高層建筑錯(cuò)層結(jié)構(gòu)存在問題及對(duì)策

王小倩 楊杏歌

摘 要：錯(cuò)層結(jié)構(gòu)是指基于建筑功能的需求而設(shè)計(jì)的樓層結(jié)構(gòu)不在同一高度的結(jié)構(gòu)形式。在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，建筑師為了提高室內(nèi)設(shè)計(jì)的空間感，擴(kuò)大室內(nèi)的私密空間，往往會(huì)在建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)具有一定高差的空間功能區(qū)域，比如兩戶空間之內(nèi)設(shè)計(jì)半層高差，以保證每戶都能夠獲得互相獨(dú)立的空間，大大提高了建筑空間的利用率。本文立足于高層建筑教學(xué)角度，分析了高層建筑錯(cuò)層結(jié)構(gòu)存在問題及對(duì)策，希望具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高層建筑;錯(cuò)層結(jié)構(gòu);有效設(shè)計(jì)

引 言：錯(cuò)層附近由于存在復(fù)雜的豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，因此極易形成應(yīng)力集中部位。相比于普通結(jié)構(gòu)，錯(cuò)層結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)水平剪力差、應(yīng)力集中部位多、結(jié)構(gòu)抗震性能差等特點(diǎn)。其中結(jié)構(gòu)水平剪力差是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則所致。

1超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

超高層建筑是指建筑達(dá) 40 層以上，高度達(dá)到 100 以上的建筑，超高層建筑已經(jīng)成為衡量建筑水平的重要標(biāo)志。超高層建筑設(shè)計(jì)及技術(shù)通常都相對(duì)復(fù)雜，也是一項(xiàng)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ?，在施工過程中不僅要做好安全保障，同時(shí)也要做好整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)布局。

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心內(nèi)容是通過抗側(cè)力構(gòu)件來提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的延性，因?yàn)樵诔邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮水平承載力，還要充分考慮建筑各方面的荷載，也包括豎向承載力。超高層結(jié)構(gòu)主要考慮水平抗力?，F(xiàn)階段超高層建筑日益增多，如何保證超高層建筑的抗側(cè)力，提高整個(gè)建筑的舒適性顯得尤為重要。只有有好的結(jié)構(gòu)方案，才能有效地保證建筑物的舒適性。因此，在設(shè)計(jì)過程中，必須對(duì)各種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行充分的比較和選擇，在盡可能滿足建筑使用功能和建筑效果的前提下，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的合理性。在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的平面時(shí)，盡量使建筑物之間保持安全的防火距離。在人員集中的區(qū)域，應(yīng)保持良好的人員疏散條件以便將人群及時(shí)疏散。合理地對(duì)超高層建筑進(jìn)行布局的條件下，也要滿足基本使用功能，將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)超高層建筑中設(shè)計(jì)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化要求。除此以外，在超高層建筑進(jìn)行平面設(shè)計(jì)階段，為應(yīng)對(duì)風(fēng)、地震等安全風(fēng)險(xiǎn)，要合理規(guī)劃建筑內(nèi)的交通路線，對(duì)樓梯的數(shù)量和位置進(jìn)行合理安排，將基礎(chǔ)設(shè)施最大限度的利用，提高效率和安全性因素。

2 高層建筑錯(cuò)層結(jié)構(gòu)存在的問題及分析

在實(shí)際居住時(shí)，雖然錯(cuò)層結(jié)構(gòu)中層高相同，但是建筑空間并不處于同一個(gè)層次，不同的使用功能空間處于不同的平面。這種設(shè)計(jì)可以大大提高建筑室內(nèi)的空間利用率，使得建筑更具美感。但是空間的錯(cuò)落又會(huì)給老人、孩子帶來生活上的不便。如果建筑面積過小，則會(huì)降低錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)適用性，增加建筑成本。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，錯(cuò)層結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力分布十分不均，其主要問題在于圈梁閉合難度大，很難抵抗水平荷載;頂層溫度變化過大，墻體之間存在較大的強(qiáng)度差異等。圈梁閉合難度大主要是由于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的功能空間處于不同的平面，門窗洞口高度不穩(wěn)定，門窗洞口的位置可能會(huì)與圈梁的位置重合，特別是外縱墻、樓梯間等部位，這些問題更加突出。因此，錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的圈梁閉合比較困難。

在常規(guī)的建筑設(shè)計(jì)中，建筑的整體布局均勻且對(duì)稱，要盡量避免結(jié)構(gòu)不規(guī)則或突變情況，這樣才能保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而保證建筑整體的安全性與穩(wěn)定性。但是錯(cuò)層結(jié)構(gòu)卻未遵循這一設(shè)計(jì)原則，樓板錯(cuò)層不連續(xù)，一旦發(fā)生地震，這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生更大的剪切應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，結(jié)構(gòu)承載荷載的性能就會(huì)下降，最終影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，頂層溫度的變化也是錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難題之一。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)頂層溫差過大會(huì)導(dǎo)致建筑溫度應(yīng)力增加，由于溫度應(yīng)力的影響而產(chǎn)生更多的彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力負(fù)擔(dān)也會(huì)隨之增加，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性受到影響。

3高層建筑錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

3.1做好防風(fēng)措施

超高層建筑是一個(gè)城市或者地區(qū)的標(biāo)志之一，其科技感和美學(xué)都代表著城市的發(fā)展。超高層建筑其耗資量巨大，建設(shè)周期長。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了很大的變化。雖然我國在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得了一些成績，但在具體的發(fā)展過程中還存在一些問題?，F(xiàn)在超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高層建筑設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，這說明超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如果不及時(shí)解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題，這將嚴(yán)重阻礙超高層建筑的發(fā)展。

高層建筑會(huì)受到較大風(fēng)荷載的影響。所以，在設(shè)計(jì)超高層建筑時(shí)，一定要重視防風(fēng)措施的建設(shè)，尤其是超高層建筑的頂端，超高層建筑的頂端承受的風(fēng)壓最大，可以通過加強(qiáng)梁柱或鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，來提高超高層建筑的抗風(fēng)性。在建筑設(shè)計(jì)的早期階段，針對(duì)超高層建筑的具體情況進(jìn)行分析。根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)壓，設(shè)計(jì)風(fēng)壓圖，做好風(fēng)壓措施。超高層建筑物的高度影響了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度趨于變?nèi)嶙枘峤档?。建筑形態(tài)的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和控制建筑結(jié)構(gòu)的剛度。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)選取適當(dāng)?shù)钠矫嫘螤?，一般高層建筑都采取矩形平面設(shè)計(jì)，但是超高層建筑采取矩形結(jié)構(gòu)不利于抗風(fēng)。相對(duì)而言，圓形、橢圓形、三角形等是很好的選擇。與此同時(shí)也要注意角部的修正，圓形化、倒角、削角為主要形態(tài)。角部修正改變切曾的流動(dòng)性，促使分離流再附，減小尾流寬度，從而有效降低阻力。

3.2增強(qiáng)消防設(shè)計(jì)水平

3.2.1合理做好總體布局和防火分區(qū)。在設(shè)計(jì)總平面圖時(shí)，掌握建筑與周邊建筑物的間距和車道，這也是建筑設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的重要因素之一，合理的平面布置圖，可以有效地緩解救火的壓力，同時(shí)對(duì)火勢(shì)的蔓延和發(fā)展具有阻礙的作用。防火分區(qū)的設(shè)置也能阻止火災(zāi)的繼續(xù)蔓延，防火卷簾門分布到各個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都要安裝防火門自動(dòng)開關(guān)設(shè)備，在防火卷簾門安裝時(shí)，卷簾與房梁、墻面不得留有縫隙，充分發(fā)揮其防火阻燃的作用，最大限度降低火勢(shì)蔓延的速度。

3.2.2確保建筑物耐火能力。一類高層建筑物的耐火等級(jí)為一級(jí)，二類高層建筑物的耐火等級(jí)不得低于二級(jí)。所以，在超高層建筑防火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保防火等級(jí)。嚴(yán)格遵守建筑的防火等級(jí)的設(shè)計(jì)，建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，會(huì)為人員疏散提供更多的時(shí)間，降低建筑物的損壞程度，減少人們的財(cái)產(chǎn)損失。超高層建筑過程中不僅要對(duì)建筑的主體結(jié)構(gòu)做好防火要求，后期的墻面和裝飾裝修都要做好防火要求。

3.2.3自然排煙設(shè)計(jì)和安全疏散設(shè)置的設(shè)計(jì)。大量的高層建筑火災(zāi)的發(fā)生證明了一個(gè)道理，煙也是火災(zāi)中最大的影響因素，因此，排煙設(shè)計(jì)也是消防設(shè)計(jì)中一項(xiàng)應(yīng)該重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。而自然排煙是相對(duì)經(jīng)濟(jì)操作又簡單的排煙方式。由于樓梯間存在著煙囪效應(yīng)，煙霧充滿樓梯間時(shí)，人們無法安全疏散，而且排煙窗應(yīng)該設(shè)計(jì)在墻面上方的位置，同時(shí)要方便人們開啟。

3.3合理受力及變形弱化錯(cuò)層問題

首先，在進(jìn)行錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，高差通常設(shè)置在一個(gè)方向，而另一個(gè)方向不存在高差，因此可以在錯(cuò)層方向適當(dāng)增加豎向抗側(cè)力構(gòu)件。由于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)體系主要根據(jù)豎向抗側(cè)力構(gòu)件剛度，分配各個(gè)豎向構(gòu)件水平荷載，在有高差的方向設(shè)置框架柱，不僅可在某種程度上減少錯(cuò)層處框架承擔(dān)的水平力，弱化錯(cuò)層結(jié)構(gòu)存在的問題，而且能夠避免錯(cuò)層結(jié)構(gòu)處框架形成短柱，能夠有效改善錯(cuò)層處框架柱的抗震延性。其次，在錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，錯(cuò)層處高差越大，錯(cuò)層樓板的水平位移差也會(huì)隨之增加，并增加結(jié)構(gòu)的整體水平位移。施工過程中錯(cuò)層處高差無法改變，為避免上述問題，就需要嚴(yán)格控制整體結(jié)構(gòu)的水平位移限值。例如，在錯(cuò)層所在方向布置適量的剪力墻，減少錯(cuò)層方向的水平位移，建筑整體的抗震性能也會(huì)隨之改善。最后，錯(cuò)層處樓板的高差會(huì)導(dǎo)致樓板平面剛度下降，高差突變處發(fā)生應(yīng)力集中的幾率也會(huì)高，因此，需要嚴(yán)格控制整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比，避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)時(shí)，由于上下樓板剛度中心不同而導(dǎo)致樓板平面產(chǎn)生翹曲變形。在計(jì)算錯(cuò)層結(jié)構(gòu)受力情況時(shí)，也不能采用剛性樓板結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。此外，水平折板相對(duì)柔性，整體結(jié)構(gòu)體系發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)層應(yīng)力集中范圍擴(kuò)大。因此，要嚴(yán)格控制錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量采用對(duì)稱布置，或者加強(qiáng)外圍豎向側(cè)力構(gòu)件的抗側(cè)剛度及強(qiáng)度弱化扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等。

3.4提高錯(cuò)層構(gòu)件的剛度與強(qiáng)度

由于錯(cuò)層處上下樓板不可避免地存在位移差，因此，可以通過提高錯(cuò)層構(gòu)件的剛度與強(qiáng)度來增加受扭框架梁的強(qiáng)度。對(duì)上下樓板間高差不超過50cm的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，由于高差較低，上框架梁底一般會(huì)直接搭接于下框架梁頂，因此，在上下梁之間就不會(huì)出現(xiàn)高差空隙，通過短柱強(qiáng)行傳遞水平荷載，上層框架梁底與下層樓板底平可直接傳遞水平荷載。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)高差越小，上下樓板間的位移差也就越小，此是再配置一定量的抗扭縱筯及箍筋，即可提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力。對(duì)上下樓板高差大于50cm的結(jié)構(gòu)，由于上框架梁底遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下框架梁頂，兩層框架梁之間存在脆性較大的短柱，加之高差過大，需要用框架短柱協(xié)調(diào)上下層樓板產(chǎn)生的位移差。針對(duì)這種情況不能僅僅是加強(qiáng)錯(cuò)層處框架梁的抗扭剛度，還必須改善短柱的力學(xué)性能，或者在上框架梁加腋來消除短柱，加腋部分底面要與下樓板底平，才能保證在上下兩層樓面之間直接傳遞水平荷載。為保證連接的可靠性，錯(cuò)層部分梁可采用加腋的辦法，加腋斜度可取1：2，以減輕加腋自重，減少材料浪費(fèi)，避免占用過大空間。當(dāng)然上框架梁加腋無法消除框架梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，尤其是間距較大的支座框架柱，針對(duì)這種情況，可以在兩個(gè)框架梁之間，設(shè)置非框架梁加腋，調(diào)節(jié)上下樓板的變形差。

結(jié)論：

綜上所述，高層建筑錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力復(fù)雜，在錯(cuò)層程度較小的情況下容易被忽視，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要重視對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的分析，合理分析錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，充分考慮各構(gòu)件的實(shí)際協(xié)同作用及結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，分析結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，采用科學(xué)、可靠的計(jì)算方法和有效的構(gòu)造措施，以提高建筑結(jié)構(gòu)整體的安全系數(shù)，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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