探究结构设计错层结构设计

摘要： 针对错层结构这种复杂高层建筑，规范中的规定比较简略。针对错层结构平面、立面不规则及错层部位受力复杂等特点，提出一些针对性加强措施。并对目前计算软件无法精确分析的部位，提出简化计算方法。
关键词：错层 概念设计 简化计算
近年来建筑形式逐渐多样化，民用高层建筑中的错层结构愈来愈多地呈现出其在使用功能及空间效果等方面的优势。对于结构专业错层建筑存在很多需关注的特点。笔者结合高层错层结构设计经验，总结如下心得，希望与广大设计人员讨论。

一、错层结构的定义

《高规》中针对错层结构有专门章节进行阐述，除对错层部位进行详细规定外，尚对错层结构的最大适用高度加以控制。但在实际工程中错层类型多情况复杂，某些错层较小的结构可不视为错层结构。虽规范无明确说法，根据相关资料可按以下原则把握。

1.楼层标高相差不大于普通框架梁的截面高度。

2.错层面积较少，不大于该层面积的30%。

3.平面规则的剪力墙结构，当纵横墙体能直接传递各错层楼面的楼层剪力。（此时整个结构更要力求刚心质心尽量重合。）
以上情况虽然是楼板错层但不属于错层结构，主要指最大适用高度上不受《高规》10.1.3的限制。但错层部位仍应按规定采用加强措施。针对此项内容文献【3】中有更加详尽的要求。
提醒设计人员注意的是，在方案阶段应针对此内容应与施工图审查机构进行事先沟通以求达成共识。

二、错层结构的特点

错层结构属于复杂高层结构，之所以定义为复杂高层结构主要是因为以下特点。
1.错层结构属于竖向布置不规则结构，在错层部位竖向抗侧力构件因计算高度不同而引起刚度突变；剪力墙结构错层后因建筑使用功能原因易形成错洞或叠合错洞剪力墙使洞口布置不规则；框架结构错层后形成长短柱混合的不规则结构，更加不利。
2.由于楼板错层，故相当于错层楼板开大洞，楼板会受到较大的削弱而形成平面不规则结构。
3.错层附近竖向抗侧力构件受力复杂，易形成许多应力集中部位。且限于目前计算软件的能力尚无法进行精准计算，应根据结构概念进行构造加强。

三、设计过程需注意事项及加强措施

1.由于错层结构为竖向不规则结构，在结算结果中主要体现为上下楼层侧向刚度比不能满足《高规》4.4.2条的要求。出现此种情况首先应对方案进行调整以改善竖向不规则的严重程度，但由于错层结构的本身特点导致无法根本解决。此时应按《高规》

5.1.14条针对薄弱层的要求进行计算调整并采取相应构造措施。

2. 由于错层结构为平面不规则结构，在计算及构造方面采用以下措施。

首先在建模计算时错开的楼层应各自参加结构整体建模，不应归并为一层计算。对于框架结构比较容易实现，但对于剪力墙结构会发生洞口跨越结构楼层的情况。此时可将跨层洞口按层高分为两个洞口，下层洞口上设100高连梁。笔者曾对一正常结构分别按实际工程建立模型，并按对此种简化方法建立模型进行过计算比较，当采用PMSAP进行计算时简化模型与实际模型在刚度方面吻合理想，采用SATWE进行计算时两种模型差异较大。所以建议设计人员尽量采用PMSAP进行错层结构计算。
其次，在计算结构位移比等控制指标时不能采用楼板强制无限刚检测定，而应采用分块无限刚检测定。且位移比不应采用层间位移比，而应采用楼层位移比。因为错层结构关于“层”的概念与正常结构有较大不同，按以上方法控制是合理的。但应事先与施工图审查机构进行事先沟通。
第三，为改善楼板局部不连续的不利影响，应设置一定量贯通层。即每隔若干错层楼层便设置一层不错层楼层，此种方案在住宅工程中比较容易实现。每个区段内错层数不宜太多，这样可以协调各部分变形，减小错层处墙柱内力。笔者曾建立平面杆系模型进行定性比较，发现设置贯通层对结构的整体刚度、变形及错层处竖向构件内力等均有较大程度的改善。在体现贯通层重要作用的同时亦应对贯通层进行着重加强，如加大板厚，提高配筋率并设贯通钢筋；贯通层宜结合连梁设置暗梁，且暗梁配筋宜加强。另在结构顶部若干层设置贯通平层亦可有效减小不利影响。
3.错层附近构件受力复杂引起应力集中尤以错层处竖向构件为甚。但由于受目前计算软件的限制不易得到比较精确结果，主要采取简化计算及构造措施等进行加强处理。
首先在布置抗侧力构件时要尽量减小结构的扭转效应。试验表明错层结构加上扭转效应较仅为错层而平面布置规则破坏更为严重。楼层两侧结构刚度及结构布置差别要小，设计成错层两侧抗侧刚度及变形性能相近的结构，以减小扭转效应从而降低错层处墙柱内力。同时框架及框剪结构有错层时对抗震更为不利，宜避免。另在错层处尽量设置纵横向剪力墙，以保证不同标高楼板所产生的水平力能直接通过剪力墙传递，尽量避免产生水平力传递过于复杂的情况。
其次，错层部位构件受力复杂。具体加强措施在《高规》10.4节已有说明。除按规范执行外尚建议作如下加强措施。错层处柱纵筋不小于1.5%，体积配箍率不小于1.5%。错层处剪力墙有条件可按框剪结构中的带边框剪力墙措施加强该部分剪力墙。
第三，错层部位的竖向构件受力极为复杂，压、弯、剪、扭等同时存在。除采用构造措施加强外，尚应以计算为主要依据。针对框架结构目前计算软件可以得到计算数据。但对剪力墙结构目前计算软件存在一定的局限性。因目前的剪力墙计算模型中无法考虑平面外受力。而错层部位剪力墙的平面外受力却是主要验算内容。针对此项计算内容可单独建立模型，可采用同截面柱等代错层部位平面外受力的剪力墙。用以求得墙平面外内力并进行验算。需说明的是X、Y两方向应分别建立模型，即以等代柱替换X向平面外受力剪力墙时Y向剪力墙仍按实际模型输入，反之亦然。
错层结构是一种较为复杂的结构形式，而且目前规范对此的规定并不十分详尽。所以在设计时除采用整体计算软件进行计算外，尚应对局部构件进行模拟计算。另，采用简化模型对关键结构部位进行定性分析并采取相应加强措施也是十分必要的。
参考文献
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）中国建筑工业出版社
徐建 《建筑结构设计常见及疑难问题解析》中国建筑工业出版社
[3]北京市建筑设计研究院 《建筑结构专业技术措施》中国建筑工业出版社

源于：论文结论www.udooo.com