高层建筑混凝土结构设计计算分析

副标题#e#【摘要】近年来，随着高层建筑在我国的迅速发展，建筑高度亦随之不断增加，建筑类型与功能愈来愈复杂，结构体系更加多样化，因而对高层建筑结构设计要求越来越高，本文仅对高层建筑物混凝土结构设计计算分析做简要探讨。
　　【关键词】高层建筑，结构计算，结果分析，永久荷载
　　随着我国社会主义现代化建设和城市化进程的不断向前推进，建设用地日趋紧张，促使建筑功能越来越多样化，高层建筑得的发展是大势所趋。而科学技术的进步、经济的发展则为高层建筑的发展提供了坚实的物质基础。加上现代人们对于建筑要求的多样化提出了更多和更复杂的要求，产生了很多不规则的复杂高层建筑，使结构设计呈现非程式化发展趋势。如何正确进行结构设计和结构计算，以满足新规范的要求，是每个结构设计人员都必须面临的问题。
　　一、建筑物结构整体计算
　　如何准确，高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理，是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进，很多业主对居所也会提出特殊要求，因此，结构工程师在设计与计算时，应始终保持对全局的把握和清醒的头脑，须知，在这过程中任何的遗漏或错误都可能使整个设计过程变得更加复杂，最终导致设计结果出现偏差。
　　（一）、结构参数的确定
　　1、混凝土容重
　　按照新规范，混凝土容重宜取27～30。结构构件梁、柱、剪力墙等考虑粉刷或装饰面层后的容重应大于25kN／m3，如考虑2O厚砂浆粉刷，当柱截面为400×400时，=(440—400)×20／400+25=4.2+25=29.2，当柱截面为时600×600，=(640一600)×20／600+25=2．7555+25=27.8，如柱截面为1000×1000，=(1040—10000)×20／1000+25=1．632+25=26.632，梁250×500(板厚按100mm计)：=(290×42O一250×400)×20／(250×500)+25=3.488+25=28.5，梁300×800(板厚按100mm计)：=(340×72O一300×700)×20／(300×800)+25=2.9+25=27.9，剪力墙厚200：=40×20／200+25=4+25=29，剪力墙厚300：=40×20／300+25=2.67+25=27.67，可见，梁、柱、剪力墙截面尺寸越小容重越大，如贴面砖、花岗石，容重还要加大，设计人员应综合考虑工程梁、柱、剪力墙的截面尺寸大小及面层材料，确定一个较合适的混凝土容重值。
　　2、周期折减系数
　　周期折减系数的目的是为了充分考虑框架结构和框剪结构的填充墙刚度对计算周期的影响，必须折减，否则使地震作用偏小。周期折减系数应根据本工程填充墙的多少来确定周期折减系数值，填充墙多取小值，填充墙少取大值，《高规》规定计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减，一般框架结构取0.6～0.7，框剪结构取0.7～O.8，剪力墙结构取0.9～1.0。
　　3、梁端弯矩调幅系数
　　一般现浇框架为0.8～0.9，一般可填0.85。有些设计人员梁端弯矩不调幅，是不恰当的，因为更容易引起梁端负弯矩钢筋过大、根数过多，影响混凝土浇筑，且配筋率更容易超过2.5％及梁下部钢筋与梁端负弯矩钢筋的比值不满足规范要求；再者，梁端负弯矩一般均比梁跨中下部弯矩大得较多，不调幅反而会导致偏于不安全。
　　(二)、结构整体计算
　　混凝土高层建筑规定了最大适用高度和最大高宽比。它的目的是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。在带有大型裙房的复杂高层建筑中，计算高宽比的房屋高度和宽度可按裙房以上部分考虑。对于带悬挑的结构，结构房屋宽度应按扣除悬挑宽度厚的结构宽度计算。
　　周期比是控制结构扭转效应的重要指标。它的目的是使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理，使结构不至出现过大的扭转。由于当结构以扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T两者接近时，由于振动耦联的影响，将使结构的扭转效应明显增大。如果周期比不满足规范的要求，设计人员需要增加结构周边构件的刚度，或者在结构的刚度有富余时，适当降低结构中间构件的刚度，使得结构满足规范要求。判断结构扭转为主的第一自振周期T时，可以通过计算振型方向因子来判断。在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中，当转动方向因子大于0．5时，则该振型可认为是扭转为主的振型；位移比是控制结构平面不规则性的重要指标。设计人员应正确选用考虑偶然偏心影响的单向地震下的位移比。
　　除以上计算分析外，还要按照规范的要求对整体结构地震作用进行调整，如最小地震剪力调整、特殊结构地震作用下内力调整、0.2Q。调整、强柱弱梁与强剪弱弯调整等等。
　　二、计算结果的合理性分析
　　要得到结构合理的整体计算结果，必须首先确定几个参数合理取值，才能保证后续计算结果的正确性。这些参数包括振型组合数、最大地震力作用方向和结构基本周期等，在计算前很难估计，需要经过试算才能得到。
　　结构基本周期是计算风荷载的重要指标。周期的大小与结构在地震中的反应有着密切关系，最基本的是不能与场地土的卓越周期一致，否则会发生共振。一般情况下，多层和高层钢筋砼房屋的基本自振周期T(用于风振计算)可按下列公式估算：
　　钢筋混凝土框架(包括框架——剪力墙)结构T1=0.25+O.53×10H／
　　钢筋混凝土剪力墙(包括筒中筒剪力墙)结构T1=0.O3+O.03×H／
　　式中H:房屋总高度m；B:房屋宽度m
　　基本自振周期T1，也可根据实测资料的经验公式，按下列公式采用：
　　框架结构：T1=(O.O8～0.1)n
　　框架剪力墙和框架核心筒结构T1=(O.06～O.08)n
　　剪力墙和筒中筒结构T1=0.05n
　　式中n:结构层数
　　如果周期偏离上述数值太远，应当考虑本工程刚度是否合适，必要时调整结构截面尺寸。如果结构截面尺寸和结构布置正常，无特殊情况而计算周期相差太远，应检查输入数据有无错误。
　　在施工图设计阶段，还必须满足规范规定的各项具体措施和要求。《混凝土规范》、《高规》和《抗震规范》对结构的构造提出了非常详尽的规定，规范中的这些措施往往是强制性条文，也是很多震害调查和抗震设计经验的总结和保证结构安全的最后一道防线，设计人员万万不可麻痹大意、掉以轻心。如计算得出的钢筋排数、直径、架构等，如不符合现场工程的实际情况或不便于施工，还要做最后的调整计算。
　　三、建筑荷载的确定与计算
　　除了上述对建筑物整体结构的周密计算外，建筑恒荷载也是必须加以重视的一个关键环节。
　　（一）恒荷载（永久荷载）
　　在房屋结构中，恒荷载主要是结构的自重。在设计房屋结构的地下部分时，有时要计算土的自重，它也是恒荷载。
　　结构自重主要是指楼面板、梁、柱、墙体、基础等构件的自重。结构的自重，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定c根据计算荷载效应的需要，结构自重可以表示为面荷载、线荷载或集中力等。
　　当用于计算楼板的荷载效应时，楼面板的自重、板的面层材料自重，一般可以用板的厚度、板的面层材料厚度分别乘以各自材料单位体积的自重得到，单位为kN/m2；当用于计算楼板的荷载对梁或墙体产生的效应时，一般以计算出的板单位面积自重与板短边长度一半的乘积得到，以分布线荷载的形式（均布荷载、梯形荷载或三角形荷载）作用在梁或墙上，单位为kN/m。
　　当用于计算梁的荷载效应时，一般需将梁的自重表示为线荷载，即材料单位体积的自重与梁截面面积的乘积，单位为kN/m。
　　对于承重墙体（例如混合结构的承重墙体），当用于计算其荷载效应时，一般可取其单位长度计算自重，以墙体单位长度、厚度、高度与墙体材料单位体积自重相乘得到；对于非承重墙体，例如作用在框架梁上的隔墙，由于不需要计算其自身的荷载#p#副标题#e#效应，只需要将其计算为作用在梁上的线荷载，即墙体材料单位体积自重与墙厚、墙高相乘得到，单位为kN/m。柱自重一般以材料单位体积自重与柱体积相乘得到，单位为kN。
　　（二）荷载效应特性
　　荷载效应是指结构构件在荷载作用下产生的内力（弯矩、轴力、剪力）和位移等。对弹性材料的结构构件，荷载效应与荷载成线性关系，即：
　　S=CQ
　　式中：S——荷载效应；
　　Q——荷载；
　　C——荷载效应系数。
　　由于荷载效应与荷载成线性关系，因此荷载特性就是荷载效应的特性，因此可以用荷栽特性来说明荷载效应特性。
　　作用在结构构件上的荷载，可分永久荷载（即恒荷载）和可变荷载（即活荷载）两种。它们的基本特性是随机性。例如，恒载由材料自重与构件体积相乘而得，而材料自重随混凝土原材料和密实性而变化，因此材料自重具有随机性；构件体积由于尺寸误差亦会引起变化，因此构件体积亦具有随机性。由两个随机因素决定的恒载，当然亦具有随机性。楼面活荷载、风荷载和雪荷载等可变荷载具有更明显的随机性。由于荷载是随机变量或随机过程，因此要用概率分布描述。
　　四、结束语
　　钢筋混凝土高层结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。因此，设计人员要严格按照规范的规定进行设计，绝不能接受业主、建筑专业的无理要求而进行违规设计。良好的工作责任心、一丝不苟的工作态度、设计经验的积累都是非常重要的。只有精益求精、对自己设计的每一项工程负责，不断学习、汲取前人的经验和教训，才能真正地做好结构设计。
　　【参考文献】
　　[1]中华人民共和国国家标准．建筑结构荷载规范（GB50009-2001）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.
　　[2]徐培福，傅学怡，王翠坤，肖从真．复杂高层建筑结构设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005.
　　[3]李仁美．高层建筑桩基持力层载荷试验分析应用研究[J]．四川建材，2008，（3）．