关于高层建筑混凝土结构的稳定设计研究

【摘 要】 最近几年，建筑行业迎来了良好的发展契机，建筑技术水平也随之有了很大提高。混凝土结构凭借自身优异性能得以广泛应用，成了最常用的建筑结构之一。随着高层及超高层建筑中大跨径混凝土结构的广泛应用，位移和变形等问题也偶有出现，所以混凝土结构的稳定性成了研究热点之一。有鉴于此，本文基于高层建筑混凝土结构的稳定性进行研究，概述了混凝土结构，介绍了稳定性研究理论以及稳定性的判定原则，最后提出了结构稳定性设计的建议，以期为业内人士提供有益参考。

【关键词】 高层建筑 混凝土结构 稳定设计

在现代建筑中，混凝土结构的应用日益广泛，成了最常用的建筑结构之一。通常情况下，以钢筋与混凝土为主要材料形成建筑结构。混凝土结构虽然性能优异，然而也存在一些亟待解决的问题，其中又以稳定性问题最为突出。在一定条件下，混凝土结构的稳定性甚至决定了整个建筑工程的好坏。

1 混凝土结构概述

1.1 钢筋混凝土结构的发展情况

在建筑行业，钢筋混凝土结构已经有了较长的应用历史，早在十九世纪中期的欧洲，人们便开始使用该种结构来修建铁路桥梁的桥墩，到二十世纪中期，前苏联在厂房项目建设中开始大量应用这种结构。近些年来，以美国为首的西方发达国家不断推出新型的、高性能的钢筋混凝土结构，而我国则比较重视内填充式钢筋混凝土结构的研究。在二十世纪六十年代，我国厂房等项目建设中开始大量采用钢筋混凝土结构，并取得了比较理想的应用效果[1]。随着我国社会经济水平的不断提高，钢筋混凝土结构有了更进一步的发展，越来越多的高层建筑开始采用这种结构。

2 稳定性的判定原则

3 高层建筑混凝土结构的具体设计方法

3.1 单元结构布局设计的完善

对于高层建筑结构设计而言，其核心内容是所有单元结构予以独立设计。单元结构设计一般情况下应用于那些建筑结构相对简单且较为规则的平面设计，在具体设计环节，应关注如何有效控制平面结构中的整体长度，尤其是突出部分的长度，尽最大限度地保障所有结构部分都对应着均匀的承载力以及结构强度。对竖向结构进行设计时，一般应用那些相对均匀以及规则的设计，如此一来，可以很好地解决建筑外观和内部结构可能存在的矛盾。

在单元结构布局设计工作中，应制定科学严谨的结构设计方案，立足于当前的设计理念和成果，以最大限度地保证高层建筑的实用性以及安全性为基本前提，对混凝土结构予以相应的优化设计，从而确保所有单位结构无论在水平方向上，还是在竖直方向上，均具有合理的、均匀的结构强度分布和承载力分布[4]。

3.2 高强混凝土和钢筋使用的优化

对于高层建筑而言，钢筋和混凝土是其最主要的两种施工原料，在设计工作中，应在保证高层建筑具有可靠质量的基础上，对高强度的钢筋和混凝土予以必要的优化，合理减少两种建筑材料的使用量，从而进一步提升和保证对建筑资源的配置效率。如某高层建筑位于地壳运动相对活跃的地区，那么对其结构进行设计时，相关人员应明确认识到，随着高层建筑质量的加大，地震施加给它的作用也就越强烈，所以有必要在保证高层建筑符合质量要求的基础上，对其进行一定的优化，最大限度地减少钢筋与混凝土的实际使用量，削弱振动作用效果，最终使高层建筑结构具有足够的稳定性以及安全性，有效延长其服役期限。

3.3 剪力墙平面结构设计的合理化

以高层建筑混凝土结构为对象，对其进行优化设计时，还应特别关注剪力墙平面结构布局问题，了解其给整个建筑结构承载力分布带来的影响。在优化剪力墙平面结构的过程中，一般通过以下两点来实现：首先，准确把握高层建筑的基本结构功能，并将其用作设计依据，最大限度地对剪力墙做集中化以及均匀化设计;其次，准确把握高层建筑的设计基准，对剪力墙采用双向布置做法，从而最大限度地降低短肢剪力墙的使用频率。

4 高层建筑混凝土结构的稳定性设计

4.1 高层建筑混凝土结构的临界荷重

对于高层建筑混凝土结构，可将其当作有中等长细比的悬臂杆，其高宽比通常在3～9之间。该悬臂杆可能出现的整体失稳形态有三种，一是剪切型，二是弯曲型，三是弯剪型。对于纯框架结构而言，其出现的失稳形态通常为剪切型;对于剪力墙结构而言，其出现的失稳形态通常为弯曲型或者弯剪型。

4.1.1 剪切型失稳的临界荷重 剪切型失稳通常表现为整体楼层的失稳，纯框架的梁和柱由于双曲率弯曲导致层间发生侧向位移，从而使得整个楼层出现屈曲。在进行近似计算时，需要将柱子轴向变形带来的影响排除在外，那么其临界荷重为[5]：

上式中，指的是第i楼层的临界荷重，Di指的是第i楼层的抗侧刚度;hi指的是第i楼层的层高。

对于弯曲型悬臂杆，其临界荷重可通过欧拉公式进行计算[6]：

上式中：指的是施加在悬臂杆顶部的竖向临界荷重;EJ指的是悬臂杆的弯曲刚度;H指的是悬臂杆的高度。弯曲型以及弯剪型悬臂杆各自的临界荷重可共用下述近似计算公式：

4.2 高层建筑混凝土结构的临界荷重的确定

由混凝土设计规范的相关规定可知：如果是正常使用极限状态下的结构构件，那么应采用荷载效应的标准组合，同时结合长期作用产生影响予以验算，从而确保变形裂缝等一系列计算值不会超出规范给出的限制。对于研究性试验，其通常要收集三大参数，一是钢筋、混凝土材料的实测强度，二是两种材料的实际配筋率，三是结构构件所对应的界面几何尺寸实测值[7]。因此应获取结构构件的各项实际参数，然后使用极限状态标准组合内力计算值予以反向求解，接下来再按照结构构件控制界面上的该内力予以计算，并结合试验加载图，基于该件的实际使用状态提供的试验荷载值予以确定。对于既有结构而言，由于材料的截面几何尺寸、强度大小、配筋等诸多参数均是已知的，因此可借助研究性试验方法，基于结构构件实际使用状态所对应的试验检验值予以有效确认。

4.3 设计中需要控制的指标

4.3.1 刚度比

对于结构竖向不规则控制而言，其关键指标便是刚度比。关于刚度比，软件和相关规范一共提供了三种不同的计算方式，一是剪弯刚度，二是剪切刚度，三是地震力同对应的层间位移比。剪切刚度大多应用于对底部为大空间的一层转换结构设计进行判断。剪弯刚度大多应用于对底部为大空间的多层的转换结构设计进行判断。该处所提及的楼层平均层间位移比，通常相当部分工程均是借助这一数值对混凝土结构的竖向规则性予以判定，与此同时，其还是软件进行刚度比计算过程中的一种常见缺省方式。主要是针对结构所对应的竖向规则性予以相应控制，防止竖向刚度出现突变，导致薄弱层，一旦发现薄弱层，则应予以必要加强。

4.3.2 轴压比

基于抗震等级针对轴压比限值做了相关规定。对框架柱的轴压比进行限制，是为了赋予框架良好的抗倒塌能力，使柱具有足够的塑性变形能力，避免柱受地震力影响而发生脆性破坏，最大限度地使框架柱表现为大偏心受压破坏。要求剪力墙肢底部的塑性铰区具有足够的耗能能力以及良好的延性性能，如此一来，能够避免竖向荷载承载能力受强烈地震影响而减弱，继而诱发墙体被压溃问题。通过构造措施的运用和对结构特性的有效控制，实现对该值的间接限制。如果轴压比未得到满足，那么可通过适当增大剪力墙或者框架柱的截面尺寸、安装芯柱以及借助复合箍筋等相关办法予以解决。

4.3.3 剪重比

所谓剪重比指的是，某层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力与该层及其上各层重力荷载代表值之和的比值。应对各楼层所对应的最小地震剪力进行合理控制，从而使得结构可以承受住更为强烈的地震作用。现行规范提供的振型分解反应谱法无法对该值进行精准估计，为提高结构安全系数，有必要对两大数值进行限制，一个是结构总水平地震剪力，另一个是各楼层水平地震剪力最小值。

4.3.4 周期比

所谓周期比指的是，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。应保证结构平面布置具有足够的规则性，避免因为过大偏心而导致结构出现所谓的扭转效应;应保证结构具有足够的抗扭刚度，假若扭转刚度过小，则会给结构带来一定的负面影响。若周期比不能满足要求，则提示结构的扭转刚度没有侧移刚度大，存在扭转效应过大问题，这样的结构在地震作用下很容易受到严重破坏。当周期比不满足要求时，可通过下述方法进行调整：对结构中存在的不规则平面布置进行优化调整，让结构刚度中心尽可能地靠近质量中心，甚至完全重合;适当提高结构的实际扭转刚度。在SATWE程序中，所采用的振型是基于周期的长短予以排序的，结构的第一、第二振型最好能够保持平动，而扭转周期最好能够位于第三振型或者更为高阶的振型。假若第一振型便是扭转时，那么周期比很显然无法满足规范上的相关要求。

5 结构稳定性设计的建议

“高层规定”针对各类结构体系给出了相应的位移限值，旨在有效控制结构刚度，避免结构刚度过弱。但是结构符合位移限值要求，并不意味着就能够满足稳定设计中关于刚重比的要求。特别是结构水平荷载相对偏小时，虽然结构刚度偏低，然而计算位移仍旧可以满足位移限值要求。但在稳定设计中，水平荷载不会对刚度控制产生影响。在结构稳定设计时，应充分参考地震带来的影响，保证结构在地震影响下的P-△效应得到理想控制，防止整个结构发生失稳倒塌。对罕遇地震影响下出现的薄弱层弹塑性变形问题进行分析时，应考虑P―△效应的相关计算，通常借助非弹性P―△效应分析法进行分析和计算[8]。

6 结语

在高层建筑混凝土结构设计中，应重视和做好其稳定设计工作，总结结构失稳原因，并予以针对性解决，从而保证高层建筑混凝土结构的稳定性满足设计要求和使用要求。

参考文献：

[4]吕世明.对混凝土结构设计安全度的探讨[J].城市建筑，2014，01：35.

[5]陶必国.混凝土结构设计方法及其优化措施[J].城市建筑，2014，01：37.