浅谈带错层的高层建筑结构抗震设计

王春伟

（齐齐哈尔和平建筑设计有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物。近三十年来，科学技术的飞速进步，生产出多种轻质高强的材料，研究出新型的高效结构体系，创造出先进的施工的技术和机械设备，提供了高速电梯、空调、防火、自控等现代化设施，使高层、超高层建筑得到了充分的发展。近年来，随着人们生活水平的不断提高，人们也逐渐从对普通住宅的需求向高档住宅的方向发展。具有舒适的室内环境、合理的空间布局、优美的居住氛围的住宅已成为人们追逐的对象。为了建筑功能的需要或者最有效的使用空间，在建筑设计中经常会用到错层布置。它改变了建筑的传统方法，是一种在多维空间上房中楼层立体布置的建筑设计方法。

错层结构由于同一楼层的楼板沿高度方向相互错开而形成了室内空间的变化富于多样性，深受消费者的青睐。因此在城市住宅区广为使用。但是，作为一种结构体系，其结构形式复杂，地震反应特性与普通高层结构也有很大的不同，借助于计算机技术的发展，对错层结构地震反应的研究也越来越深入。如何通过适当的设计来满足错层结构的抗震性能是本文的主要内容。

1 高层建筑错层结构的受力特点及影响因素

1.1 错层结构的形式

错层高层建筑为了取得多样变化的室内空间，通常在一个单元的几个房间设在有高差的几个层面上，当错层高度不同时，就形成了各种类型的梁柱集合体。从工程实用情况来看，可将错层结构归纳为三类:包含型错层结构、交叉型错层结构和混合型错层结构。如图1所示。

图1 错层结构示意图

2 错层框架结构的受力特点

错层框架结构与框架结构的相比主要由于在错层出错开的楼层导致了在结构的一些部位形成竖向的短构件，使受力集中，不利于抗震。主要的原因可能是在同向受力中由于错层构件刚度大，而产生内力集中。在错层结构中，短柱问题应该得到足够的重视。

3 错层框架剪力墙结构的受力特点

错层框架剪力墙结构中的剪力墙承担了水平力中的一大部分，特别是在地震作用下，错层框架剪力墙结构有两道设防线，能够较好地改善错层结构的受力性育旨。

4 错层对结构影响的不利因素

错层对结构的不利影响主要源于两个方面：一是楼板分块错置，在错层构件中会产生很大的变形内力，从而削弱了楼板协调结构整体受力的能力；二是楼板错层，容易在某些部位形成竖向短构件，从而可能在同向受力中因错层构件刚度较大而产生内力集中。基于以上两个根本原因，错层将进而对结构的整体性产生较大影响。相互错层的相邻楼板仅由中间的错层柱（墙）相联系，而楼板在自身平面内的抗弯刚度远远大于错层柱（墙）的抗弯刚度，当结构受力时，结构左右两部分将产生不协调变形，在错层柱（墙）中形成较大内力。显然，这对于错层结构抗震是十分不利的。以上3种错层结构对结构抗震性能的影响主要体现在以下几个方面：

4.1 对包含型错层结构，由于上下层楼面刚度发生突变，当地震作用发生时，地震力在楼层之间分配不均匀，从而影响了各楼层总地震作用沿建筑全高分配的连续性，影响结构整体的抗震性能。

4.2 交叉型错层结构上下层平面刚度不重叠，易使地震作用在楼层之间产生局部扭矩，对主体结构产生不利影响；且其共用柱多为短柱，分配的地震作用弯矩往往比其他柱大很多，从而形成相对薄弱的受力构件。

4.3 包含错层结构和交叉错层结构存在较长错层柱，当地震作用发生时，会导致地震作用在楼层竖向构件之间分配不均匀，使同层构件内力产生很大差别，从而使各结构构件间的可靠度出现较大差别。错层结构错层部位的竖向抗侧力构件一般均为低矮构件，在地震作用下的延性较差。

5 带错层的高层建筑结构抗震设计要点

5.1 设计要点

高层错层建筑结构由于在错层短柱存在很大的内力集中，且错层框架结构在错层处的短柱要协调相互错开的楼盖得变形，特别是在地震作用下，更易发生破坏。为改善普通错层框架结构的受力性能，主要采取以下措施来解决：

5.1.1 在普通错层框架结构的错层处根据实际需要增设若干撑杆，用撑杆的轴力来转移普通错层框架结构错层处短柱受的剪力。

5.1.2 在普通错层框架结构的适当位置增设若干剪力墙，用剪力墙来承担大部分的结构水平剪力。

5.1.3 错层不宜沿建筑通高设置,错层中应设置一定数量的贯通层,将错层分为几个区段,且每个错层区段包含的错层层数也不宜太多,贯通层要重点加强。

5.1.4 对于电算结果给出的超筋、超限的连梁,在提高其混凝土强度等级,断面调整仍无效果的情况下,可采用钢骨混凝土连梁加以解决,采用钢骨时要注意钢骨和墙体暗柱的连接构造。

5.1.5 在对复杂高层建筑进行设计时,运用概念设计的思想确定结构方案、进行结构布置是十分重要的,在此基础上还要有充分的计算分析手段,例如采用二种不同计算程序进行分析对比、相互验证,并采用结构动力分析方法进行补充分析。

5.1.6 对高层错层建筑在错层处应在纵横向布置剪力墙,并使其互相形成扶壁,错层处布置单独的框架柱是不可取的。

5.2错层结构设计注意事项

错层结构应用较广，如何保证结构安全，采取有效措施正确处理错层结构就显得尤为重要。在设计时应具体问题具体分析，充分考虑各种不利因素，针对错层结构可能出现的薄弱部位从建筑平面布置、理论计算及抗震构造措施等方面出发，增强结构的整体受力性能，提高结构的延性。

5.2.1 结构的共用柱大多为短柱，而短柱的延性很差，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌，因此对因错层形成的短柱，应该尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

5.2.2 尽可能使结构平面布置合理化，使错层部位两层的竖向构件刚度相等，对结构平面布置不对称的结构，地震的扭转效应将十分显著，可能造成角部抗侧力构件开裂，在设计中应加强这些部位的配筋，增强抗震构造措施。

5.2.3 加强错层结构中错层柱及其上连梁的抗扭能力，同时使错层柱与相邻普通柱的长细比控制在1-2之间。

5.2.4 在高层建筑中，竖向体型应避免过大的外挑和内收，立面收进部分的尺寸比值应满足≥0.75的要求。

5.2.5 对设防烈度较高、抗震等级较高的高层钢筋混凝土结构，应尽可能限制使用错层结构，如不可避免，则应用剪力墙结构，并尽量避免上下层楼面刚度突变。

结语

带有错层的高层建筑的错层结构空间变化丰富、层次感较强，极大地满足了人们的心理要求，同时为结构的发展提出了新的课题。诸如其受力复杂、不确定因素较多、地震的特点要求等也带来了设计施工难度较大、结构抗震性能较差等诸多问题，这也成为阻碍高层建筑错层结构发展的主要因素。因此，对要加大对带错层的高层建筑结构的深入研究、提高结构整体性能、有效改善错层结构的抗震性能。这对进一步推动错层结构的发展有着十分重要的意义。