错层框架结构的抗震设计

杨进喜

摘要：错层结构独特的空间感和层次感满足建筑要求，现已广泛运用于框架结构中。但错层对框架结构抗震也带来许多不利,主要两个原因：(1)错层一般会在连接错层的部位形成短柱；(2)错层所形成的二层楼板,削弱了楼板协调结构整体受力的能力,且使得建筑的平、立面布置不规则,质量分布和刚度变化不均匀。因此,需要对错层抗震性能进行研究。本文针对高层规则错层框架的地震反应分析,采用PKPK和ETABS分析软件,对错层结构进行分析,得到一些动力特性和受力变化规律,希望能对错层框架结构的工程应用有所帮助。

关键字：错层，短柱，应力集中

中图分类号： O343.4 文献标识码： A

1工程概述

本工程位于天津东疆港区，是一座办公楼的钢筋混凝土框架结构。工程平面成T字型，左右对称，比较规则；工程地下一层，左侧地上六层，首层5.1m，其余4.5m；右侧地上四层，首两层层高为7.05m，其余为4.5m，因此形成错层。由图2可以看出，错层未沿建筑通高设置，错层设置在2、3、4标准层，5及其以上楼板连通。本工程为丙类建筑,设计使用年限50 年,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.15g ,设计地震分组为第一组,场地类别四类。基础采用桩筏基础。

图1 结构整体模型图 图2 建筑剖面图

2结构计算及分析

建筑外立面多为大开窗，内部多为大开间，很难在有利的位置布置剪力墙，最终采用钢筋混凝土框架结构。计算软件以STAWE 为主，用ETABS 进行校核。建模时错层处按两个标准层输入,共计9个标准层。在确定计算参数时,结构体系采用复杂高层结构,框架抗震等级为二级；错层处框架柱抗震等级为一级，抗震构造措施提高一级。框架柱截面为800X800、700X700、600X600,错层处框架柱截面850X850，混凝土强度为C40、C35。由于本工程有错层, 错层平面图中有50%左右的柱子不与梁板拉接, SATWE和ETABS程序则对此给出了4种假定:（1）楼板整体平面内无限刚（2）分块无限刚（3）分块无限刚带弹性连接板带（4）弹性楼板, 根据本工程的实际情况, 应选用第3种情况。

2.1计算结果

振型分解反应谱分析结果比较。由表1 和表2可知,两种计算软件主要计算结果均差别不大，均能满足规范要求。

表1 不同计算模型结果比较

表2 基底剪力比较

2.2計算结果分析

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。由于本工程是错层框架结构,STAWE输出的计算结果包括了错层部位的位移比,是失真的。而实际楼层的位移比是我们所需要。所以我们在计算时选择位移详细输出, 查出来每层的每个点的位移和四个角的最大位移后,并取其平均值作为平均位移,最后算出实际楼层的位移比。

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,高层建筑不应大于0.9。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。

3抗震构造措施

1)由于采用错层结构在错层处的框架柱均为短柱,在结构分析结果时，错层柱的抗震等级提高一级，错层柱的截面边长增50mm，错层处轴压比控制在0.5以下；同时错层处框架柱的箍筋全程加密，提高柱子的体积配箍率，对其抗剪性能进行有效加强,满足规范强剪弱弯的要求。

2)由图3、4可以看出，在地震作用下错层处楼板存在应力集中分布，是结构的薄弱环节。在结构设计中，错层处一跨范围内，楼板加厚为120mm，双层双向配筋。由图5可以看出，在地震作用下错层上的贯通层，在相同的位置也出现轻微应力集中，也应在加强其抗震构造措施。

图3 地震下3标准层错层处楼板应力分布图4 地震下4标准层错层处楼板应力分布

图5 地震下5标准层错层处楼板应力分布

3)将错层部分做多个标准层处理后, 当一根柱分属两个标准层时,由于计算中所取的柱长度分别为标准层间的距离,与柱的实际长度不符, 影响柱的偏心距增大系数计算,可修改柱的计算长度进行柱配筋计算。

4结论

1)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。

2)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。

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,贯通层要重点加强。

4) 错层结构存在错层处的框架柱均为短柱和错层处楼板存在应力集中分布的问题，应引起设计人员的注意。

参考文献

［1］ 谢靖中，李国强，屠成松． 错层结构的几点分析［J］. 建筑结构，2001，31( 1) : 35-41．

［2］ 徐永基，孙荣欣，吕旭东． 高烈度区高层错层结构的设计［J］． 建筑结构，2004，34( 6) : 7-14．

［3］ 徐培福，傅学怡，王翠坤，等． 复杂高层建筑结构设计［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2005．