度，具有良好的延性。与此同时，也应该能够从整体上把握结构整体的设计，了解总体系和主要体系间的最佳传力途径，从而找到最优化的结构方案，满足建筑物的使用要求。
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论文作者:颜碾标
论文发表刊物:《基层建设》2016年20期
论文发表时间:2016/12/12
标签：结构论文; 混凝土论文; 高层建筑论文; 延性论文; 建筑结构论文; 刚度论文; 钢筋论文; 《基层建设》2016年20期论文;