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高层建筑混凝土结构优化设计分析研究

刘宇
摘 要：高层建筑的结构层数多，承受的荷载大，还要通过实现混凝土结构的优化设计保证结构具有稳定性。结合高层建筑混凝土结构设计问题，本文从结构布局、单元优化、抗震优化三个方面提出了结构优化设计方法，然后结合工程实例对混凝土结构优化设计实施问题进行了探讨，为关注这一话题的人们提供参考。
关键词：高层建筑;混凝土结构;抗震性能
伴随着社会经济的快速发展，大量高层建筑得到了建设。相较于多层建筑，高层建筑具有层数多、高度大等特点，构件承载力设计、结构抗震设计等各方面都存在差异。对混凝土结构设计问题不够关注，导致设计细节被忽略，在建筑结构同时受突出地震作用和风荷载影响的情况下，容易造成结构出现刚度突变等不利因素。因此，还应加强结构优化设计研究，从而使建筑安全得到保证。
1 高层建筑混凝土结构设计问题
作为建筑工程中常用的结构形式，混凝土结构性能优异，采用的材料以混凝土和钢筋为主，通过合理设计能够保证结构稳定，继而使建筑整体质量得到保证。而在高层建筑混凝土结构设计方面，由于建筑高度和层数不断增多，承受的地震作用和风荷载也更加明显，对结构设计的合理性提出了更高要求。现阶段，高层建筑主要采用的结构体系包含三类，分别为框架结构、剪力墙结构和框架-剪力墙结构，超高层和不规则建筑则多采用框筒、束筒等结构。目前，高层建筑结构设计存在过分关注概念设计的问题，对结构总体布局关注度不足，一味强调按照规范进行结构设计计算，主要关注强度、变形两方面的问题。但实际上在混凝土结构设计上，还应加强整体性把握，以便使结构稳定性和安全性得到保证。未能做到从整体设计向局部设计逐步推进，将导致设计师缺少对建筑整体承载力、刚度等目标的设定，继而导致结构方案布置存在不合理的问题。在细节设计方面，则存在忽视各独立单元结构承载力、刚度等性能的问题。现代高层建筑混凝土结构复杂，存在较多变量因素，一味认为软件计算得到结构尺寸准确，强调结构经济性问题，导致选择的建筑构件截面过小，容易导致构件在复杂因素作用下出现安全风险。此外，高层建筑需要采用刚柔结合设计方式，而并非是一味加大结构整体刚度对地震作用进行抵抗。缺少多道设防，将导致结构在多遇地震下缺少足够弹塑性变形能力和延性，继而使结构受到较大危害。
2 高层建筑混凝土结构优化设计方法
2.1 合理设计结构布局
结合结构设计容易出现的问题，在对高层建筑混凝土结构进行优化设计时，还要做好整体结构方案布置。在结构平面布置方面，需要以增强结构抗侧力为目标，通过合理布置抗侧力构件使建筑结构抗侧力刚度得到增强，并使结构侧向位移得到减少。通过对构件承载能力和抗震延性进行最大限度发挥，能够使建筑结构在极限状态下避免出现刚度突变等问题。对地震作用、风荷载等可能给结构带来扭转影响的偏心因素展开分析，可以完成竖向构件水平位移和层间位移的合理评估。在建筑达到A级时，需要将位移量控制在层平均数的1.2倍以内，最大不超1.5倍。在建筑为B级且未混合性结构时，位移量应不超楼层平均1.2倍。通常状况下，高层建筑无需设置防震缝。但如果平面结构形式复杂，难以通过调整平面布局加强结构调整，还要利用防震缝完成单元结构划分。在竖向结构布置上，应保证建筑结构整体对称、均匀，无特殊要求应避免进行外挑或内收设计。遵循上小下大原理进行竖向结构布置，需确保结构侧向变化缓慢、均匀，能够使結构重心保持稳定。在剪力墙布置上，尤其应保证均匀、对称，并在周边进行结构布置，使竖向上保持结构连续，以免出现刚度或承载力突变问题。如果竖向结构内收，应确保楼层侧向刚度至少达到临界楼层侧向刚度70%或邻近3层侧向刚度平均值的80%。在结构处于楼层上部的情况下，缩进位置应与室外地面高、建筑整体高保持0.2的比值，上部缩进后的长度占下部长的75%以上。
2.2 重视单元结构优化
高层建筑高度加到，需要保证结构拥有良好延性，允许部分构件率先出现塑性铰，确保地震能量得到不断消耗，以免重要构件发生破坏，导致结构受到严重损毁。结合这一目标进行单元结构优化，还要重视关键构件的延性设计，使构件拥有较高的竖向抗侧力，能够顺利实现水平力的传递，以便使结构安全得到保证[1]。针对高层建筑各独立结构单元，需要保证平面形状规格、对称，能够对混凝土结构承载力和刚度等压力进行均匀承担。在对构件截面进行优化时，需要同时考虑安全性和经济性问题，在选用性价比高的构件截面时，保证截面尺寸符合结构安全性要求，以便使结构设计安全风险得到降低。在抗弯结构体系设计中，在不改变其他条件的情况下，可以按宽度增加三次方的比例对侧移宽度进行减小。而增加宽度，能够使抵抗力臂增大，促使抗倾覆力得到减小。因此对体系的有效宽度进行增加，能够使结构的抗侧刚度得到提高。通常情况下，高层建筑会设计地下室和人防结构，在结构顶板上设置嵌固端，将给结构整体带来不同程度影响。重视这一细节设计，在对嵌固端上下层刚度进行设计时，还应结合楼板结构缝位置、限制范围等确定结构是否协调，保证上下层拥有一致的抗震等级，使结构的安全性得到保证。此外，高层建筑应尽量避免采用短肢剪力墙结构，以便因设计不规范导致结构出现不足。
2.3 加强抗震性能优化
在高层建筑结构优化设计中，还应重视抗震性能优化问题。针对混凝土结构中存在的各种悬臂杆，还应划分为剪切、弯曲和弯剪三种类型，剪切类型的将导致楼层出现不同程度结构失稳，还要进行重点优化。在框架梁柱中，容易因双曲率弯曲产生而出现侧位移状态，因此还应加强临界荷重分析。在实际分析中，需要采用荷载效应标准组合分析形势，对地震作用影响进行验算，确定裂缝、变形等不超规定最大限度。对混凝土等材料强度和钢筋配筋率等数据进行分析，能够按照时间变异性将结构荷载划分为永久可变和偶然三种，根据取值标准对荷重进行确认。发现薄弱层，需要进行强化设计，以免出现刚度突变问题。为使结构抗倒塌和塑性变形能力得到提升，还要加强结构轴压比限制分析，保证各楼层地震潜力值合理[2]。根据验算分析得到的结构抗震系数，结合类似建筑抗震设计经验，可以对建筑平立面、结构体系等进行优化，使建筑的抗震能力得到提高。如在建筑平立面设计上，还应保证竖向刚度方面各转换层结构能够得到均匀分布。对结构延性进行优化，可以对梁柱端的组合剪力或柱体抗弯能力进行增大，促使钢筋实际弯矩得到提升。在组合作用力的影响下，梁端能够比柱端更早发挥塑性，促使结构维持稳定。因此在高层建筑混凝土结构抗震性能优化方面，结构方案还应经得起考验，以便使建筑结构的实用性、耐久性等性能得到增强。
3 高层建筑混凝土结构优化设计实践
3.1 工程概况
某高层住宅楼高74.2m，建筑面积约11657㎡，包含地上和地下两部分，地上共24层， 地下2层，建筑标准层高2.8m。结合建筑实际情况，考虑到框架结构主要适用于60m高度建筑，框剪结构适用于高度低于120m的建筑，筒体结构适用于高度达到150m以上建筑，因此建筑采用框架剪力墙结构。建筑基本风压为0.5kN/㎡，设计地震分组为第二组，抗震设防烈度为7度。工程设计使用期限为50年，特征周期为0.55s，结构安全等级为二级，剪力墙抗震等级为三级，地震加速度为0.15g，抗震设防类为丙类，耐火等级为二级。
3.2 优化设计
结合建筑各层构件混凝土强度等级可知，基础层为C15，基础底板为C35，-2层到4层的框架柱剪力墙、楼板、梁和楼梯为C35，圈梁、过梁和构造柱为C35，5层到屋顶层及机房的框架柱剪力墙、楼板、梁和楼梯为C30，圈梁、过梁和构造柱为C20。从楼（屋）面主要部位活荷载值分布情况来看，卧室、起居室荷载能够达到2kN/㎡，阳台、卫生间达2.5kN/㎡，门厅、过道、楼梯间达3.5kN/㎡，楼板达5kN/㎡，机房达7kN/㎡。对原本设计方案的混凝土结构展开分析可以发现，剪力墙结构整体性指标符合要求，但设计过于保守，使得材料性能远远未能达到最大限度，造成了结构成本增加。
对结构进行优化设计，考虑到建筑整体结构达到了安全、可靠度要求，为减少成本投入，对剪力墙布局和局部进行优化设计，在不改变其他构件尺寸的基础上，对部分剪力墙进行简化。剪力墙结构体系由楼板和纵横向结构墙构成，主要用于对横向和竖向荷载进行抵抗，拥有较大抗侧力刚度，在结构合理的情况下可以保持较好延性。在平面布置优化中，考虑到结构设计可以满足整体性能要求，可以将对结构影响较小的中部位置剪力墙数量进行削减，具体可以对楼梯、电梯间周围的剪力墙进行减少[3]。在保证墙肢尺寸合理的基础上，需要使墙与墙保持4-6m间距，在保证结构承载力要求得到满足的基础上，实现剪力墙的灵活布置，使边缘构件数量得到减少，促使结构整体抗侧刚度得到增加。此外，需要使结构墙肢轴压比接近规范限值，使结构重量随之减少，达到削弱地震作用的目标。
3.3 效果分析
采用PKPM系列软件对结构优化设计效果展开分析可以发现，优化前后剪力墙配筋量无显著变化，但由于剪力墙数量有所减少，材料投入得到了降低，使结构总体造价降低6%左右。从结构安全性角度来看，优化后结构自振周期从1.65s变为1.86s，刚度有所减小，弹性随之增加。在抗震设防烈度为7度时，结构最大层間位移有所增加，X方向从1/1526变为1/1191，Y方向从1/1259变为1/1116，但仍然符合规范，并且构件轴压比有所增加，能够起到减震效果，因此能够使材料性能得到最大限度发挥，保证结构安全。
4 结语
综上所述，实际在对混凝土结构进行优化设计时，还要结合高层建筑特点提出合理的设计方案，使结构得到合理布局，并做好细部优化设计，促使结构抗震性能得到提升。保证建筑结构优化设计取得良好效果，能够使建筑在遭遇地震等自然灾害的情况下依然维持结构稳固，继而为人员的生命财产安全提供保障。
参考文献：
[1]达欣子.高层建筑混凝土结构的稳定设计分析[J].科技创新与应用，2019（29）：85-87.
[2]周弦.高层建筑混凝土结构稳定设计分析[J].低碳世界，2019，9（03）：200-201.
[3]刘福旺.高层建筑混凝土剪力墙结构设计分析[J].建材与装饰，2018（23）：110-111.

-全文完-