错层结构的设计与分析

杨 利

近年来,人们生活水平不断提高,对居住环境的要求越来越高,错层式住宅以其空间高低错落有致,使用灵活,合理,而且居住舒适等诸多优点,越来越受到人们的青睐。这种住宅多采用剪力墙结构。但是错层结构,在结构受力方面也有一些不利因素。《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)建议在抗震设计时高层建筑宜避免错层,同时对于错层剪力墙结构比一般剪力墙结构要求更严。如果结构布置合理,从概念上进行抗震性能优化设计,采取有效可靠的抗震措施,高层错层剪力墙结构的抗震性能完全可以满足规范要求,本文结合某高层错层结构工程实例,简单阐述了错层剪力墙结构的概念设计,建模计算及其抗震构造措施等设计方法。

1 工程概况

本工程为新疆乌鲁木齐西北路14号商住楼,集商场、普通住宅及公寓为一体的钢筋混凝土结构(见图1),总建筑面积为31 520 m2,建筑高度87.020 m。地下2层,地上28层,其中地上1层～3层为底商,4层～28层为住宅及公寓,住宅层高2.93 m,公寓层高4.89 m;住宅每5层与公寓每3层形成一个平层,属于超限的钢筋混凝土错层高层建筑。本工程为丙类建筑,设计使用年限50年,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,设计地震分组为第一组,场地类别Ⅱ类,基本风压取W0=0.6 kN/m2(按50年重现期)。本工程建筑场地土属于中硬场地土,主体结构采用梁式筏基,持力层为强风化砂质泥岩,地基承载力特征值fak=400 kPa。

2 结构设计及计算分析

2.1 结构选型

为满足建筑使用功能要求,确保结构的安全,本工程从概念设计入手,通过输入不同地震波记录,对不同结构布局反复进行层间水平位移、层间位移角、总体位移、扭转效应及其刚度、内力分布等比较研究,以确定合理的结构形式及布置;比较分析结构薄弱部位,采取相应的抗震构造加强措施,最终确定采用每隔5层一个平层的剪力墙结构。这些平层加强了各竖向抗侧力结构间的联系,并对其采取加强措施,使其能更好的传递地震力,协调非错层竖向构件及错层构件的差异变形,确保结构的整体抗震性能。计算软件以STAWE为主进行结构计算分析,以ETABS进行校核。两个软件都进行了振型分解反应谱法和弹性时程分析法分析。建模时剖面图中所示的各个标高均按独立的计算标准层输入,共计26个标准层,总的结构层数为41层。在确定计算参数时,结构体系采用复杂高层结构,抗震等级分别为:地下部分为三级;错层处剪力墙为特一级(《高规》10.4.5条规定);其余部位剪力墙为一级。错层处剪力墙从下至上均为350 mm厚。其余部位剪力墙,从下至上,外墙为400 mm～200 mm厚,内墙为350 mm～200 mm厚。结构布置图见图2。

2.2 计算结果的分析与判断

1)位移比。根据《高规》第4.3.5条规定,在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.4倍。由于本工程是错层结构,输出的计算结果是每个结构层的位移比,是包括了错层部位的,是失真的。而我们所需要的位移比是应按实际楼层考虑的。所以我们在计算时选择位移详细输出,每层的每个点的位移我们都可以查出来。一般最大位移往往发生在建筑物的四个角,我们查出四个角的最大位移后,并取其平均值作为平均位移。2)层间刚度比。根据《高规》第4.4.2条规定,抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻3层侧向刚度平均值的80%。由于本工程是错层结构,输出的计算结果是每个结构层的刚度比同样也是失真的。所以也需要我们手工分析计算。地震剪力可以直接从程序的计算结果中选用。层间位移可按1)中的方法求得。3)周期比。根据《高规》第 4.3.5条规定,结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比,复杂高层建筑不应大于0.85。经过咨询中国建筑科学研究院PKPM软件开发工程师,对于错层结构,计算结果中的周期比是准确的。

2.3 计算主要结果

1)振型分解反应谱分析结果比较。本工程运用反应谱法求解多自由度体系一组振型中每一个振型的最大振型反应,然后将这些振型的最大值按“CQC”法进行组合,以更好的近似估计结构的最大反应。分析中考虑了双向水平地震作用,偶然偏心及扭转效应,取36个振型参加组合,计算结果见表1。

由表1可知,两种计算软件主要计算结果均差别不大。

表1 不同计算模型结果比较

2)弹性时程分析结果比较。《高规》第3.3.4条规定应进行弹性时程分析,我们分别输入了两个实际强震记录,TH4TG035波和TH1TG040波及一个人工地震波User1波。输入地震波的持续时间取1.2 s以上,采集时间间隔为0.02 s,地震加速度最大峰值为70 cm/s2,结构阻尼比取0.05,为便于比较,将SATWE的反应谱法计算结果与时程分析的结果进行比较,列入表2,人工波多条地震波输入计算的平均结构底部剪力值大于振型分解法计算结果的80%,而且单条地震波输入计算的底部剪力值大于65%。

表2 基底剪力比较 kN

3 抗震构造措施

1)剪力墙抗震构造措施满足抗震等级一级要求,错层处剪力墙按照特一级要求。底部加强位置取1层～4层,一级其墙肢轴压比限值为0.5,特一级墙肢轴压比限值为0.4。2)墙体配筋要求:底部加强区水平和竖向最小配筋率不小于0.4%,其他部位不小于0.35%。错层处剪力墙水平和竖向最小配筋率不小于0.5%。3)平层楼板避免了“一错到顶”,双层双向配筋,且每个方向的配筋率不宜小于0.25%,板厚取200 mm。4)结构平面有三处凹口较大,为防止局部应力集中,每层的三个凹口处均设板带1 000 mm宽,300 mm厚,双层双向配筋,每层每向配筋率不小于0.25%。

4 结语

1)错层结构受力复杂,抗震性能较差,应尽量回避错层结构的设计方案。一旦确定为错层结构,尽量减少错层的范围和错层的楼层数,错层的两侧尽量采用结构布置和侧向刚度相近的结构体系,并尽量选择抗震性能好的剪力墙结构。通过选择合理的结构形式,采用较规则的平面布置体系,加强抗震构造措施,可以满足规范抗震设计的要求。2)对于错层结构的结构设计,应更注重于概念设计,既很好的保证结构的安全性,又确保收到良好的经济效果。3)根据建设部令第111号的精神,对复杂的高层错层结构应进行专项审查,这也是保证错层结构设计质量的重要措施。

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