錯層框架結構的實例建模設計分析

程江鵬

（廣東省鐵路規劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著建筑行業的發展，錯層結構以其使用功能及空間效果方面的優勢，越來越廣泛地應用于民用建筑中，受周邊環境及工程條件的影響，也會出現在工業建筑中。但這種建筑形式對結構設計者來說是一種不規則的結構體系[3]。該文通過查閱規范規定和實例建模，對比了錯層框架結構的受力特性和建模方式，并對設計建模過程中的問題進行了說明。

1 錯層結構的概念

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）（2016年版，簡稱《抗規》）的規定，對較大的錯層，如超過梁高的錯層，需要按樓板開洞對待；當錯層面積大于該層總面積30%時，則屬于樓板局部不連續[3]?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規程》（JGJ 3—2010，簡稱《高規》）規定，相鄰樓蓋結構高差超過梁高范圍的規定，宜按錯層結構考慮，結構中僅局部存在錯層構件的不屬于錯層結構，但對錯層構件進行設計時宜參考錯層結構的規定[4]。錯層結構需要同時滿足以下2 點：1）同層樓蓋不在同一高度，相鄰樓蓋結構高差超過梁高范圍（主梁代表性截面高度）。2）錯層面積不小于整個樓層面積的30%。

2 錯層結構的受力特點

首先，由于樓板不連續，錯層結構的兩側樓板間缺少了直接的傳力途徑，因此會使構件內力分配及地震作用沿層高分布更加復雜，在這種情況下進行統計指標時就不能將錯層處樓蓋再簡化為一個平面剛體，而應考慮錯層對指標統計的不利影響?！犊挂帯泛汀陡咭帯分嘘P于錯層結構的相關要求見表1。其次，錯層處會形成不利于抗震的短柱，短柱的抗剪驗算為關鍵控制環節，設計時應高度重視，并要考慮錯層對結構的不利影響。

表1 錯層結構的相關要求

3 錯層結構的受力分析

首先，當不滿足錯層結構概念一時，錯層小于梁高，無論錯層面積是否比整個樓層面大30%，都可以對模型做合理的簡化，按平層來計算。為保證樓蓋能連續地傳遞水平荷載，在工程實際中，可以對錯層處標高較高的樓面梁進行如圖1 所示的加腋處理。

圖1 梁加腋大樣

其次，當僅不滿足錯層結構概念二時，錯層面積小于整個樓層面積的30%且錯層大于梁高時，此時雖不屬于嚴格意義上的錯層結構，但錯層處形成了實質性的短柱，對錯層構件進行設計時宜參考錯層結構的規定。

再次，在錯層結構中，錯開的樓層不應歸并為一個剛性樓板，應采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型。對平面規則結構而言，可以按照剛性板假定來簡化計算模型，此時統計指標和構件計算的模型可以采用相同的剛性樓板假定。而對平面不規則結構來說，樓板的面內剛度對結構的內力計算會有顯著影響，在計算前需要對計算參數和特殊構件屬性做合理設定。當錯層處高差和梁高很接近時，桿元模型精度已經觸及了力學模型幾何精度的邊界，此時應采用更加精細的殼元模型假定，否則錯層處短柱的抗剪能力將會被高估，導致設計出現不安全因素。因此為了真實地考慮錯層的影響，需要在盈建科軟件中進行設定，見表2。

表2 樓板、梁屬性設定

4 錯層結構的案例分析

下面就做過的一個錯層的框架結構進行分析計算，采用3 種建模方式，并對比找出合適的建模方案。

4.1 工程概況

某綜合交通樞紐一體化工程集鐵路站房、地鐵、長途大巴及市內公交為一體。地下3、4 層為地鐵，地下1、2層為城市地下空間，1 層為長途候車廳和公交候車廳，2 層為既有鐵路站房軌道橋梁結構，鑒于橋梁結構的影響，橋下候車廳需要按錯層結構來設計。建筑方案如圖2、圖3所示。

圖2 建筑效果圖

圖3 錯層結構典型剖面

4.2 對比模型

該工程為小型站候車廳，抗震設防類別為丙類，結構安全等級為二級，設計施工年限為50 年，耐久性設計使用年限為50 年。該工程抗震設防烈度為6 度，建筑高度為6.4m，錯層高度1.8m，選用框架結構體系，并采用3 種建模方式反映錯層對整體結構的受力影響（見表3）。采用盈建科結構設計軟件進行結構空間整體分析，計算時3 個模型均同時考慮偶然偏心及雙向地震，其中樓板和梁的屬性按表2 進行設定。

表3 3 種錯層結構建模方式

從組裝后的模型可以看出，模型1（如圖4 所示）按一個標準層建模，柱子的計算長度為實際計算長度；模型2（如圖5 所示）按2 個標準層建模，柱子節點增多，柱子的計算長度被隔開；模型3（如圖6 所示）按2 個標準層建模，柱子的計算長度為實際計算長度。

圖4 模型1

圖5 模型2

圖6 模型3

通過盈建科軟件進行分析計算，指標匯總情況見表4。模型1 指標滿足規范要求，模型2 的剛度比和位移比超限，模型3 的剛度比、樓層受剪承載力、位移比超限。因為模型3 的建模方式導致首層的柱子只有6 根，其他柱為二層柱，所以樓層受剪承載力不滿足規范要求與建模方式有關。模型2 和模型3 在修改前處理了樓層信息中的指標統計層號，因此在設計結果中，指標統計合并層中的剛度比和樓層抗剪承載力驗算均滿足規范要求。

表4 指標匯總

該文針對該工程，通過3 種不同建模方式對主要控制指標和設計結果進行對比，得出以下結論：

按模型1 計算，指標匯總滿足要求，無薄弱層定義，錯層處柱子計算結果偏于不安全。

按模型2 計算，剛度比不滿足要求，軟件定義首層為薄弱層。在地震工況下，所有柱子調整后的內力會乘以1.25 薄弱層調整系數，實際上兩側6.4m 高柱子為一層，不需要經過薄弱層調整，因此實際需求配筋小于計算需求配筋，錯層處定義為2 層，考慮薄弱層的調整比較合理，此時計算結果偏于安全。

按模型3 計算，剛度比和樓層受剪承載力不滿足要求，軟件定義首層為薄弱層，此時僅錯層處柱子在地震工況下乘以1.25 薄弱層調整系數，兩側6.4m 高柱子按一層計算，未定義為薄弱層，此時計算結果符合實際受力。

4.3 錯層結構的抗震構造措施

由于目前對地震作用結構效應的認識有較大的局限性和模糊性，僅通過將地震作用假定為一種外加荷載施加在結構上，和未來可能發生的真正的地震作用下的結構效應有一定差距。因此，為滿足結構的安全性及可靠性要求，應當加強概念設計。

4.3.1 錯層結構處盡可能加腋處理

為保證樓蓋能連續地傳遞水平荷載，在工程實際中，需要盡可能地對錯層處的樓面梁進行加腋處理，并相應加強錯層兩側樓板的板厚及配筋。

4.3.2 錯層結構平面布置宜盡量規則

如果錯層結構的兩側樓板間缺少直接的傳力途徑，會加劇樓層的扭轉。設計過程中應盡量采用平面規則的結構形式，或通過合理地布置結構構件，使建筑的形心與結構的剛度中心盡量重合，以減少扭轉的影響，將錯層結構帶來的不利影響降到最低。

4.3.3 加強錯層處短柱抗剪切破壞能力

錯層結構必然會形成長短柱，這種結構形式對承擔豎向荷載基本沒有不利影響。但在水平荷載作用下，短柱容易發生剪切破壞，結構設計中需要避免這種脆性破壞。設計過程中可以通過增加錯層處短柱截面尺寸、提高短柱混凝土強度等級、柱內設型鋼、設置復合箍筋和縮小箍筋間距等措施，改善短柱的抗剪切破壞能力。

5 結語

錯層小于代表性梁高時，無論錯層面積是否比整個樓層面大30%，此時都可以對模型做合理的簡化，按平層來計算，并對錯層處標高較高的樓面梁進行加腋處理。

錯層大于代表性梁高時，錯層面積比整個樓層面小30%，此時雖不屬于嚴格意義上的錯層結構，但錯層處形成了實質性的短柱，進行錯層構件設計時宜參考錯層結構的規定。

錯層結構應合理定義梁板屬性，板屬性定義為彈性膜，錯層處梁定義為殼元梁，采用模型2 或模型3 的方式建模更加安全。