高層建筑錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

李勛文（山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030000）

建筑建設(shè)的發(fā)展促進(jìn)了人民群眾居住環(huán)境的不斷改善，在滿足基本居住、工作需求的同時(shí)，建筑設(shè)計(jì)朝著美觀的方向發(fā)展。近年來，錯(cuò)層結(jié)構(gòu)成為建筑設(shè)計(jì)的一種流行趨勢(shì)，錯(cuò)層結(jié)構(gòu)就是平面和豎向均不規(guī)則分布、結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，基于這種不規(guī)則的結(jié)構(gòu)每層樓的標(biāo)高和豎向構(gòu)建高度均不同，樓板和平面也不規(guī)則。因此需要在符合設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前建筑的錯(cuò)層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中存在的問題進(jìn)行修正，以便提高建筑工程質(zhì)量[1-5]。

1 建筑工程錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的定義與特點(diǎn)

1.1 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的定義

建筑工程的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)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(guī)平面。目前，主要運(yùn)用錯(cuò)層進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，以便最大化利用空間來滿足業(yè)主需求。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)建筑樓層標(biāo)高差要大于常規(guī)建筑，且錯(cuò)層結(jié)構(gòu)不少于該層的30%。

1.2 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的最大特征就是形狀和結(jié)構(gòu)不規(guī)則，很多錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的樓板不連續(xù)，從而使得下部受力減小，同時(shí)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性也影響了整個(gè)樓板的受力。針對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)應(yīng)嚴(yán)格復(fù)查錯(cuò)層部分豎向的抗側(cè)力構(gòu)件剛度和錯(cuò)層設(shè)計(jì)數(shù)量，在很多建筑中錯(cuò)層結(jié)構(gòu)受力集中于某一部分，使得整個(gè)建筑抗震性降低成為鋼筋混凝土的短柱體系。因此，對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮錯(cuò)層結(jié)構(gòu)對(duì)整體建筑的影響，同時(shí)提高其承載能力和延性。

2 建筑工程錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

建筑結(jié)構(gòu)通過錯(cuò)層設(shè)計(jì)之后，在一定程度上提高了建筑的美學(xué)價(jià)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(cuò)層式建筑可以滿足實(shí)際生活和工作的需求，尤其深受年輕群體的喜愛。因錯(cuò)層設(shè)計(jì)導(dǎo)致的圈梁無法閉合、墻體強(qiáng)度等級(jí)不一、計(jì)算誤差、水平荷載無法有效傳遞等，給建筑結(jié)構(gòu)帶來較多不利問題。

2.1 計(jì)算方面的問題

2.1.1 承載能力計(jì)算

建筑工程采用錯(cuò)層設(shè)計(jì)，需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行建模，并對(duì)錯(cuò)層后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力計(jì)算。錯(cuò)層設(shè)計(jì)后原本一層空間變成兩層空間，使得建筑的承載力降低，當(dāng)超過限制時(shí)會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)生安全隱患；樓板彈性驗(yàn)算需要結(jié)合具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。錯(cuò)層處結(jié)構(gòu)存在多個(gè)柱，則按照多柱進(jìn)行計(jì)算，錯(cuò)層后柱長度變低，柱所受荷載較小，計(jì)算配筋時(shí)則按照錯(cuò)層后的荷載作用進(jìn)行配筋計(jì)算。

2.1.2 周期及位移比的計(jì)算

建筑采用錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后需要計(jì)算一定周期內(nèi)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(guān)規(guī)范中建筑位移指的是錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的整個(gè)樓板的位移。一般會(huì)按照項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)剛性樓板進(jìn)行假定，雖然實(shí)際樓板會(huì)有出入，但是整體定性不會(huì)改變，不會(huì)改變剛性樓板與彈性樓板的性質(zhì)。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮到錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不確定性，并且通過相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)建筑中相關(guān)設(shè)計(jì)的薄弱之處。

2.1.3 錯(cuò)層對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力存在的影響

建筑采用了錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變了整體建筑的受力情況，同時(shí)設(shè)計(jì)者也應(yīng)該熟悉樓層概念，不能因?yàn)殄e(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將2層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成3層建模。整個(gè)樓板會(huì)因錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后而變得不連續(xù)，間斷處會(huì)存在不受橋梁控制力的自由點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)構(gòu)成中應(yīng)考慮到樓板不對(duì)稱、不均勻和剛性偏移等情況。

2.2 構(gòu)造方面的問題分析

建筑物經(jīng)過錯(cuò)層設(shè)計(jì)后，其抗震性能會(huì)受到影響，雖然在相關(guān)建筑規(guī)范中沒有對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的抗震性能有明確規(guī)定，但是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確錯(cuò)層結(jié)構(gòu)對(duì)抗震性能的影響。錯(cuò)層框架和不規(guī)則錯(cuò)層剪力墻本身的抗震性能都比不上平面剪力墻。因此在錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)基于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和特點(diǎn)，盡量結(jié)合平面規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，將錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)成與常規(guī)結(jié)構(gòu)抗震性能相一致。

2.3 缺少對(duì)于溫度變化的考量

在錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮氣候環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)受力等造成影響，部分設(shè)計(jì)人員忽視了室內(nèi)外環(huán)境變化尤其是溫度變化的影響。在建筑結(jié)構(gòu)中頂層溫差變化較大會(huì)對(duì)溫度應(yīng)力產(chǎn)生影響，原本錯(cuò)層處形成的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力發(fā)生改變，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性能造成影響。

3 建筑工程錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)措施

3.1 以“抗”為主技術(shù)應(yīng)用

設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮建筑工程的強(qiáng)度和剛度，并解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)計(jì)算問題。某工程占地面積39萬m2，設(shè)計(jì)66棟錯(cuò)層結(jié)構(gòu)建筑。設(shè)計(jì)人員需要在滿足抗震要求的基礎(chǔ)上，提升錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的等級(jí)。因此，在計(jì)算位移比時(shí)充分考慮錯(cuò)層結(jié)構(gòu)影響，并采用兩種及以上的方法進(jìn)行核算。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的樓板不規(guī)則、不均勻等，計(jì)算時(shí)充分考慮到樓板洞口所切成的狹長板帶、層高不一致對(duì)巖性較差矮墻和矮柱的影響程度。采用總綱分析法，對(duì)樓板區(qū)域的大量不受約束的自由點(diǎn)和臥層豎向構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)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(jìn)行計(jì)算，避免造成計(jì)算誤差。要嚴(yán)格按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑各部分層數(shù)、結(jié)構(gòu)位置和高度不同進(jìn)行計(jì)算，本項(xiàng)目中的6棟建筑均為28層，避難所設(shè)計(jì)在9層，設(shè)備層設(shè)計(jì)在17層，因此9層的層高應(yīng)不大于6m，錯(cuò)層結(jié)構(gòu)頂樓高度不大于33.9m，同時(shí)頂層層高應(yīng)占據(jù)屋面總高度的29.8%。在對(duì)建筑設(shè)計(jì)中要根據(jù)核心筒跨距和標(biāo)準(zhǔn)層框架具體參數(shù)，結(jié)合具體邊長和邊柱，選擇C60混凝土?？紤]到錯(cuò)層結(jié)構(gòu)和相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)，樓板厚度應(yīng)由120mm變?yōu)?40mm，內(nèi)墻厚度從300mm變成200mm。

3.2 明確上下樓板高差設(shè)計(jì)

錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要結(jié)合具體的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)框架對(duì)短柱的特征進(jìn)行比較，應(yīng)該詳細(xì)計(jì)算上下樓板的設(shè)計(jì)高差。設(shè)計(jì)者應(yīng)該依據(jù)具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在充分保證樓層的水平荷載的前提下，運(yùn)用相關(guān)技術(shù)方法研究錯(cuò)層位置的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，設(shè)計(jì)過程中結(jié)合相關(guān)梁抗扭，靈活運(yùn)用大跨度的結(jié)構(gòu)方式，做好錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)。

3.3 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的抗震措施

建筑物采用錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，其抗震性能會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)結(jié)合具體情況變化采取相應(yīng)抗震措施。將底部錯(cuò)層的框架柱軸壓比限制控制在規(guī)定范圍，同時(shí)錯(cuò)層導(dǎo)致的穿層柱增加會(huì)擴(kuò)寬相關(guān)樓層地震剪力，因此要不斷優(yōu)化和加強(qiáng)錯(cuò)層位置的框架柱抗震的荷載力。設(shè)計(jì)人員采用Pushovera軟件，對(duì)建筑本身結(jié)構(gòu)和錯(cuò)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過靜力彈塑性推覆的研究，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)計(jì)算對(duì)于樓板的正應(yīng)力?？茖W(xué)的處理錯(cuò)層結(jié)構(gòu)兩側(cè)板厚度，將厚度提升至140mm，同時(shí)強(qiáng)化邊緣構(gòu)件的配筋。

3.4 建筑工程錯(cuò)層結(jié)構(gòu)問題的解決

錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)地面產(chǎn)生不均勻的沉降對(duì)地梁造成影響，地梁作為建筑的基礎(chǔ)應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待。將地梁視為空架梁對(duì)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(cuò)層處加密柱箍筋，加大縱筋和梁箍筋的扭轉(zhuǎn)，提高錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)無法滿足剛性樓面的結(jié)構(gòu)，可以采取增加梁系梁板、雙層配筋和斜向配筋來縮小計(jì)算誤差提高其結(jié)構(gòu)剛性。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合建筑具體情況和相關(guān)規(guī)范，錯(cuò)層處體積配箍率和柱的縱筋要大于1.5%。同時(shí)設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)由于豎向構(gòu)件受力的復(fù)雜性，可以根據(jù)不同的框架結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性單獨(dú)建立模型，根據(jù)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)平面內(nèi)受剪力墻來求平面外受力。

4 結(jié)語

錯(cuò)層結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前建筑工程當(dāng)中最常見的結(jié)構(gòu)形式，本文首先分析了錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的相關(guān)特點(diǎn)，然后對(duì)目前建筑工程錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中存在的問題進(jìn)行分析和闡述，并結(jié)合建筑工程的具體實(shí)際情況提出錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議和對(duì)策，通過對(duì)目前建筑工程當(dāng)中的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改變，消除錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的安全隱患，增強(qiáng)了建筑工程錯(cuò)層設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可靠性，為錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供參考和方向。