基于建筑工程错层结构设计问题分析与探讨

1、基于建筑工程错层结构设计问题分析与探讨摘要：近年来建筑形式逐渐多样化，民用高层建筑中的错层结构愈来愈多地呈现出其在使用功能及空间效果等方面的优势。本文就总结了实际工程中需要注意的相关问题。错层结构属于一种复杂结构，其平面和竖向均不规则，试验和研究表明，错层结构的抗震性能较差，在设计中，因尽量避免，尤其是高层结构，当无法避免时，在计算和构造中均应采取有效的加强措施关键词：错层结构； 承载能力计算； 错层结构构造前言 错层结构由于楼板不连续，会引起构件内力分配及地震作用沿层高分布的复杂化，错层部位还容易形成不利于抗震的短柱和矮墙，属于复杂多高层结构，因此错层结构在建模、计算、出图等各个设计环节上都

2、有其特殊性，比平层结构的设计要困难得多。随着社会的发展,人民生活水平的提高,住宅需求也不断提高,对不同建筑功能区域的层高也有不同的要求。例如客厅开间大、面积大,相应的层高也要高点;而对于卧室、厨房、卫生间等处就只要正常的层高就能满足要求。错层结构就满足了上述要求。什么是错层结构呢？首先,要有错层的元素,所谓错层,就是楼板标高大于600mm以上 , 且超过梁高。光有了这样的元素还不能构成错层结构,错层的面积必须大于等于整个楼层面积的30%。这种结构,属于建筑方案不规则的结构形式。首先是平面,每层的楼板由于标高不同,相当于楼板开大洞,所以平面不规则;其次是竖向,由于梁板错层,竖向构件的刚度会相差很

3、大,所以竖向也不规则。在试验和研究中均表明,错层结构的抗震性能较差,应尽量避免,但是又有市场需求,为解 决好这个矛盾,在实际的设计过程中,就要注意采取加强措施,笔者认为有两大方面的问题需要注意。 一、计算方面的问题分析与研究 1、承载能力计算：一是模型的建立，在建模计算时,错开的楼层应各自参加结构整体计算,在没有梁板的地方代以虚梁、虚板,这样本来的一层就会变成两层,这样的模型和实际情况才比较相符。二是活荷载折减。在活荷载折减一项中,楼层折减系数填写应与实际情况一致,由于原来的一层变成大连两层,楼层号就发生了变化,此项填写的楼层号应与建筑层数一致,否则设计折减的就太多,偏于不安全。三是楼板刚性假

4、定由于错层部分楼板都相当于开大洞,楼板的刚性假定不能成立,应该按照弹性楼板计算比较符合实际情况。四是地震作用计算的阵型数的确定。由于错层结构的楼板是按照弹性楼板假定的,所以其阵型数应按如下几个原则选定:1)每层节点数为Mi,楼层数为N , 则阵型数为 N ( 3 M i ) ; 2 ) 阵型数不应少于15个;3)多塔结构不应小于塔楼数的9倍。总之,计算阵型数的取值应保证是参与计算的有效质量数不小于结构总质量的90%。五是柱子的计算高度。在有错层处,柱子确实是真实的两个柱子,可是在非错层处,柱子的计算长度变小了,内力值就小了,在实际配筋的时候,还应该还原柱子的计算长度。 2、周期及位移比的计算。

5、规范中对位移比的定义为最大位移和平均位移的比值,在条文说明中,也可以清晰的看 到,楼板是作为一个整个的刚体进行平动和转动的,所以在周期及位移比的计算中,还应该采 用刚性楼板假定。虽然实际的情况会与此假设有些不同,但大的趋势还是相符的,还不至于变成弹性楼板。考虑到错层结构的不确定性及复杂性,还应采用两种及两种以上的计算软件进行验算对比,找到结构的薄弱部位。 3、错层对结构抗震性能的不利影响。一是错层结构的楼板不连续，在没有楼板的区域，存在跃层构件和不受楼板和梁约束的自由节点，使内力计算十分复杂。二是错层结构的各层楼板布置不均匀、不对称，质心和刚心严重偏置，在水平地震作用或风荷载下会发生较大的扭转

6、效应。三是错层结构引起楼层概念模糊，如例题本来是2层的框架结构，由于建模和计算的需要，人为地变成了5层，使以层模型为基础的计算分析与实际不符。四是错层结构的层高不一致，容易造成延性较差的短柱和矮墙，对结构抗震很不利。 4、错层结构计算分析中应注意的问题。一是根据规范精神，错层结构中，错开的楼层应各自参加结构整体计算，不应归并为一层计算。但各自独立计算的错层楼板不宜简单地按“刚性楼板”假定计算，特别是楼板被洞口切分成狭长板带时，应考虑楼板面内刚度消弱的影响。建议将这些楼板设定为“弹性膜”，用SATWE计算时选择“总刚分析方法”，将按两种模型定义的楼板的计算结果进行分析对比。二是在没有楼板的区域可

7、能存在大量的跃层竖向构件和不受梁板约束的自由节点，因此“计算振型个数”需要增多，以保证有效质量系数大于0.9。三是错层结构属于复杂多高层结构，抗震计算时应选择“考虑双向地震作用”；如是高层错层结构，还应选择“考虑偶然偏心”。新版SATWE程序允许同时选择以上两项，程序分别计算，取不利情况。四是错层结构层高不一致，使有关楼层间的控制参数，如层间位移比、层间刚度比、层间受剪承载力比等计算失真，因此不宜机械地直接采用这些数值，而应加以分析判断和手工校核调整，确定其是否合理。五是SATWE可自动搜索错层结构中的跃层柱及正确设定其计算长度系数，但内力和配筋只能按楼层分段描述，设计人员可取各段配筋中的最大

8、值出图。六是目前SATWE没有自动搜索分析短柱和矮墙的功能，需要设计人员手工对这些容易发生脆性破坏的构件采取特别的加强措施。七是考虑到错层结构计算分析的复杂性和不确定性，除了用SATWE等软件进行常遇地震下的弹性计算以外，必要时还应采用EPDA程序进行弹塑性动力时程分析和Pushover弹塑性静力分析，以便对比验算及找出需要加强的薄弱部位。八是带转换层、加强层、连体、多塔等情况，或建筑各部分层数、结构布置或刚度等有较大不同的错层高层结构，即属于明显不规则的复杂高层建筑，应进行专项审查，这是保证错层结构设计质量的重要措施。 二、构造方面的问题分析与研究 有关错层结构的构造,在抗震规范中并没有单独

9、作说明,但是高规的第十章做了详细的规定。由于错层结构的抗震性能很差,在构造方面就要加强,总的设计原则应该是从严。研究还表明,错层框架的抗震性能比剪力墙要差,平面规则的错层剪力墙比平面不规则的错层剪力墙结构性能要好,当无法避免错层结构时,应尽量设计成平面规则的结构,不仅有利于结构抗震,也有利于配套设施的设置、实际使用功能的实现和工程造价的降低。错层结构应尽量减少扭转效应,错层结构的两个主轴方向应尽量满足侧向刚度和变形性能相近的要求,以减小错层处墙、柱内力,避免错层处结构形成薄弱部位。高规10.4.4强条规定,错层处框架柱的截面高度不应小于600mm,(在抗震规范要求一般框架柱截面不宜小于350m

10、m,板柱结构不应小于400mm),混凝土强度等级不应 低于 C30,抗震等级应提高一级采用 ,箍筋应全柱段加密。10.4.5条错层处平面外受力的剪力墙,其截面厚度,非抗震设计时不应小于200mm,抗震设计时不应小于250mm,并均应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱;抗震等级应提高一级采用。以上各条均是保证了错层部分的构件不会先于其他构件破坏,反映了从严设计的理念。错层处剪力墙的混凝土强度等级不应低于 C30,水平和竖向分布钢筋的配筋率,非抗震设计时不应小于0.3%,抗震设计时不应小于0.5%。如果错层处的混凝土构件不能满足设计要求,就要采取有效措施。框架柱采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱,剪力墙内设置型钢,可改善构件的承载能力和延性。 三、结语 试验和研究均表明,错层结构的抗震性能较差,