淺談帶錯層的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

王春偉

（齊齊哈爾和平建筑設(shè)計有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

高層建筑是近代經(jīng)濟發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進步的產(chǎn)物。近三十年來，科學(xué)技術(shù)的飛速進步，生產(chǎn)出多種輕質(zhì)高強的材料，研究出新型的高效結(jié)構(gòu)體系，創(chuàng)造出先進的施工的技術(shù)和機械設(shè)備，提供了高速電梯、空調(diào)、防火、自控等現(xiàn)代化設(shè)施，使高層、超高層建筑得到了充分的發(fā)展。近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，人們也逐漸從對普通住宅的需求向高檔住宅的方向發(fā)展。具有舒適的室內(nèi)環(huán)境、合理的空間布局、優(yōu)美的居住氛圍的住宅已成為人們追逐的對象。為了建筑功能的需要或者最有效的使用空間，在建筑設(shè)計中經(jīng)常會用到錯層布置。它改變了建筑的傳統(tǒng)方法，是一種在多維空間上房中樓層立體布置的建筑設(shè)計方法。

錯層結(jié)構(gòu)由于同一樓層的樓板沿高度方向相互錯開而形成了室內(nèi)空間的變化富于多樣性，深受消費者的青睞。因此在城市住宅區(qū)廣為使用。但是，作為一種結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，地震反應(yīng)特性與普通高層結(jié)構(gòu)也有很大的不同，借助于計算機技術(shù)的發(fā)展，對錯層結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究也越來越深入。如何通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計來滿足錯層結(jié)構(gòu)的抗震性能是本文的主要內(nèi)容。

1 高層建筑錯層結(jié)構(gòu)的受力特點及影響因素

1.1 錯層結(jié)構(gòu)的形式

錯層高層建筑為了取得多樣變化的室內(nèi)空間，通常在一個單元的幾個房間設(shè)在有高差的幾個層面上，當(dāng)錯層高度不同時，就形成了各種類型的梁柱集合體。從工程實用情況來看，可將錯層結(jié)構(gòu)歸納為三類:包含型錯層結(jié)構(gòu)、交叉型錯層結(jié)構(gòu)和混合型錯層結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 錯層結(jié)構(gòu)示意圖

2 錯層框架結(jié)構(gòu)的受力特點

錯層框架結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的相比主要由于在錯層出錯開的樓層導(dǎo)致了在結(jié)構(gòu)的一些部位形成豎向的短構(gòu)件，使受力集中，不利于抗震。主要的原因可能是在同向受力中由于錯層構(gòu)件剛度大，而產(chǎn)生內(nèi)力集中。在錯層結(jié)構(gòu)中，短柱問題應(yīng)該得到足夠的重視。

3 錯層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點

錯層框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻承擔(dān)了水平力中的一大部分，特別是在地震作用下，錯層框架剪力墻結(jié)構(gòu)有兩道設(shè)防線，能夠較好地改善錯層結(jié)構(gòu)的受力性育旨。

4 錯層對結(jié)構(gòu)影響的不利因素

錯層對結(jié)構(gòu)的不利影響主要源于兩個方面：一是樓板分塊錯置，在錯層構(gòu)件中會產(chǎn)生很大的變形內(nèi)力，從而削弱了樓板協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體受力的能力；二是樓板錯層，容易在某些部位形成豎向短構(gòu)件，從而可能在同向受力中因錯層構(gòu)件剛度較大而產(chǎn)生內(nèi)力集中。基于以上兩個根本原因，錯層將進而對結(jié)構(gòu)的整體性產(chǎn)生較大影響。相互錯層的相鄰樓板僅由中間的錯層柱（墻）相聯(lián)系，而樓板在自身平面內(nèi)的抗彎剛度遠遠大于錯層柱（墻）的抗彎剛度，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時，結(jié)構(gòu)左右兩部分將產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，在錯層柱（墻）中形成較大內(nèi)力。顯然，這對于錯層結(jié)構(gòu)抗震是十分不利的。以上3種錯層結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

4.1 對包含型錯層結(jié)構(gòu)，由于上下層樓面剛度發(fā)生突變，當(dāng)?shù)卣鹱饔冒l(fā)生時，地震力在樓層之間分配不均勻，從而影響了各樓層總地震作用沿建筑全高分配的連續(xù)性，影響結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

4.2 交叉型錯層結(jié)構(gòu)上下層平面剛度不重疊，易使地震作用在樓層之間產(chǎn)生局部扭矩，對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；且其共用柱多為短柱，分配的地震作用彎矩往往比其他柱大很多，從而形成相對薄弱的受力構(gòu)件。

4.3 包含錯層結(jié)構(gòu)和交叉錯層結(jié)構(gòu)存在較長錯層柱，當(dāng)?shù)卣鹱饔冒l(fā)生時，會導(dǎo)致地震作用在樓層豎向構(gòu)件之間分配不均勻，使同層構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生很大差別，從而使各結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的可靠度出現(xiàn)較大差別。錯層結(jié)構(gòu)錯層部位的豎向抗側(cè)力構(gòu)件一般均為低矮構(gòu)件，在地震作用下的延性較差。

5 帶錯層的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點

5.1 設(shè)計要點

高層錯層建筑結(jié)構(gòu)由于在錯層短柱存在很大的內(nèi)力集中，且錯層框架結(jié)構(gòu)在錯層處的短柱要協(xié)調(diào)相互錯開的樓蓋得變形，特別是在地震作用下，更易發(fā)生破壞。為改善普通錯層框架結(jié)構(gòu)的受力性能，主要采取以下措施來解決：

5.1.1 在普通錯層框架結(jié)構(gòu)的錯層處根據(jù)實際需要增設(shè)若干撐桿，用撐桿的軸力來轉(zhuǎn)移普通錯層框架結(jié)構(gòu)錯層處短柱受的剪力。

5.1.2 在普通錯層框架結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置增設(shè)若干剪力墻，用剪力墻來承擔(dān)大部分的結(jié)構(gòu)水平剪力。

5.1.3 錯層不宜沿建筑通高設(shè)置,錯層中應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的貫通層,將錯層分為幾個區(qū)段,且每個錯層區(qū)段包含的錯層層數(shù)也不宜太多,貫通層要重點加強。

5.1.4 對于電算結(jié)果給出的超筋、超限的連梁,在提高其混凝土強度等級,斷面調(diào)整仍無效果的情況下,可采用鋼骨混凝土連梁加以解決,采用鋼骨時要注意鋼骨和墻體暗柱的連接構(gòu)造。

5.1.5 在對復(fù)雜高層建筑進行設(shè)計時,運用概念設(shè)計的思想確定結(jié)構(gòu)方案、進行結(jié)構(gòu)布置是十分重要的,在此基礎(chǔ)上還要有充分的計算分析手段,例如采用二種不同計算程序進行分析對比、相互驗證,并采用結(jié)構(gòu)動力分析方法進行補充分析。

5.1.6 對高層錯層建筑在錯層處應(yīng)在縱橫向布置剪力墻,并使其互相形成扶壁,錯層處布置單獨的框架柱是不可取的。

5.2錯層結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

錯層結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣，如何保證結(jié)構(gòu)安全，采取有效措施正確處理錯層結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。在設(shè)計時應(yīng)具體問題具體分析，充分考慮各種不利因素，針對錯層結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位從建筑平面布置、理論計算及抗震構(gòu)造措施等方面出發(fā)，增強結(jié)構(gòu)的整體受力性能，提高結(jié)構(gòu)的延性。

5.2.1 結(jié)構(gòu)的共用柱大多為短柱，而短柱的延性很差，在建筑遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌，因此對因錯層形成的短柱，應(yīng)該盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

5.2.2 盡可能使結(jié)構(gòu)平面布置合理化，使錯層部位兩層的豎向構(gòu)件剛度相等，對結(jié)構(gòu)平面布置不對稱的結(jié)構(gòu)，地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將十分顯著，可能造成角部抗側(cè)力構(gòu)件開裂，在設(shè)計中應(yīng)加強這些部位的配筋，增強抗震構(gòu)造措施。

5.2.3 加強錯層結(jié)構(gòu)中錯層柱及其上連梁的抗扭能力，同時使錯層柱與相鄰普通柱的長細(xì)比控制在1-2之間。

5.2.4 在高層建筑中，豎向體型應(yīng)避免過大的外挑和內(nèi)收，立面收進部分的尺寸比值應(yīng)滿足≥0.75的要求。

5.2.5 對設(shè)防烈度較高、抗震等級較高的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能限制使用錯層結(jié)構(gòu)，如不可避免，則應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，并盡量避免上下層樓面剛度突變。

結(jié)語

帶有錯層的高層建筑的錯層結(jié)構(gòu)空間變化豐富、層次感較強，極大地滿足了人們的心理要求，同時為結(jié)構(gòu)的發(fā)展提出了新的課題。諸如其受力復(fù)雜、不確定因素較多、地震的特點要求等也帶來了設(shè)計施工難度較大、結(jié)構(gòu)抗震性能較差等諸多問題，這也成為阻礙高層建筑錯層結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要因素。因此，對要加大對帶錯層的高層建筑結(jié)構(gòu)的深入研究、提高結(jié)構(gòu)整體性能、有效改善錯層結(jié)構(gòu)的抗震性能。這對進一步推動錯層結(jié)構(gòu)的發(fā)展有著十分重要的意義。