關于某錯層框架結構的設計與思考

李　熹

(福州市規劃勘測設計研究總院　福建福州　350108)

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關于某錯層框架結構的設計與思考

李熹

(福州市規劃勘測設計研究總院福建福州350108)

通過某錯層框架結構的設計，分析了錯層結構的動力性能和結構特性，總結了錯層框架結構的結構布置、建模與計算參數的選取、位移比校核及抗震構造措施等相關設計內容，并針對錯層框架結構的受力特點提出了一些待思考和研究的問題。

錯層結構；位移比；抗震構造措施

1　工程概況

本工程位于福州市連江縣，為了使建筑內部的使用空間分割明確，使用方便，采用了錯層設計來達到起居空間與休息空間分離的良好效果。根據本工程的建筑特點，采用了錯層鋼筋混凝土框架結構體系。本工程場地的設防烈度為6度，場地類別II類，由于高度小于24m,所以本工程的抗震等級為四級。在方案設計的初期，建筑師希望以“一錯到頂”的形式來布置整棟建筑的使用空間，但是本工程由于是在抗震設防地區的錯層結構，并且層數較多，樓板局部不連續，即便每層樓板在平面內滿足剛性樓板的設計要求，對于整體的結構來說，由于同一標高的水平位移不同，只能依靠錯層處的豎向構件來協調，這將會給結構帶來很大的扭轉效應和抗震的不利影響。經過結構方案初期的試算與建筑師的協商，在整棟建筑的中間層位置設置了一個貫通層，即不錯層的樓層，以此來協調結構整體的變形，增強其抗震性能，使結構的整體剛度，變形及錯層處的豎向構件內力獲得了一定程度的改善。本工程最終的結構平面布置及建筑剖面如圖1至圖4所示。

圖1　錯層標準層平面一

圖2　錯層標準層平面二

圖3　貫通層標準層平面

圖4　建筑剖面

2　結構分析與設計

2.1結構分析

本工程采用PKPM軟件對結構進行分析，對于錯層結構的建模，現在PKPM主要有2種建模方法。(1)分標準層法：根據錯層的數量，一個錯層即一個標準層，建模所需層數多，建模時需注意比對上下樓層關系。(2)改節點標高法：通過PMCAD網點編輯里面的“上節點高”功能來實現一個標準層中的錯層建模模型，工作量較大，手工操作復雜。根據文獻[1]的結論，采用分標準層法相比改節點標高法可以得到更準確的結構位移值，并且在此工程中需考慮樓梯參與整體結構計算，所以本工程采用了分標準層法來進行結構建模計算。

2.2結構總體指標

采用PKPM-SATWE模塊進行計算，地震分析采用振型分解反應譜法，錯層結構屬于復雜多高層結構，計算時應同時考慮偶然偏心及雙向地震，由于錯層結構樓板不連續，在整體結構中存在著大量不受梁板約束的節點，為了使有效質量系數大于0.9，需多取振型數來進行計算，采用CQC法進行振型組合，得總體指標如表1所示。錯層結構由于短柱的增多，抗側剛度增大，算出來的周期值比較小，通過觀察PKPM的振型結果文件，發現錯層結構在高階振型處出現較多的扭轉成分，由于采用了分層法的建模方式，柱子的節點增多，各層樓板對于錯層節點處的約束又不同，導致了大量的豎向不規則，使得結構在高階振型出現了很多扭轉。

表1　結構總體計算指標

2.3錯層結構位移比的手工校核

錯層結構層高不一致，樓層概念模糊，由于樓板布置不均勻，每層的質心和剛心嚴重偏離，會造成明顯的扭轉效應。本工程原是5層的框架結構，但是由于建模和分析的需要，被人為地分割為10層，與樓層相關的平面不規則控制參數如層間位移比在計算中嚴重失真，而且位移比是作為判斷結構扭轉不規則性的重要指標，需要進行人為的手工校核才能得到符合結構實際的結果。本工程通過SATWE的計算結果和EXCEL軟件的使用得到了準確的位移比計算結果，現將手工校核位移比的主要步驟總結如下：

(1)在SATWE菜單下的計算控制參數中，位移輸出方式選擇詳細輸出，這樣計算結果會輸出全樓節點的位移值。

(2)將SATWE的計算結果導入EXCEL中,利用EXCEL中的VLOOKUP、MAX函數對每個標準層中的角點、錯層點的位移值進行提取和整理。

(3)位移比的概念為：在規定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移(或層間位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)的比值，根據此定義，利用步驟(2)所整理出的位移值計算出結構的位移比指標。

以標高1.470層Y+方向的位移比校核為例來說明上述步驟，下文所引用的節點位置及節點號詳圖1。由PKPM所計算出來的Y+方向最大位移比為1.88，節點位于平面的右下點，節點號為172。由位移比的概念可知應對有樓板約束部分的4個角點進行位移比校核，利用上述步驟中EXCEL的VLOOKUP函數，可得有樓板部分的4個角點Y向位移分別為左上點(節點號84)0.44mm，右上點(節點號174)0.59mm，左錯層點(節點號79)0.43mm，右錯層點(節點號177)0.58mm。4個角點的最大位移值為右上點0.59mm,最小位移值為0.43mm,平均位移為(0.59+0.43)/2=0.51mm，可求得Y+方向的位移比為0.59/0.43=1.17，滿足規范要求。按照上述方法，可利用EXCEL求得Y+方向所有樓層的位移比如表2所示。以此類推，可校核得出全樓X+,X-,Y-方向的位移比。

經PKPM和手算校核的對比分析，發現PKPM計算位移比采用的是本層豎向構件的最大位移(0.67mm)和最小位移(0.05mm)，錯層結構的躍層柱附近無梁板約束，出現最大位移，而最小位移又出現在有梁板約束的地方，算出來的平均位移為(0.67+0.05)/2=0.36mm,位移比為0.67/0.36=1.88，超過1.5。這樣的計算結果值得商榷，且不符合位移比的概念。按照對位移比概念的理解，位移平均值應該是由有樓板約束的樓層兩端彈性水平位移最大值和最小值的平均值，而不是樓層所有豎向構件位移的最大值和最小值的平均值，在剛性樓板的假定且沒有錯層的情況下，PKPM的計算方式是合理的，因為樓層兩端的最大最小位移就是豎向構件的最大最小位移。但是在錯層結構的情況下，樓板不完整，出現躍層柱，樓層的最大位移點并不是出現在有樓板約束的豎向構件處，而是出現在躍層柱的節點，躍層柱的位移參與到整層的位移比計算就會導致算出來位移比偏大，須采用手算校核才能得到符合位移比概念，合理的位移比結果。

表2Y+方向位移比指標校核

2.4改善錯層結構不規則性的措施

本工程由于是錯層結構，對于超過梁高的較大錯層，需按樓板開洞對待，而且本工程的錯層面積大于本層總面積的30%，屬于《建筑抗震設計規范》表3.4.3-1中平面不規則指標中的樓板局部不連續。由于錯層結構的層高不同，豎向構件在各層的承載力和剛度相差很大，使本工程中的五、六兩層形成了薄弱層，在定量指標上不滿足《建筑抗震設計規范》表3.4.3-2中的規定，屬于豎向不規則中的側向剛度不規則。由于質心與剛心造成的偏心使結構有明顯的扭轉效應，在初步設計后，經人工校核的位移比大于1.2，屬于《建筑抗震設計規范》表3.4.3-1中平面不規則中的扭轉不規則。根據《建筑抗震設計規范》3.4.3的條文說明，不規則類型達到三個或三個以上屬于特別不規則結構。為了控制結構的規則性，在設計初期擬定了兩種方案，第一種是考慮在結構的兩側設置斜撐，增強結構的抗側剛度與規則性，第二種是考慮在結構兩側，貫通層標高以下，設置兩片鋼筋混凝土剪力墻。最后通過與建筑師的溝通和配合，采取了對建筑立面及施工難度影響較小的加剪力墻方案(如圖1、圖1所示)。修改后的結構布置位移比小于1.2，使結構的整體不規則指標控制在了兩條，相比原方案更加合理。

由于在結構底部采用了剪力墻，使得本結構成為了帶少量剪力墻的框架結構體系，X和Y方向的底層框架部分承受的地震傾覆力矩分別占結構總傾覆力矩的98%和82%，大于《建筑抗震設計規范》6.1.3條所規定的50%，所以框架的抗震等級按框架結構確定，抗震墻的抗震等級可與其框架的抗震等級相同。因為剪力墻所占整體傾覆力矩很小，剪力墻并不是本結構的主要抗側力構件，剪力墻僅起到減小層間位移角，減小位移比的作用，所以剪力墻可按構造配筋，采用構造邊緣約束構件。對于本工程框架的設計，采用兩種計算模型包絡設計的原則，第一種模型為框架-剪力墻結構體系，第二種模型為純框架結構體系(去掉剪力墻)。

3　錯層結構的抗震構造措施

錯層部位的豎向抗側力構件受力復雜，容易形成多處應力集中部位。框架錯層更不利，容易形成長、短柱沿豎向交替出現的不規則體系。因此，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》10.4.4的規定，本工程錯層位置柱的截面高度取600mm,箍筋采用全柱段加密配置，柱的抗震等級相應提高一級，以提高其抗震承載力及延性。為控制結構不規則性所設置的剪力墻，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》10.4.6的規定，截面厚度取250mm,抗震等級提高一級，水平和豎向分布鋼筋的最小配筋率為0.5%。同時，對于改善樓板不連續影響所設置的貫通層，采取加大板厚和雙面雙向配筋的構造措施，板厚為150mm,雙面雙向最小配筋率為0.25%。

4　結論

(1)錯層結構宜采用兩個方向側向剛度和變形性能相近的結構布置方案，盡量減少結構的扭轉效應，在建筑方案設計的初期就要盡早介入，提出合理的優化方案，例如本工程就在初期提出了設置貫通層以增強結構整體抗震性能的布置方案，收到了良好的效果。

(2)由于錯層平面上結構樓板不連續，豎向構件又容易形成短柱，所以在計算和分析的參數選擇上要特別注意，例如由于存在大量的無約束節點，要考慮多取振型來滿足有效質量系數的要求；層概念的模糊導致程序的位移比計算失真，需要人工進行位移比校核；錯層位置柱的計算長度由于層概念的原因也同樣需要人工調整。

(3)在滿足計算要求的前提下，錯層結構的主要抗側力構件還要采取必要的抗震構造措施，錯層柱要采用足夠大的截面，箍筋需要全長加密，保證其延性，防止剪切破壞，貫通層的樓板需要有足夠的板厚和配筋來加強，以達到協調結構整體變形的能力。

(4)為了改善錯層框架結構的不規則性，可以采取加斜撐和剪力墻布置方法。本文僅針對加剪力墻的錯層框架結構進行了位移比的校核，增加剪力墻后結構成為了少墻框架結構體系，需采用兩個模型進行包絡設計才能保證結構安全。對于加斜撐的錯層框架結構和加剪力墻的錯層框架結構的具體受力性能還有待研究。

[1]余瓊,邊馮博.某鋼筋混凝土框架結構錯層計算分析及處理[J].結構工程師,2008,24(4).

[2]劉鵬,許開成.錯層對結構受力性能的影響及設計要點分析[J].科技情報開發與經濟,2004,14(12).

[3]王義俊,沈蒲生.斜撐對高層錯層框架結構受力性能影響分析[J].四川建筑,2008,28(4).

[4]王閣.基于SAP2000的空間錯層結構抗震分析與設計[J].浙江建筑,2013,30(5).

[5]GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[6]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

Design and thinking of a staggered floor frame structure

LI Xi

(Fuzhou Planning Design &Research Institute,Fuzhou 350108)

Through the design of a staggered floor building，this paper summarizes the key design issues of staggered floor frame structure and analyses the structure dynamic characteristics of staggered floor frame structure.Key factors such as structure arrangement，modeling，calculation parameters，displacement ratio check and details of seismic design are mentioned in this paper.Some questions regarding to the mechanical properties and further research of staggered floor frame structure are also raised in this paper.

Staggered floor structure;Displacement ratio;Details of seismic design

李熹(1988.06-)，男，工程師。

E-mail:499261156@qq.com

2016-01-12

TU3

A

1004-6135(2016)05-0038-04