关于某错层框架结构的设计与思考

李　熹

(福州市规划勘测设计研究总院　福建福州　350108)



关于某错层框架结构的设计与思考

李熹

(福州市规划勘测设计研究总院福建福州350108)

通过某错层框架结构的设计，分析了错层结构的动力性能和结构特性，总结了错层框架结构的结构布置、建模与计算参数的选取、位移比校核及抗震构造措施等相关设计内容，并针对错层框架结构的受力特点提出了一些待思考和研究的问题。

错层结构；位移比；抗震构造措施

1　工程概况

本工程位于福州市连江县，为了使建筑内部的使用空间分割明确，使用方便，采用了错层设计来达到起居空间与休息空间分离的良好效果。根据本工程的建筑特点，采用了错层钢筋混凝土框架结构体系。本工程场地的设防烈度为6度，场地类别II类，由于高度小于24m,所以本工程的抗震等级为四级。在方案设计的初期，建筑师希望以“一错到顶”的形式来布置整栋建筑的使用空间，但是本工程由于是在抗震设防地区的错层结构，并且层数较多，楼板局部不连续，即便每层楼板在平面内满足刚性楼板的设计要求，对于整体的结构来说，由于同一标高的水平位移不同，只能依靠错层处的竖向构件来协调，这将会给结构带来很大的扭转效应和抗震的不利影响。经过结构方案初期的试算与建筑师的协商，在整栋建筑的中间层位置设置了一个贯通层，即不错层的楼层，以此来协调结构整体的变形，增强其抗震性能，使结构的整体刚度，变形及错层处的竖向构件内力获得了一定程度的改善。本工程最终的结构平面布置及建筑剖面如图1至图4所示。

图1　错层标准层平面一

图2　错层标准层平面二

图3　贯通层标准层平面

图4　建筑剖面

2　结构分析与设计

2.1结构分析

本工程采用PKPM软件对结构进行分析，对于错层结构的建模，现在PKPM主要有2种建模方法。(1)分标准层法：根据错层的数量，一个错层即一个标准层，建模所需层数多，建模时需注意比对上下楼层关系。(2)改节点标高法：通过PMCAD网点编辑里面的“上节点高”功能来实现一个标准层中的错层建模模型，工作量较大，手工操作复杂。根据文献[1]的结论，采用分标准层法相比改节点标高法可以得到更准确的结构位移值，并且在此工程中需考虑楼梯参与整体结构计算，所以本工程采用了分标准层法来进行结构建模计算。

2.2结构总体指标

采用PKPM-SATWE模块进行计算，地震分析采用振型分解反应谱法，错层结构属于复杂多高层结构，计算时应同时考虑偶然偏心及双向地震，由于错层结构楼板不连续，在整体结构中存在着大量不受梁板约束的节点，为了使有效质量系数大于0.9，需多取振型数来进行计算，采用CQC法进行振型组合，得总体指标如表1所示。错层结构由于短柱的增多，抗侧刚度增大，算出来的周期值比较小，通过观察PKPM的振型结果文件，发现错层结构在高阶振型处出现较多的扭转成分，由于采用了分层法的建模方式，柱子的节点增多，各层楼板对于错层节点处的约束又不同，导致了大量的竖向不规则，使得结构在高阶振型出现了很多扭转。

表1　结构总体计算指标

2.3错层结构位移比的手工校核

错层结构层高不一致，楼层概念模糊，由于楼板布置不均匀，每层的质心和刚心严重偏离，会造成明显的扭转效应。本工程原是5层的框架结构，但是由于建模和分析的需要，被人为地分割为10层，与楼层相关的平面不规则控制参数如层间位移比在计算中严重失真，而且位移比是作为判断结构扭转不规则性的重要指标，需要进行人为的手工校核才能得到符合结构实际的结果。本工程通过SATWE的计算结果和EXCEL软件的使用得到了准确的位移比计算结果，现将手工校核位移比的主要步骤总结如下：

(1)在SATWE菜单下的计算控制参数中，位移输出方式选择详细输出，这样计算结果会输出全楼节点的位移值。

(2)将SATWE的计算结果导入EXCEL中,利用EXCEL中的VLOOKUP、MAX函数对每个标准层中的角点、错层点的位移值进行提取和整理。

(3)位移比的概念为：在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)与该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)的比值，根据此定义，利用步骤(2)所整理出的位移值计算出结构的位移比指标。

以标高1.470层Y+方向的位移比校核为例来说明上述步骤，下文所引用的节点位置及节点号详图1。由PKPM所计算出来的Y+方向最大位移比为1.88，节点位于平面的右下点，节点号为172。由位移比的概念可知应对有楼板约束部分的4个角点进行位移比校核，利用上述步骤中EXCEL的VLOOKUP函数，可得有楼板部分的4个角点Y向位移分别为左上点(节点号84)0.44mm，右上点(节点号174)0.59mm，左错层点(节点号79)0.43mm，右错层点(节点号177)0.58mm。4个角点的最大位移值为右上点0.59mm,最小位移值为0.43mm,平均位移为(0.59+0.43)/2=0.51mm，可求得Y+方向的位移比为0.59/0.43=1.17，满足规范要求。按照上述方法，可利用EXCEL求得Y+方向所有楼层的位移比如表2所示。以此类推，可校核得出全楼X+,X-,Y-方向的位移比。

经PKPM和手算校核的对比分析，发现PKPM计算位移比采用的是本层竖向构件的最大位移(0.67mm)和最小位移(0.05mm)，错层结构的跃层柱附近无梁板约束，出现最大位移，而最小位移又出现在有梁板约束的地方，算出来的平均位移为(0.67+0.05)/2=0.36mm,位移比为0.67/0.36=1.88，超过1.5。这样的计算结果值得商榷，且不符合位移比的概念。按照对位移比概念的理解，位移平均值应该是由有楼板约束的楼层两端弹性水平位移最大值和最小值的平均值，而不是楼层所有竖向构件位移的最大值和最小值的平均值，在刚性楼板的假定且没有错层的情况下，PKPM的计算方式是合理的，因为楼层两端的最大最小位移就是竖向构件的最大最小位移。但是在错层结构的情况下，楼板不完整，出现跃层柱，楼层的最大位移点并不是出现在有楼板约束的竖向构件处，而是出现在跃层柱的节点，跃层柱的位移参与到整层的位移比计算就会导致算出来位移比偏大，须采用手算校核才能得到符合位移比概念，合理的位移比结果。

表2Y+方向位移比指标校核

2.4改善错层结构不规则性的措施

本工程由于是错层结构，对于超过梁高的较大错层，需按楼板开洞对待，而且本工程的错层面积大于本层总面积的30%，属于《建筑抗震设计规范》表3.4.3-1中平面不规则指标中的楼板局部不连续。由于错层结构的层高不同，竖向构件在各层的承载力和刚度相差很大，使本工程中的五、六两层形成了薄弱层，在定量指标上不满足《建筑抗震设计规范》表3.4.3-2中的规定，属于竖向不规则中的侧向刚度不规则。由于质心与刚心造成的偏心使结构有明显的扭转效应，在初步设计后，经人工校核的位移比大于1.2，属于《建筑抗震设计规范》表3.4.3-1中平面不规则中的扭转不规则。根据《建筑抗震设计规范》3.4.3的条文说明，不规则类型达到三个或三个以上属于特别不规则结构。为了控制结构的规则性，在设计初期拟定了两种方案，第一种是考虑在结构的两侧设置斜撑，增强结构的抗侧刚度与规则性，第二种是考虑在结构两侧，贯通层标高以下，设置两片钢筋混凝土剪力墙。最后通过与建筑师的沟通和配合，采取了对建筑立面及施工难度影响较小的加剪力墙方案(如图1、图1所示)。修改后的结构布置位移比小于1.2，使结构的整体不规则指标控制在了两条，相比原方案更加合理。

由于在结构底部采用了剪力墙，使得本结构成为了带少量剪力墙的框架结构体系，X和Y方向的底层框架部分承受的地震倾覆力矩分别占结构总倾覆力矩的98%和82%，大于《建筑抗震设计规范》6.1.3条所规定的50%，所以框架的抗震等级按框架结构确定，抗震墙的抗震等级可与其框架的抗震等级相同。因为剪力墙所占整体倾覆力矩很小，剪力墙并不是本结构的主要抗侧力构件，剪力墙仅起到减小层间位移角，减小位移比的作用，所以剪力墙可按构造配筋，采用构造边缘约束构件。对于本工程框架的设计，采用两种计算模型包络设计的原则，第一种模型为框架-剪力墙结构体系，第二种模型为纯框架结构体系(去掉剪力墙)。

3　错层结构的抗震构造措施

错层部位的竖向抗侧力构件受力复杂，容易形成多处应力集中部位。框架错层更不利，容易形成长、短柱沿竖向交替出现的不规则体系。因此，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》10.4.4的规定，本工程错层位置柱的截面高度取600mm,箍筋采用全柱段加密配置，柱的抗震等级相应提高一级，以提高其抗震承载力及延性。为控制结构不规则性所设置的剪力墙，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》10.4.6的规定，截面厚度取250mm,抗震等级提高一级，水平和竖向分布钢筋的最小配筋率为0.5%。同时，对于改善楼板不连续影响所设置的贯通层，采取加大板厚和双面双向配筋的构造措施，板厚为150mm,双面双向最小配筋率为0.25%。

4　结论

(1)错层结构宜采用两个方向侧向刚度和变形性能相近的结构布置方案，尽量减少结构的扭转效应，在建筑方案设计的初期就要尽早介入，提出合理的优化方案，例如本工程就在初期提出了设置贯通层以增强结构整体抗震性能的布置方案，收到了良好的效果。

(2)由于错层平面上结构楼板不连续，竖向构件又容易形成短柱，所以在计算和分析的参数选择上要特别注意，例如由于存在大量的无约束节点，要考虑多取振型来满足有效质量系数的要求；层概念的模糊导致程序的位移比计算失真，需要人工进行位移比校核；错层位置柱的计算长度由于层概念的原因也同样需要人工调整。

(3)在满足计算要求的前提下，错层结构的主要抗侧力构件还要采取必要的抗震构造措施，错层柱要采用足够大的截面，箍筋需要全长加密，保证其延性，防止剪切破坏，贯通层的楼板需要有足够的板厚和配筋来加强，以达到协调结构整体变形的能力。

(4)为了改善错层框架结构的不规则性，可以采取加斜撑和剪力墙布置方法。本文仅针对加剪力墙的错层框架结构进行了位移比的校核，增加剪力墙后结构成为了少墙框架结构体系，需采用两个模型进行包络设计才能保证结构安全。对于加斜撑的错层框架结构和加剪力墙的错层框架结构的具体受力性能还有待研究。

[1]余琼,边冯博.某钢筋混凝土框架结构错层计算分析及处理[J].结构工程师,2008,24(4).

[2]刘鹏,许开成.错层对结构受力性能的影响及设计要点分析[J].科技情报开发与经济,2004,14(12).

[3]王义俊,沈蒲生.斜撑对高层错层框架结构受力性能影响分析[J].四川建筑,2008,28(4).

[4]王阁.基于SAP2000的空间错层结构抗震分析与设计[J].浙江建筑,2013,30(5).

[5]GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[6]JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,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，工程师。

E-mail:499261156@qq.com

2016-01-12

TU3

A

1004-6135(2016)05-0038-04