混凝土的結構設計研究論文

高層建築中結構設計的安全性原則，亦是以設計使用年限爲依據，使該建築的結構設計在預定年限範圍內，始終可以達到對內部與外部各項荷載力的有效承受，即使遭遇某些偶然的破壞性事故，也要能夠使自身結構控制在整體穩定的狀態中，避免出現大範圍的結構性損害。高層建築的耐久性設計原則，是指建築的結構設計必須在規定的使用年限內，維持足夠的結構耐久性，比如，混凝土結構出現的裂縫寬度不得超出允許的範圍，且鋼筋保護層的厚度不能夠變得過於單薄，以免鋼筋在遭受外部潮溼空氣的狀況下出現鏽蝕問題。可靠性的設計原則，是指高層建築的結構設計，必須在設計的基準期與建築的使用年限範圍內，充分達到耐久性、安全性、穩定性、剛度、動力性能等各方面的性能要求，即使超出年限的基準期範圍，也能夠在各項性能出現不同程度降低的基礎上，維持正常的使用。

高層建築的結構柔性比低層的樓房要高，一旦遭遇地震等問題，會發生更大幅度的作用變形，若要避免建築在地震等作用下發生倒塌變形等問題，就必須在進行混凝土結構的設計時，使其結構具備足夠的延展性能。目前，高層建築的結構設計中，其結構內力與變形等問題，主要受到地震的水平作用力及外部環境中的風力等因素的影響，層數的不斷增多會帶動水平作用力的持續加大。所以，在設計混凝土結構時，必須要充分地將這些側向力的影響考慮在內。高層建築面臨着衆多的水平作用力影響，容易出現較大幅度的側向位移，設計人員在進行混凝土結構設計時，必須在保證其具有足夠強度的基礎上，同時使其具備合理的剛度及自振頻率，進而將樓層水平位移控制於允許範圍。

一、高層建築混凝土結構的具體設計方法

1完善單元結構的佈局設計

獨立的結構單元設計，是高層建築中的主要結構設計內容，此結構設計工作適合採用簡單、規則的平面形式，但平面的整體長度與突出部分的長度應當控制於適宜的範圍，且具備均勻分佈的承載力與剛度，同時，豎向結構適合採取均勻、規則的形式，以保證建築的外挑與內收問題得到有效的控制。要達到這一目標，混凝土結構的設計者，應當在制定結構設計方案的階段，便努力地將概念設計的理念與知識作爲參考，使建築的適用性與美觀度等要求在得到滿足的基礎上，透過進行優化設計，使其結構的平面與豎向佈局儘可能地實現簡單、均勻與規則性，保證其結構剛度與承載力的合理分佈，避免建築獨立結構單元出現過於集中的塑性變形或應力。

2優化高強的混凝土與鋼筋使用

高層建築建設需要耗費較多的混凝土、鋼等材料，若混凝土和鋼的強度過大，勢必會造成建築材料總造價的超限，同時加大其他構件的造價，從而降低建築建設的經濟效益。因此，混凝土的結構設計人員應當對高強度的混凝土與鋼筋的使用進行合理的優化控制。以軟土地基上的高層建築設計爲例，該結構地基受到的荷載較高，設計人員可以透過優化高強度的混凝土以及鋼筋的使用，使建築中各構件的截面尺寸得到合理優化，從而減輕建築的結構自重，使建築的基礎工程建設難度得到大幅度的削減，降低工程的地基處理工作造價。再以位於震區的高層建築的結構設計爲例，建築的自重與地震作用程度成正比例關係，設計人員透過將高強度的混凝土與鋼筋的使用量減少，可以在減輕其樑、板、牆、柱等構件自重的基礎上，降低地震的作用力，進而保證建築結構的安全程度，使建築的整體安全度得以提升。

3合理設計剪力牆平面結構

高層建築的結構設計人員對混凝土結構進行設計，還需要充分地重視剪力牆結構的平面佈局問題，以保證建築整體結構受力的均勻性，並使建築在側向力的影響下出現的位移控制於允許狀態。具體來講，剪力牆平面結構的優化設計主要爲以下幾個方面:

1)以建築的各項基本結構功能爲依據，在滿足這些功能的前提下，儘可能地使剪力牆的佈置實現相對的集中化與均勻化，對具有較高的恆載或者平面形式變化較大的部位設計剪力牆，應當儘量縮小其間距。

2)以建築的主軸方向或者是其他方向爲基準，對剪力牆進行雙向的佈置，且牆肢截面適合爲具備較小的側向剛度的簡單規則的形式，在設計中還要儘量地減少對短肢剪力牆的使用。

二、高層建築的混凝土結構具體設計優化措施

1結構安全性

高層建築人羣密度高，且不易逃避、實施救治，一旦發生災害，造成的危害要比普通建築高出許多。因此，結構設計人員必須加強對於混凝土結構的安全性設計，以儘可能降低災害造成的傷害程度。具體來講，設計人員可以從以下幾個方面開展結構的'安全性設計:1)設計人員應當在保證建築各項功能的同時，透過考慮結構自身的抗震性能及外部人爲因素可能造成的結構破壞，有目的地將高層建築的抗震等級提升。同時，還要從整體上，加強結構設計的穩定性與牢固度，避免將磚砌體承重或者裝配式的混凝土結構應用於高層的公用屬性較高的建築中，而要優先選取現澆的鋼筋混凝土的結構。2)設計人員要從建築建設過程中及投入應用後的各個方面入手，綜合考慮其荷載變化的狀況，儘可能地將建築結構的荷載標準值與構件承載力設定出較大的彈性裕度，並且爲樓面等部位進行額外的增加荷載的設計，以保證建築在各級的地震與火災等災害中，都可以實現對於自身結構安全的維護。

2抗震概念

高層建築的混凝土結構在應用過程中，最容易受到的破壞，便是來自於地震威脅，在進行設計的過程中，設計人員要以抗震概念設計爲依據，透過進行抗震試驗得出該建築結構的抗震等級，或者借鑑相似建築的抗震設計經驗等，對高層建築的結構體系、平立面設計、結構構件延展性等進行優化設計，以使建築的抗震能力得到有效的提升。具體來講，在結構體系設計方面，設計人員要儘可能地選擇空間結構以及平面佈局簡單規則的形式，作爲建築的整體結構形式。以平面佈局爲例，可以將矩形、圓形、方形、扇形的結構作爲抗震結構的體系形式，並減少對於不對稱的側翼或過長的伸展翼的使用。同時，設計人員還要透過進行合理的佈局，使建築的質量與剛度實現均勻平衡的分佈。而在平立面設計方面，設計人員可以將牆體設定爲均勻對稱的形式，並提升樓梯或電梯的井筒等具備較高剛度的結構佈置的集中性，同時，將抗震牆設計爲符合建築結構整體抗震需求的形式，以提升建築平面結構的抗震性能。而且，還要保持各轉換層結構在豎向剛度方面分佈的接近，並使剪力牆的設計可以將牆面豎向持續地貫通到建築底部。在結構構件的延展性方面，可以將樑、柱端的組合剪力加大，或者提高柱體抗彎性能，並配合將樑端的鋼筋實際彎矩提升，以使建築樑端早於柱端發揮塑性，使二者在外部荷載下，保持結構變形的穩定協調。

3耐久性

高層建築的結構設計人員對混凝土結構進行設計，還要努力提升其耐久性，以延長建築的有效使用壽命，並且使建築在遭遇各種災害之後，依舊能夠維持其應用的各項結構性能。下面就從幾個方面談論一下混凝土的結構耐久性設計的策略:1)選擇良好的混凝土材料。設計人員應當在保證混凝土材料的質量與基本性能的基礎上，重點從結構的穩定性能、抗侵入性能、抗裂性能等幾個方面入手，選擇堅固、耐久、潔淨的骨料，含鹼量與水化熱反應較低的水泥，減少對於硅酸鹽水泥與用水量的應用，並適當地將礦物摻合料加入到材料中。2)優化結構使用設計工作。高層建築中的混凝土結構物普遍包括多個構件，每一個構件所處的環境存在顯著的差別，這就決定了不同構件具備的耐久性壽命存在差異，因此，設計人員要根據實際的使用環境，明確建築中不同結構構件的使用界限與注意事項。以屋面、陽臺及女兒牆的設計爲例，這些部位的樑柱構件，耐久性壽命普遍低於室內，必須合理設定這些部件維修或更換的時間。3)合理設計結構構造形式。設計人員根據建築的具體侵蝕環境與設計使用年限，設計厚度在20mm～70mm之間的混凝土保護層，並透過協調構件的截面積與表面積，避免侵蝕性物質集中停留區域的形成，同時注意高侵蝕度的環境中，混凝土牆板的通風效果，並注意配筋間距的合理設計，以減少鋼筋鏽蝕、保護層剝離等問題的出現。

三、結語

高層建築中混凝土是影響建設質量的關鍵決定性因素之一，因此，建築設計人員必須加強對於其設計原則的分析與掌握，立足於具體的設計原則及要求，從整體的設計工作及具體的設計內容等方面入手，採取有效的策略，以推動混凝土結構設計的優化完善。