错层框架结构的实例建模设计分析

程江鹏

（广东省铁路规划设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着建筑行业的发展，错层结构以其使用功能及空间效果方面的优势，越来越广泛地应用于民用建筑中，受周边环境及工程条件的影响，也会出现在工业建筑中。但这种建筑形式对结构设计者来说是一种不规则的结构体系[3]。该文通过查阅规范规定和实例建模，对比了错层框架结构的受力特性和建模方式，并对设计建模过程中的问题进行了说明。

1 错层结构的概念

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016年版，简称《抗规》）的规定，对较大的错层，如超过梁高的错层，需要按楼板开洞对待；当错层面积大于该层总面积30%时，则属于楼板局部不连续[3]。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010，简称《高规》）规定，相邻楼盖结构高差超过梁高范围的规定，宜按错层结构考虑，结构中仅局部存在错层构件的不属于错层结构，但对错层构件进行设计时宜参考错层结构的规定[4]。错层结构需要同时满足以下2 点：1）同层楼盖不在同一高度，相邻楼盖结构高差超过梁高范围（主梁代表性截面高度）。2）错层面积不小于整个楼层面积的30%。

2 错层结构的受力特点

首先，由于楼板不连续，错层结构的两侧楼板间缺少了直接的传力途径，因此会使构件内力分配及地震作用沿层高分布更加复杂，在这种情况下进行统计指标时就不能将错层处楼盖再简化为一个平面刚体，而应考虑错层对指标统计的不利影响。《抗规》和《高规》中关于错层结构的相关要求见表1。其次，错层处会形成不利于抗震的短柱，短柱的抗剪验算为关键控制环节，设计时应高度重视，并要考虑错层对结构的不利影响。

表1 错层结构的相关要求

3 错层结构的受力分析

首先，当不满足错层结构概念一时，错层小于梁高，无论错层面积是否比整个楼层面大30%，都可以对模型做合理的简化，按平层来计算。为保证楼盖能连续地传递水平荷载，在工程实际中，可以对错层处标高较高的楼面梁进行如图1 所示的加腋处理。

图1 梁加腋大样

其次，当仅不满足错层结构概念二时，错层面积小于整个楼层面积的30%且错层大于梁高时，此时虽不属于严格意义上的错层结构，但错层处形成了实质性的短柱，对错层构件进行设计时宜参考错层结构的规定。

再次，在错层结构中，错开的楼层不应归并为一个刚性楼板，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型。对平面规则结构而言，可以按照刚性板假定来简化计算模型，此时统计指标和构件计算的模型可以采用相同的刚性楼板假定。而对平面不规则结构来说，楼板的面内刚度对结构的内力计算会有显著影响，在计算前需要对计算参数和特殊构件属性做合理设定。当错层处高差和梁高很接近时，杆元模型精度已经触及了力学模型几何精度的边界，此时应采用更加精细的壳元模型假定，否则错层处短柱的抗剪能力将会被高估，导致设计出现不安全因素。因此为了真实地考虑错层的影响，需要在盈建科软件中进行设定，见表2。

表2 楼板、梁属性设定

4 错层结构的案例分析

下面就做过的一个错层的框架结构进行分析计算，采用3 种建模方式，并对比找出合适的建模方案。

4.1 工程概况

某综合交通枢纽一体化工程集铁路站房、地铁、长途大巴及市内公交为一体。地下3、4 层为地铁，地下1、2层为城市地下空间，1 层为长途候车厅和公交候车厅，2 层为既有铁路站房轨道桥梁结构，鉴于桥梁结构的影响，桥下候车厅需要按错层结构来设计。建筑方案如图2、图3所示。

图2 建筑效果图

图3 错层结构典型剖面

4.2 对比模型

该工程为小型站候车厅，抗震设防类别为丙类，结构安全等级为二级，设计施工年限为50 年，耐久性设计使用年限为50 年。该工程抗震设防烈度为6 度，建筑高度为6.4m，错层高度1.8m，选用框架结构体系，并采用3 种建模方式反映错层对整体结构的受力影响（见表3）。采用盈建科结构设计软件进行结构空间整体分析，计算时3 个模型均同时考虑偶然偏心及双向地震，其中楼板和梁的属性按表2 进行设定。

表3 3 种错层结构建模方式

从组装后的模型可以看出，模型1（如图4 所示）按一个标准层建模，柱子的计算长度为实际计算长度；模型2（如图5 所示）按2 个标准层建模，柱子节点增多，柱子的计算长度被隔开；模型3（如图6 所示）按2 个标准层建模，柱子的计算长度为实际计算长度。

图4 模型1

图5 模型2

图6 模型3

通过盈建科软件进行分析计算，指标汇总情况见表4。模型1 指标满足规范要求，模型2 的刚度比和位移比超限，模型3 的刚度比、楼层受剪承载力、位移比超限。因为模型3 的建模方式导致首层的柱子只有6 根，其他柱为二层柱，所以楼层受剪承载力不满足规范要求与建模方式有关。模型2 和模型3 在修改前处理了楼层信息中的指标统计层号，因此在设计结果中，指标统计合并层中的刚度比和楼层抗剪承载力验算均满足规范要求。

表4 指标汇总

该文针对该工程，通过3 种不同建模方式对主要控制指标和设计结果进行对比，得出以下结论：

按模型1 计算，指标汇总满足要求，无薄弱层定义，错层处柱子计算结果偏于不安全。

按模型2 计算，刚度比不满足要求，软件定义首层为薄弱层。在地震工况下，所有柱子调整后的内力会乘以1.25 薄弱层调整系数，实际上两侧6.4m 高柱子为一层，不需要经过薄弱层调整，因此实际需求配筋小于计算需求配筋，错层处定义为2 层，考虑薄弱层的调整比较合理，此时计算结果偏于安全。

按模型3 计算，刚度比和楼层受剪承载力不满足要求，软件定义首层为薄弱层，此时仅错层处柱子在地震工况下乘以1.25 薄弱层调整系数，两侧6.4m 高柱子按一层计算，未定义为薄弱层，此时计算结果符合实际受力。

4.3 错层结构的抗震构造措施

由于目前对地震作用结构效应的认识有较大的局限性和模糊性，仅通过将地震作用假定为一种外加荷载施加在结构上，和未来可能发生的真正的地震作用下的结构效应有一定差距。因此，为满足结构的安全性及可靠性要求，应当加强概念设计。

4.3.1 错层结构处尽可能加腋处理

为保证楼盖能连续地传递水平荷载，在工程实际中，需要尽可能地对错层处的楼面梁进行加腋处理，并相应加强错层两侧楼板的板厚及配筋。

4.3.2 错层结构平面布置宜尽量规则

如果错层结构的两侧楼板间缺少直接的传力途径，会加剧楼层的扭转。设计过程中应尽量采用平面规则的结构形式，或通过合理地布置结构构件，使建筑的形心与结构的刚度中心尽量重合，以减少扭转的影响，将错层结构带来的不利影响降到最低。

4.3.3 加强错层处短柱抗剪切破坏能力

错层结构必然会形成长短柱，这种结构形式对承担竖向荷载基本没有不利影响。但在水平荷载作用下，短柱容易发生剪切破坏，结构设计中需要避免这种脆性破坏。设计过程中可以通过增加错层处短柱截面尺寸、提高短柱混凝土强度等级、柱内设型钢、设置复合箍筋和缩小箍筋间距等措施，改善短柱的抗剪切破坏能力。

5 结语

错层小于代表性梁高时，无论错层面积是否比整个楼层面大30%，此时都可以对模型做合理的简化，按平层来计算，并对错层处标高较高的楼面梁进行加腋处理。

错层大于代表性梁高时，错层面积比整个楼层面小30%，此时虽不属于严格意义上的错层结构，但错层处形成了实质性的短柱，进行错层构件设计时宜参考错层结构的规定。

错层结构应合理定义梁板属性，板属性定义为弹性膜，错层处梁定义为壳元梁，采用模型2 或模型3 的方式建模更加安全。