某辦公樓增設夾層方案對比分析

□ 郭霄偉

1 引言

近些年，帶有挑高空間的辦公樓（SOHO）逐漸進入房地產市場，雖然SOHO辦公樓銷售時按單層的建筑面積計算，但在增加夾層后其實際使用面積是銷售面積的近2倍，極高的得房率、相對較低的單價使SOHO辦公樓受到市場的追捧。但在結構分析上，后期增設的夾層會對原主體結構產生影響：沿豎向增設的夾層不均勻可能會造成結構豎向剛度突變；夾層抗側力構件與主體結構剛性連接可能增大結構的抗側剛度，放大結構的地震作用效應。如何既提高建筑的空間利用率，又盡可能地減小增設夾層對原有結構造成的不利影響，滿足結構的安全性能，成為值得研究的問題[1,2]。本文以某高層辦公樓為例，結合原有未增設夾層的設計方案，主要對主體結構增設混凝土夾層與鋼結構夾層兩種結構方案進行對比，重點分析兩種方案的優缺點。

2 工程概況

2.1 基本信息

某高層辦公樓，位于抗震設防烈度7度區,設計基本地震加速度值0.15g，場地設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類，50年一遇的基本風壓為0.8kN/m2。該工程地上21層，地下1層，建筑高度為94.5m，屬于A類高層建筑。

2.2 結構形式

辦公樓主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，上部結構嵌固端為地下室頂板，±0.00以上各層層高均為4.5m，結構高寬比3.61，平面布置均勻對稱。主要外框架柱截面沿高度為1000mm×1200mm～800mm×800mm；外圍框架梁截面為400mm×850mm；沿Y向主要框架梁截面為600mm×900mm；框架柱和剪力墻抗震等級為二級，標準層結構平面布置見圖1。

圖1 標準層平面布置示意圖

3 分析要點

設計階段已充分考慮增加夾層后的荷載（樓板自重取100mm混凝土樓板，附加恒載取1.5kN/m2，活荷載取2.0kN/m2），夾層從3層至21層沿豎向均勻布置，增設夾層范圍見圖2陰影區域。夾層與主體結構的連接有剛接和鉸接兩種方式，本文主要對與主體結構剛接的混凝土梁板式夾層（方案1）和與主體結構鉸接的壓型鋼板組合樓板+鋼梁夾層（方案2）進行分析，探討除了原有的設計方案（方案3）外，其他兩種方案的可行性及其對主體結構的影響。

圖2 夾層平面布置示意圖

（1）方案1采用混凝土梁板式夾層，夾層均采用標號C30混凝土，在標準層各房間隔墻梁位設置200mm×300mm的梁上小柱，對混凝土夾層梁與梁上小柱及框架柱采取整澆，夾層樓板與夾層梁整澆，夾層板荷載通過夾層梁傳至梁上柱及框架柱。由于夾層面積相對標準層面積占比較大（65.8%）且夾層板與原結構剛性連接，剛接夾層板對主體結構剛度的影響不能忽略，夾層按實際樓層考慮，計算建模時將各夾層作為單獨的計算層參與整體結構計算。

（2）方案2采用壓型鋼板組合樓板+鋼梁夾層，同樣在標準層各房間隔墻梁位設置200mm×300mm的梁上小柱，梁上小柱和框架柱均預埋連接板，為避免夾層結構對主體結構產生過大影響，夾層鋼梁與柱采用高強螺栓鉸接連接。夾層梁僅傳遞豎向荷載，夾層不作為實際樓層考慮，計算建模時將夾層荷載作為節點荷載輸入標準層模型相應位置。

（3）方案3為不增加夾層的原有設計，本文不作重點闡述。

4 計算與分析

4.1 結構分析對比

采用“YJK 2.0.1”對方案1、方案2及未增設夾層的方案3進行對比分析，結構整體指標（如周期、位移、扭轉位移比、層間剛度比、傾覆力矩比等）采用剛性樓板假定，相關指標對比結果見表1，地震作用下樓層最大層間位移角對比詳見圖3、圖4，層間剛度對比詳見圖5、圖6。根據以上數據對比可得出：

（1）增設夾層后，由于結構質量增加（增幅約20%），方案2相比方案3，地震作用下的結構底部剪力效應約增加12%。同時對比方案1與方案3，方案1結構底部剪力效應約增加18%。相比方案2，方案1結構自振周期略微減小，剪重比、最大層間位移角略微增大，變化幅度均在3%以內，而方案3的各指標項與方案1、方案2對比，變化幅度約為10%。這說明在本工程中，夾層剛度對結構總體剛度及地震作用效應的影響遠小于結構質量增加的影響，這可能是由于夾層梁柱截面尺寸相比原結構截面尺寸過小，且夾層開洞面積較大，夾層梁均未與核心筒剪力墻連接，導致夾層對結構總體剛度的貢獻有限。

（2）三種方案的結構周期比、位移比、層間最小剛度比等指標均未發生明顯的變化且均在規范限值范圍內。方案1考慮夾層板參與整體計算后，由于夾層梁在X、Y向未與核心筒連接且夾層與標準層的質量存在變化，各夾層與標準層間的層剛度比、最大層間位移角均存在突變，在豎向沿高度呈有規律的鋸齒形分布，雖均未超過規范限值，但結構沿高度方向出現剛度反復突變從結構概念上顯然是不利的。

表1 整體指標對比結果

圖3 X向地震作用最大層間位移角對比曲線

圖4 Y向地震作用最大層間位移角對比曲線

圖5 X向層間剛度比對比曲線

圖6 Y向層間剛度比對比曲線

（3）方案1在第3計算層出現軟弱層，地震作用下樓層受剪承載力比值X向為0.66，Y向為0.67，已接近《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）[3]3.5.3條的限值要求，主要是由于自第4計算層層高由4.50m減小至2.20m，且3、4計算層豎向構件截面尺寸完全相同，導致第3計算層的受剪承載力較第4計算層有較大削弱，在內力分析時根據規范要求對第3計算層的地震作用剪力標準值須乘以1.25的增大系數。

（4）根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）[4]3.4.3條的要求，方案1在樓層高度突變處出現軟弱層，屬于樓層承載力突變；各夾層開洞面積大于該層樓板面積的30%，屬于樓板局部不連續，其余各項指標滿足規范要求，共存在2項不規則。而方案2、方案3各項整體指標均滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）的相關要求。

（5）采用方案1或方案2，結構整體指標均能滿足相關規范的要求，但方案1地震作用效應略大于方案2，方案1模型在核對配筋時應對軟弱層的地震效應進行放大，對夾層樓板的薄弱連接處進行分析，如有必要應采取措施予以相應加強。

（6）將夾層定義為彈性膜，核對原設計配筋，方案1與方案2兩版模型的配筋計算值均滿足規范要求。方案1設置剛接夾層導致層高減小，結構周圈框架柱均形成短柱，復核原設計配筋所有柱箍筋均已全長加密，且體積配箍率均大于1.2%。

4.2 夾層剛接樓板應力分析

方案1夾層板與主體結構剛性連接，除了承擔豎向荷載，在地震作用下，樓板還起到傳遞水平力的作用，由于夾層開洞區域較大，在計算內力配筋時考慮樓板的平面內剛度，需將夾層樓板定義為彈性膜[5]。同時考慮夾層梁板均未與核心筒連接，此時夾層樓板對保證地震作用下夾層的抗側力構件能否協同工作至關重要，本工程采用“YJK 2.0.1”對夾層樓板進行應力分析。小震下的性能目標為控制樓板的拉應力不超過混凝土抗拉強度標準值（ftk=2.01MPa），中震下的性能目標為允許樓板出現裂縫，但樓板的拉應力不應超過鋼筋抗拉強度設計值（fy=360MPa），小震及中震下樓板應力計算結果見圖7至圖10。

計算結果表明，方案1在小震及中震作用下，樓板拉、壓應力集中分布區域基本一致，且呈規律性分布，均出現在和框架柱相連的樓板角部；在小震工況下，樓板拉應力最大值為1.9MPa，小于2.01MPa；在中震工況下，大部分樓板拉應力均小于2.01MPa，局部樓板拉應力較大。在設計夾層時，采取在相應區域增大樓板配筋的方式，使樓板拉應力不超過鋼筋抗拉強度設計值。

圖7 第4計算層X向小震x向應力分布圖（MPa）

圖8 第4計算層Y向小震y向應力分布圖（MPa）

圖9 第4計算層X向中震x向應力分布圖（MPa）

圖10 第4計算層X向中震y向應力分布圖（MPa）

4.3 夾層鉸接樓板分析

方案2夾層板與主體結構鉸接，為避免地震作用下夾層樓板傳遞水平力，夾層鋼梁與柱連接處螺栓孔采用長槽孔，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）第3.7.5條層間彈塑性位移角限值估算長槽孔寬度，層間位移角限值[θ]=，層高取2.3m，計算可得長槽孔寬度S不應小于2300/100=23mm，綜合考慮相關計算結果，鋼梁與埋件間采用10.9級M22高強螺栓摩擦型連接，長槽孔尺寸取40mm×24mm。

5 結論

通過對本工程設置剛接夾層與鉸接夾層的計算分析對比可知：

（1）兩種夾層的設置方式均增大了主體結構的地震作用效應，設置剛接夾層對原有主體結構剛度尚有額外增加。對于本工程，設置剛接夾層對結構剛度的貢獻并不顯著，兩種方案在地震作用下所產生的荷載效應基本相等。

（2）設置剛接夾層易使原結構出現平面或豎向不規則，在不規則項數不超過規范要求的前提下，應采取相應的加強措施，確保計算假定符合結構真實受力狀況，保證結構的安全性。

（3）如采用鉸接夾層，并采取必要的構造連接措施，可避免鉸接夾層對結構的動力特性產生影響。該方案同時可解決設置夾層梁引起層高減小后框架柱形成短柱的問題。