高層建筑錯層結構設計研究

李勛文（山西晉設拓凡建筑設計咨詢有限公司，山西 太原 030000）

建筑建設的發展促進了人民群眾居住環境的不斷改善，在滿足基本居住、工作需求的同時，建筑設計朝著美觀的方向發展。近年來，錯層結構成為建筑設計的一種流行趨勢，錯層結構就是平面和豎向均不規則分布、結構錯綜復雜，基于這種不規則的結構每層樓的標高和豎向構建高度均不同，樓板和平面也不規則。因此需要在符合設計原則的基礎上，對當前建筑的錯層設計結構中存在的問題進行修正，以便提高建筑工程質量[1-5]。

1 建筑工程錯層結構的定義與特點

1.1 錯層結構的定義

建筑工程的錯層結構是指每層樓水平面高度不一致，且房間的屋頂和地面形狀不同于常規平面。目前，主要運用錯層進行建筑設計，以便最大化利用空間來滿足業主需求。錯層結構建筑樓層標高差要大于常規建筑，且錯層結構不少于該層的30%。

1.2 錯層結構的特點

錯層結構的最大特征就是形狀和結構不規則，很多錯層結構的樓板不連續，從而使得下部受力減小，同時錯層結構的不規則性也影響了整個樓板的受力。針對錯層結構應嚴格復查錯層部分豎向的抗側力構件剛度和錯層設計數量，在很多建筑中錯層結構受力集中于某一部分，使得整個建筑抗震性降低成為鋼筋混凝土的短柱體系。因此，對錯層結構的設計應充分考慮錯層結構對整體建筑的影響，同時提高其承載能力和延性。

2 建筑工程錯層結構設計中存在的問題

建筑結構通過錯層設計之后，在一定程度上提高了建筑的美學價值，雖然層高沒有改變，但是增加了使用空間，提高了建筑空間利用率，拓展了建筑的使用功能。因此，錯層式建筑可以滿足實際生活和工作的需求，尤其深受年輕群體的喜愛。因錯層設計導致的圈梁無法閉合、墻體強度等級不一、計算誤差、水平荷載無法有效傳遞等，給建筑結構帶來較多不利問題。

2.1 計算方面的問題

2.1.1 承載能力計算

建筑工程采用錯層設計，需要在設計過程中進行建模，并對錯層后的結構進行承載力計算。錯層設計后原本一層空間變成兩層空間，使得建筑的承載力降低，當超過限制時會對建筑產生安全隱患；樓板彈性驗算需要結合具體結構設計進行計算。錯層處結構存在多個柱，則按照多柱進行計算，錯層后柱長度變低，柱所受荷載較小，計算配筋時則按照錯層后的荷載作用進行配筋計算。

2.1.2 周期及位移比的計算

建筑采用錯層結構設計后需要計算一定周期內的位移比，位移比指的就是建筑最大位移與平均位移之比，相關規范中建筑位移指的是錯層結構的整個樓板的位移。一般會按照項目實際情況對剛性樓板進行假定，雖然實際樓板會有出入，但是整體定性不會改變，不會改變剛性樓板與彈性樓板的性質。在設計階段，設計人員需要充分考慮到錯層結構的復雜性和不確定性，并且通過相關軟件進行計算和驗算，及時發現錯層結構建筑中相關設計的薄弱之處。

2.1.3 錯層對結構抗震能力存在的影響

建筑采用了錯層結構設計，改變了整體建筑的受力情況，同時設計者也應該熟悉樓層概念，不能因為錯層結構設計將2層結構設計成3層建模。整個樓板會因錯層結構設計后而變得不連續，間斷處會存在不受橋梁控制力的自由點，因此在設計構成中應考慮到樓板不對稱、不均勻和剛性偏移等情況。

2.2 構造方面的問題分析

建筑物經過錯層設計后，其抗震性能會受到影響，雖然在相關建筑規范中沒有對錯層結構的抗震性能有明確規定，但是設計人員應該明確錯層結構對抗震性能的影響。錯層框架和不規則錯層剪力墻本身的抗震性能都比不上平面剪力墻。因此在錯層結構設計時，應基于錯層結構的設計原則和特點，盡量結合平面規則的建筑結構，將錯層結構的抗震性能設計成與常規結構抗震性能相一致。

2.3 缺少對于溫度變化的考量

在錯層結構設計中應考慮氣候環境對結構受力等造成影響，部分設計人員忽視了室內外環境變化尤其是溫度變化的影響。在建筑結構中頂層溫差變化較大會對溫度應力產生影響，原本錯層處形成的彎曲應力和剪切應力發生改變，對建筑結構的可靠性和安全性能造成影響。

3 建筑工程錯層結構的加強措施

3.1 以“抗”為主技術應用

設計人員應充分考慮建筑工程的強度和剛度，并解決建筑結構設計中的相關計算問題。某工程占地面積39萬m2，設計66棟錯層結構建筑。設計人員需要在滿足抗震要求的基礎上，提升錯層結構的等級。因此，在計算位移比時充分考慮錯層結構影響，并采用兩種及以上的方法進行核算。錯層結構的樓板不規則、不均勻等，計算時充分考慮到樓板洞口所切成的狹長板帶、層高不一致對巖性較差矮墻和矮柱的影響程度。采用總綱分析法，對樓板區域的大量不受約束的自由點和臥層豎向構件進行計算，計算時需借助SATWE等軟件，尤其是承載比、剛度比、位移比、躍層柱的長度和各段的配筋中最大值進行計算，避免造成計算誤差。要嚴格按照規范和標準對建筑各部分層數、結構位置和高度不同進行計算，本項目中的6棟建筑均為28層，避難所設計在9層，設備層設計在17層，因此9層的層高應不大于6m，錯層結構頂樓高度不大于33.9m，同時頂層層高應占據屋面總高度的29.8%。在對建筑設計中要根據核心筒跨距和標準層框架具體參數，結合具體邊長和邊柱，選擇C60混凝土。考慮到錯層結構和相關調研數據，樓板厚度應由120mm變為140mm，內墻厚度從300mm變成200mm。

3.2 明確上下樓板高差設計

錯層結構的設計要結合具體的錯層結構框架對短柱的特征進行比較，應該詳細計算上下樓板的設計高差。設計者應該依據具體的設計目標，在充分保證樓層的水平荷載的前提下，運用相關技術方法研究錯層位置的扭轉效應，設計過程中結合相關梁抗扭，靈活運用大跨度的結構方式，做好錯層結構的科學設計。

3.3 錯層結構的抗震措施

建筑物采用錯層結構設計后，其抗震性能會發生變化，應結合具體情況變化采取相應抗震措施。將底部錯層的框架柱軸壓比限制控制在規定范圍，同時錯層導致的穿層柱增加會擴寬相關樓層地震剪力，因此要不斷優化和加強錯層位置的框架柱抗震的荷載力。設計人員采用Pushovera軟件，對建筑本身結構和錯層結構進行分析，通過靜力彈塑性推覆的研究，按照相關標準詳細計算對于樓板的正應力。科學的處理錯層結構兩側板厚度，將厚度提升至140mm，同時強化邊緣構件的配筋。

3.4 建筑工程錯層結構問題的解決

錯層結構設計使得整個地面產生不均勻的沉降對地梁造成影響，地梁作為建筑的基礎應謹慎對待。將地梁視為空架梁對待，在忽略梁彎矩的情況下將其剪力傳給框架柱，來解決地梁受力問題。通過錯層處加密柱箍筋，加大縱筋和梁箍筋的扭轉，提高錯層結構的穩定性。對于錯層結構處出現無法滿足剛性樓面的結構，可以采取增加梁系梁板、雙層配筋和斜向配筋來縮小計算誤差提高其結構剛性。錯層結構設計復雜，因此設計過程中要結合建筑具體情況和相關規范，錯層處體積配箍率和柱的縱筋要大于1.5%。同時設計剪力墻時由于豎向構件受力的復雜性，可以根據不同的框架結構的獨特性單獨建立模型，根據錯層結構平面內受剪力墻來求平面外受力。

4 結語

錯層結構作為當前建筑工程當中最常見的結構形式，本文首先分析了錯層結構的相關特點，然后對目前建筑工程錯層結構設計過程中存在的問題進行分析和闡述，并結合建筑工程的具體實際情況提出錯層結構設計的建議和對策，通過對目前建筑工程當中的錯層結構進行優化和改變，消除錯層結構設計帶來的安全隱患，增強了建筑工程錯層設計的實用性和可靠性，為錯層結構的推廣應用提供參考和方向。