淺談帶錯(cuò)層的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

王春偉

（齊齊哈爾和平建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

高層建筑是近代經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物。近三十年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，生產(chǎn)出多種輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，研究出新型的高效結(jié)構(gòu)體系，創(chuàng)造出先進(jìn)的施工的技術(shù)和機(jī)械設(shè)備，提供了高速電梯、空調(diào)、防火、自控等現(xiàn)代化設(shè)施，使高層、超高層建筑得到了充分的發(fā)展。近年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高，人們也逐漸從對(duì)普通住宅的需求向高檔住宅的方向發(fā)展。具有舒適的室內(nèi)環(huán)境、合理的空間布局、優(yōu)美的居住氛圍的住宅已成為人們追逐的對(duì)象。為了建筑功能的需要或者最有效的使用空間，在建筑設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用到錯(cuò)層布置。它改變了建筑的傳統(tǒng)方法，是一種在多維空間上房中樓層立體布置的建筑設(shè)計(jì)方法。

錯(cuò)層結(jié)構(gòu)由于同一樓層的樓板沿高度方向相互錯(cuò)開(kāi)而形成了室內(nèi)空間的變化富于多樣性，深受消費(fèi)者的青睞。因此在城市住宅區(qū)廣為使用。但是，作為一種結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，地震反應(yīng)特性與普通高層結(jié)構(gòu)也有很大的不同，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究也越來(lái)越深入。如何通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來(lái)滿足錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的抗震性能是本文的主要內(nèi)容。

1 高層建筑錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及影響因素

1.1 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的形式

錯(cuò)層高層建筑為了取得多樣變化的室內(nèi)空間，通常在一個(gè)單元的幾個(gè)房間設(shè)在有高差的幾個(gè)層面上，當(dāng)錯(cuò)層高度不同時(shí)，就形成了各種類(lèi)型的梁柱集合體。從工程實(shí)用情況來(lái)看，可將錯(cuò)層結(jié)構(gòu)歸納為三類(lèi):包含型錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、交叉型錯(cuò)層結(jié)構(gòu)和混合型錯(cuò)層結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)示意圖

2 錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的相比主要由于在錯(cuò)層出錯(cuò)開(kāi)的樓層導(dǎo)致了在結(jié)構(gòu)的一些部位形成豎向的短構(gòu)件，使受力集中，不利于抗震。主要的原因可能是在同向受力中由于錯(cuò)層構(gòu)件剛度大，而產(chǎn)生內(nèi)力集中。在錯(cuò)層結(jié)構(gòu)中，短柱問(wèn)題應(yīng)該得到足夠的重視。

3 錯(cuò)層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

錯(cuò)層框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻承擔(dān)了水平力中的一大部分，特別是在地震作用下，錯(cuò)層框架剪力墻結(jié)構(gòu)有兩道設(shè)防線，能夠較好地改善錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的受力性育旨。

4 錯(cuò)層對(duì)結(jié)構(gòu)影響的不利因素

錯(cuò)層對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響主要源于兩個(gè)方面：一是樓板分塊錯(cuò)置，在錯(cuò)層構(gòu)件中會(huì)產(chǎn)生很大的變形內(nèi)力，從而削弱了樓板協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體受力的能力；二是樓板錯(cuò)層，容易在某些部位形成豎向短構(gòu)件，從而可能在同向受力中因錯(cuò)層構(gòu)件剛度較大而產(chǎn)生內(nèi)力集中。基于以上兩個(gè)根本原因，錯(cuò)層將進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性產(chǎn)生較大影響。相互錯(cuò)層的相鄰樓板僅由中間的錯(cuò)層柱（墻）相聯(lián)系，而樓板在自身平面內(nèi)的抗彎剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錯(cuò)層柱（墻）的抗彎剛度，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，結(jié)構(gòu)左右兩部分將產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，在錯(cuò)層柱（墻）中形成較大內(nèi)力。顯然，這對(duì)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)抗震是十分不利的。以上3種錯(cuò)層結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

4.1 對(duì)包含型錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，由于上下層樓面剛度發(fā)生突變，當(dāng)?shù)卣鹱饔冒l(fā)生時(shí)，地震力在樓層之間分配不均勻，從而影響了各樓層總地震作用沿建筑全高分配的連續(xù)性，影響結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。

4.2 交叉型錯(cuò)層結(jié)構(gòu)上下層平面剛度不重疊，易使地震作用在樓層之間產(chǎn)生局部扭矩，對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；且其共用柱多為短柱，分配的地震作用彎矩往往比其他柱大很多，從而形成相對(duì)薄弱的受力構(gòu)件。

4.3 包含錯(cuò)層結(jié)構(gòu)和交叉錯(cuò)層結(jié)構(gòu)存在較長(zhǎng)錯(cuò)層柱，當(dāng)?shù)卣鹱饔冒l(fā)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地震作用在樓層豎向構(gòu)件之間分配不均勻，使同層構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生很大差別，從而使各結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的可靠度出現(xiàn)較大差別。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)錯(cuò)層部位的豎向抗側(cè)力構(gòu)件一般均為低矮構(gòu)件，在地震作用下的延性較差。

5 帶錯(cuò)層的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層錯(cuò)層建筑結(jié)構(gòu)由于在錯(cuò)層短柱存在很大的內(nèi)力集中，且錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)在錯(cuò)層處的短柱要協(xié)調(diào)相互錯(cuò)開(kāi)的樓蓋得變形，特別是在地震作用下，更易發(fā)生破壞。為改善普通錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)的受力性能，主要采取以下措施來(lái)解決：

5.1.1 在普通錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)的錯(cuò)層處根據(jù)實(shí)際需要增設(shè)若干撐桿，用撐桿的軸力來(lái)轉(zhuǎn)移普通錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)錯(cuò)層處短柱受的剪力。

5.1.2 在普通錯(cuò)層框架結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置增設(shè)若干剪力墻，用剪力墻來(lái)承擔(dān)大部分的結(jié)構(gòu)水平剪力。

5.1.3 錯(cuò)層不宜沿建筑通高設(shè)置,錯(cuò)層中應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的貫通層,將錯(cuò)層分為幾個(gè)區(qū)段,且每個(gè)錯(cuò)層區(qū)段包含的錯(cuò)層層數(shù)也不宜太多,貫通層要重點(diǎn)加強(qiáng)。

5.1.4 對(duì)于電算結(jié)果給出的超筋、超限的連梁,在提高其混凝土強(qiáng)度等級(jí),斷面調(diào)整仍無(wú)效果的情況下,可采用鋼骨混凝土連梁加以解決,采用鋼骨時(shí)要注意鋼骨和墻體暗柱的連接構(gòu)造。

5.1.5 在對(duì)復(fù)雜高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的思想確定結(jié)構(gòu)方案、進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置是十分重要的,在此基礎(chǔ)上還要有充分的計(jì)算分析手段,例如采用二種不同計(jì)算程序進(jìn)行分析對(duì)比、相互驗(yàn)證,并采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法進(jìn)行補(bǔ)充分析。

5.1.6 對(duì)高層錯(cuò)層建筑在錯(cuò)層處應(yīng)在縱橫向布置剪力墻,并使其互相形成扶壁,錯(cuò)層處布置單獨(dú)的框架柱是不可取的。

5.2錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

錯(cuò)層結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣，如何保證結(jié)構(gòu)安全，采取有效措施正確處理錯(cuò)層結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，充分考慮各種不利因素，針對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位從建筑平面布置、理論計(jì)算及抗震構(gòu)造措施等方面出發(fā)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體受力性能，提高結(jié)構(gòu)的延性。

5.2.1 結(jié)構(gòu)的共用柱大多為短柱，而短柱的延性很差，在建筑遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌，因此對(duì)因錯(cuò)層形成的短柱，應(yīng)該盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸，采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

5.2.2 盡可能使結(jié)構(gòu)平面布置合理化，使錯(cuò)層部位兩層的豎向構(gòu)件剛度相等，對(duì)結(jié)構(gòu)平面布置不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將十分顯著，可能造成角部抗側(cè)力構(gòu)件開(kāi)裂，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)這些部位的配筋，增強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。

5.2.3 加強(qiáng)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)中錯(cuò)層柱及其上連梁的抗扭能力，同時(shí)使錯(cuò)層柱與相鄰普通柱的長(zhǎng)細(xì)比控制在1-2之間。

5.2.4 在高層建筑中，豎向體型應(yīng)避免過(guò)大的外挑和內(nèi)收，立面收進(jìn)部分的尺寸比值應(yīng)滿足≥0.75的要求。

5.2.5 對(duì)設(shè)防烈度較高、抗震等級(jí)較高的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能限制使用錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，如不可避免，則應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，并盡量避免上下層樓面剛度突變。

結(jié)語(yǔ)

帶有錯(cuò)層的高層建筑的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)空間變化豐富、層次感較強(qiáng)，極大地滿足了人們的心理要求，同時(shí)為結(jié)構(gòu)的發(fā)展提出了新的課題。諸如其受力復(fù)雜、不確定因素較多、地震的特點(diǎn)要求等也帶來(lái)了設(shè)計(jì)施工難度較大、結(jié)構(gòu)抗震性能較差等諸多問(wèn)題，這也成為阻礙高層建筑錯(cuò)層結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要因素。因此，對(duì)要加大對(duì)帶錯(cuò)層的高層建筑結(jié)構(gòu)的深入研究、提高結(jié)構(gòu)整體性能、有效改善錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的抗震性能。這對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的發(fā)展有著十分重要的意義。