浅析高层错层结构设计王清华

浅析高层错层结构设计王清华

王清华

山东省冶金设计院股份有限公司山东济南250000

摘要：在住宅类高层建筑中，常设置错层来活跃建筑布置。错层高层建筑，结构的侧向刚度不规则，对抗震不利，结构设计中应避免采用平面不规则的错层高层建筑结构。在错层结构设计，应首先考虑通过采取恰当的综合措施，消除或减轻错层给结构带来的不利影响，其次注意对错层结构的把握、错层结构的计算及计算结果的合理取用。

关键词：高层错层；结构抗震

引文

为了建筑功能及室内空间的需要，高层建筑设计中常常采用错层设计，但需要注意的是，错层结构体系的结构形式较为复杂，承载性能及抗震性能较差。所以，如何采用有效方法提高提高错层结构的抗震性能，消除或减轻错层给结构带来的不利影响成为一个主要的研究方向。

1、高层建筑错层结构的受力特点及影响因素

1.1错层的概念及受力特点

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：相邻楼盖结构高差超过梁高范围的可确定为错层结构。此处“梁高”为楼层梁的代表性截面高度，而非错层处的楼层梁截面高度。对结构设计中大量局部降低（或抬高）的楼板可不按照错层结构考虑，而通过适当的构造处理加强。

错层结构属于竖向布置不规则结构，错层部位的竖向抗侧力构件受力复杂，容易形成多处应力集中部位。框架错层更为不利，容易形成长、短柱沿竖向交替出现的不规则体系。因此，我们应重视错层结构带来的短柱问题。

平面规则的错层剪力墙结构是剪力墙形成错洞墙，结构竖向刚度不规则，对抗震不利，但错层对抗震性能的影响不十分严重。

2、错层对结构的不利影响

错层对结构的不利影响表现为三个方面：首先是错层是结构形成竖向短构件（短柱或矮墙），造成结构刚度和延性的突变，导致强烈地震时的破坏，框架错层更为不利，容易形成长、短柱沿竖向交替出现的不规则体系。

其次错层结构楼板变高差处导致楼板传递剪力的路径局部中断，严重时造成楼板平面内无限刚度的假定不成立。

第三，错层结构的各层楼板布置不均匀、不对称，导致结构质心和形心严重偏置，在水平地震作用或风荷载作用下会发生较大的扭转效应。

3、错层结构的方案选择和抗震构造措施

3.1方案选择

对错层结构这类复杂的多高层结构，更应当强调概念设计、方案选择和抗震措施的重要性。在能回避错层结构时，应尽量采用没有错层结构的设计方案；在不能回避错层结构时，应从概念设计出发，选择有利于抗震的错层设计方案，强化抗震构造措施。

在结构方案选择阶段，应尽可能将复杂的错层结构转化为两个或数个相对规则的非错层结构单元；在错层结构方案中，应尽量减少错层的范围和错层的楼层数，以减少错层部位对整体结构的影响；错层两侧宜采用结构布置和侧向刚度相近的结构体系；错层建筑应尽可能采用抗震性能好的剪力墙结构，而不宜采用框架结构；错层处宜设置通高核心筒，其余部位布置带翼緣的剪力墙，错层处的剪力墙应少开洞口，并布置框架柱和边框梁；结构的错层楼板应尽量避免“一错到顶”，可以每隔几个错层布置整层贯通楼板，板厚不应小于150mm，双层双向配筋，配筋率不宜小于0.25%。

3.2强化错层结构的抗震构造措施

（1）错层处框架柱截面高度不应小于600mm，混凝土强度等级不应低于C30，箍筋应全柱端加密配置。

（2）框架柱抗震等级应提高一级采用，一级应提高至特一级，但抗震等级已经为特一级是应允许不再提高。

（3）错层处平面外受力的剪力墙的截面厚度，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；抗震设计时，其抗震等级应提高一级采用。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%。

（4）根据工程实际情况及错层的危害程度确定对错层的加强措施，错层处框架柱宜采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱，错层处剪力墙内宜设置型钢。

4、错层结构计算分析中应注意的问题

（1）错层结构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的按“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削弱的影响。建议将这些楼板定义为“弹性模”，用SATWE软件计算时选择“总刚分析方法”，将两类楼板计算的结果进行分析对比。

（2）由于错层楼板不连续，在没有楼板的区域可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”需要多取，以保证有效质量系数大于0.9，使计算结果有效。

（3）错层结构属于复杂多高层结构，抗震设计时应选择“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”。SATWE软件允许同时选择以上两项，分别计算，取不利结果。

（4）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，一层不宜机械的直接采用这些数据，而应加以分析判断和手工校核，确定其是否合理，并进行必要的变通和调整。

（5）SATWE软件可以自动搜索分析错层结构中的越层柱及正确设定其计算长度系数，但受层模型所限，内力分析图和配筋图只能按楼层分段描述，施工图设计时可取各段配筋图中的较大值。

（6）SATWE软件没有自动搜索分析短柱和矮墙的功能，需要设计人员对这些容易发生脆性破坏的构件采取特别的加强措施。

5、结论

综上所述，带有错层的高层建筑其内部的空间层次感较强，富有变化，从建筑审美角度看，可以给人们带来高低错落的心理感受，并能够使室内空间更加多样化。但从结构设计角度分析，错层结构使得结构整体不规则，受力不均匀，不利于抗震的弊端。设计工程师应结合建筑、结构一级多方面因素，合理应用错层结构，采取相应措施，在满足建筑审美及使用要求基础上，使得结构方案更加合理，最大程度的减小错层带来的不利影响。

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