不同设备层结构方案对比分析

周 洲

在带裙房的塔楼建筑中，通常将设备层设置在塔楼出裙房楼层位置。在实际结构设计过程中，设备层通常采用如下两种方式进行处理:

1)将设备层设为单独结构层，层高2.2 m(方案A);

2)将设备层与相邻上一楼层合并成一个结构层，层高6 m，放置设备的部分采用一个简单的框架次结构置于该楼层之中(方案B)。

本文针对两种设备层结构方案，依照我国现行规范要求进行结构弹性计算分析与设计，对比研究了两种设备层方案对结构自振特性、结构楼层剪力与倾覆力矩分布、构件内力以及计算配筋等因素的影响。本文研究对象为框架—核心筒体系，塔楼结构共25层，其中裙房5层。建筑结构设计使用年限:50年;建筑结构安全等级:二级，对应结构重要性系数为1.0;抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.20g;建筑场地类别:Ⅲ类;场地特征周期:0.45。

1 结构计算分析

计算模型中，1层 ～5层为裙房部分，层高分别为5.4 m(1 层)、5.1 m(2层 ～5层)，第6层为设备层，层高为2.2 m(方案A)或6.0 m(方案B)，其余楼层层高均为3.8 m。结构梁及楼板混凝土等级均为C30，框架柱及剪力墙混凝土等级沿楼层依次为C50(1层～7层)，C45(8层 ～14层)，C40(15层 ～20层)及 C35(21层～顶层)。

多遇地震作用下计算分析。本工程采用SATWE软件进行三维空间有限元计算。考虑5%偶然偏心和双向地震作用两种情况分别进行验算;采用刚性楼板假定理论计算楼层位移和位移比;结构内力计算及配筋时考虑楼板开洞及大空间等影响，采用局部弹性膜分析模型。结构主要计算结果见表1～表3。

1)结构动力特性统计表见表1。

由表1可知两种设备层方案对整体结构的自振特性影响有限，对结构的振型形态基本没有影响。

表1 结构动力特性统计表

表2 结构位移响应统计表

表3 最大位移比统计表

2)结构位移响应和最大位移比统计表见表2，表3。

由表2，表3可以看到，两种设备层结构方案对结构楼层位移及层间位移角的分布基本没有影响。

3)地震作用下的结构楼层剪力及倾覆弯矩。

图1 X方向最大楼层剪力曲线（一）

图2 Y方向最大楼层剪力曲线（一）

A方案的结构最大楼层剪力曲线和弯矩曲线见图1～图4。

图3 X方向最大楼层弯矩曲线（一）

图4 Y方向最大楼层弯矩曲线（一）

B方案的结构最大楼层剪力曲线和弯矩曲线见图5～图8。

由图5～图8可以看到，除设备层所在楼层位置外，两种设备层结构方案对结构楼层剪力及倾覆力矩的分布基本没有影响。

4)结构楼层侧向刚度比见表4。

图5 X方向最大楼层弯矩曲线（二）

图6 Y方向最大楼层弯矩曲线（二）

图7 X方向最大楼层剪力曲线（二）

图8 Y方向最大楼层剪力曲线（二）

表4 结构楼层侧向刚度比

楼层刚度比是结构抗震设计中的关键指标之一，为了限制结构楼层侧向刚度分布的竖向不规则性，我国现行JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程中规定“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%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%”。当设备层采用方案A时，由于设备层层高低、侧向刚度大，使得其相邻下层与该层的刚度比不满足要求;而方案B则由于层高较大，在减小设备层侧向刚度，解决方案A中问题的同时，又因与上层结构楼层高度相差较大，使得设备层与相邻上一楼层、与相邻上三楼层刚度平均值比均增大显著。

5)设备层及其相邻楼层典型构件内力。对比两种设备层方案各构件内力的数值可以发现，层高大小对于设备层楼层剪力的分配有显著影响:设备层方案A中由于设备层层高较小，框架柱所受剪力存在突变，显著大于其相邻上部楼层，墙肢则明显小于其相邻楼层;方案B中设备层框架柱剪力则基本保持与方案中设备层以上楼层相同的分布规律;此外还可以发现，结构框架柱是否在楼层内出现反弯点与其所在楼层层高并无直接关系，而与整个楼层的抗侧力构件布置及相对刚度有关。地震作用下两种设备层方案中设备层的框架柱及墙肢的剪力有显著变化;而弯矩数值则基本相当。这表明，对于高层建筑而言，地震作用下构件所受到的弯矩主要由上部结构的倾覆造成。

6)结构的配筋设计。保持结构设计其他荷载、计算参数及设计条件不变，依照我国现行相关规范要求，对结构分别按8度抗震设防要求，完成两种设备层方案的结构设计。对比两种设备层方案的设备层竖向构件配筋情况可以看到，相同设防烈度下，两种设备层方案的计算配筋差别不大。

2 结语

本文建立了两种设备层方案的结构分析模型，分别针对结构自振特性、楼层刚度比、设计地震作用下楼层剪力与倾覆力矩的分布规律、楼层最大位移及层间位移角、典型构件内力以及结构设计计算配筋等因素进行了分析。通过以上分析，得到结论如下:

1)两种设备层方案对于结构自振特性的影响较小。

2)两种设备层方案中设备层层高较其相邻上、下楼层均变化较大，从而导致结构楼层刚度出现了不同程度的突变。依照现行规范要求，两种设备层方案中，设备层层高较小的(方案A)导致的突变程度较大，易于出现不满足规范限值要求的情况;设备层层高较大(方案B)的方案导致的突变程度较小，易于满足规范限值要求。

3)地震作用下，两种设备层方案对结构的楼层剪力及倾覆力矩、结构楼层最大位移及最大层间位移角等计算指标影响不大。

4)分析表明，设备层方案(层高)的不同会对设备层构件地震作用下的剪力造成影响:层高小(方案A)时框架柱剪力突变程度大，且数值显著大于其相邻楼层。方案B则基本无突变现象。

5)不同烈度的结构配筋设计结果显示，两种设备层方案对构件设计配筋基本无影响。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S］.

[2]JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S］.

[3]杨红艳.结构设计技术总结[J］.山西建筑，2010，36(6):77-78.