高层住宅连续错层结构设计

王倩

摘要： 分析了某高层连续错层住宅的结构特性，计算方法和设计原则，并提出了该典型结构的构造措施和施工方案。

关键词：高层建筑；错层结构；抗震设计

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A

一、前言

近年来随着社会的发展，2.7m层高的平层单元住宅模式已经不能完全满足人们的需求，高挑的客厅逐渐受到追捧，而出于经济的考虑，卧室、卫生间、厨房等功能区间的层高可以维持在2.7m而无需同步提升。错层式住宅，将高大空间的客厅和标准层高的其他功能区如卧室、卫生间等有机的结合起来，既满足了舒适性，突出了客厅的华贵，同时又兼顾经济性，节约了其他部分的空间，已经成为一种住宅设计的新的模式。

对于高层错层住宅，目前这种结构形式虽不多见，但是对于这种结构类型，已经有了相应的研究成果。新版《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）》中提到，中国建筑科学研究院抗震所等单位对错层剪力墙结构做了两个模型振动台试验。试验研究表明，平面规则的错层剪力墙结构使剪力墙形成错洞墙，结构竖向刚度不规则，对抗震不利，但错层对抗震性能的影响不十分严重；平面布置不规则、扭转效应显著的错层剪力墙结构破坏严重。

因此，在采取一定的抗震技术措施和相应的施工控制措施的前提下，错层结构运用于高层住宅是可行的。

二、工程概况

本工程地下三层，地上十七（十二）层。 地下三层为五级人防地下室，地下二层为家庭配套用房，地下一层为会所及自行车库，首层为会所及住宅，二层以上均为住宅。总高约为48.40m。建筑物的剖面图如附图1。

附图1 剖面图

本工程由地上二层开始，到十六层为止，为连续的错层住宅。从空间上，每三层为一个模块，由三层层高2.7m的卧室或卫生间等与两层层高4.05m的客厅、餐厅组合而成，即“3并2单元”模块。竖向连续有5个这样的模块，顶层（十七层）为平层。更为不利的是，在二层之下有局部大空间结构，层高较高，首层、地下一层的层高为3.4m。部分错层剪力墙不落地，为框支-剪力墙结构。这就更加增加了结构设计的难度。

三、上部结构的抗震设计

3.1 场地地震效应

该地区工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组，场地类别II类。抗震设防类别为丙类。

3.2 结构布置

本工程属于复杂高层建筑结构，同时存在错层结构及带转换层的结构两种复杂结构形式，在结构布置时要充分考虑到两种结构形式的特点，采取措施减低其不利影响。

工程的结构设计高度为50.3m，采用全现浇混凝土抗震墙结构，混凝土强度等级为C30。抗震墙抗震等级为一级，框支柱抗震等级为一级。

3.2.1 结构平面布置

控制建筑物的长宽比 = 35.9/33.8 = 1.06 < 5，使平面外形为规则结构。结构构件的平面布置采用对称布置，以尽量减少错层结构的扭转效应。剪力墙布置相对紧凑，并加强核心筒的刚度，以有效传递错层楼板的水平力。在错层剪力墙处均设置多道与其垂直的墙肢，以提高错层剪力墙的平面外受力性能，对错层局部构件予以加强。加强加厚外墙，以发挥其约束扭转的作用。

3.2.2 结构竖向布置

控制建筑物的高宽比 = 50.3/33.8 = 1.5 < 5，结构体型竖向保持一致。由于错层结构在楼板平面处不连续，是一个很不利的因素。因此在竖向布置时要合理安排错层的分布，增加贯通层的布置。结合本建筑的特点，将3~4层，6~7层，9~10层，12~13层，15~16层设计为错层，其余为平层。使每8.1m成为一个“3并2单元”模块，之间有一道贯通楼层，在一个模块内出现三次错层。为避免错层处结构形成薄弱部位，设计中对错层部分的相关楼层的侧向刚度和变形性能进行平衡，设计成相近的结构方案，以减小错层处的墙体内力。

针对底部大空间的竖向不利布置，将转换层设置在首层顶板，并予以加强，转换层上下的楼板均加强设计，以增加结构的整体性。转换层以下的落地剪力墙均加厚，配筋加强，有效地控制了转换层上下的层间等效剪切刚度比、层间等效侧向刚度比。框支柱、框支梁的设计严格按照规范要求，尽可能地降低底部大空间对于抗震设计的不利影响。

3.3 计算原则与方法

根据工程的复杂程度，上部结构计算选用能解决错层问题的TBSA5.0程序，嵌固端取在地下二层顶板处。在抗震计算时，结构的周期折减系数取0.8，以适当增加地震作用。错层处的剪力墙的抗震等级提高一级，取一级抗震。在计算模型的建立时，为了保证结构分析的可靠性，错开的楼层各自输入，分别参加结构整体计算，不进行归并，以反映错层位置的实际受力特性。

3.4 计算结果

TBSA计算结果汇总见表1：

表1：TBSA计算结果

方向 x y

振型数 9

总重力 Ge (kN) 215783.

第一振型周期 T1 (s) 0.73006 0.64879

基底剪力 V0 (kN) 14822. 16289.3

基底弯矩 M0 (kN.m) 493224. 547443.

剪重比 V0/Ge (%) 6.87 7.55

层间位移角 δ/h 1/2491 1/2878

顶点位移与总高度之比 Δ/H 1/3103 1/3508

3.5 计算结果分析

由于剪力墙布置得较为紧密，因此从结构的自振周期较小，剪重比较大以及地震作用下的水平位移较小等参数均可以反映出该结构的整体刚度较大的特点。结构各层在地震作用下的位移曲线以及其自振振型模态曲线均很平滑，没有较大的突变，可以判断结构各层的侧向刚度是较为平均的，不存在较突出的薄弱层。计算所得的各剪力墙、框支梁柱的内力、配筋均不大，说明该结构对地震作用的储备较多。

综上可以得出结论，本工程的结构设计为减小错层和转换层所带来的不利影响，采取了恰当的应对措施。因此，该结构设计是安全、合理的。

四、主要构造措施和施工技术措施

本工程为带转换层的错层抗震墙结构，高度50.3m，小于60m。首先，在转换层加强加厚楼板，框支梁配筋控制在2.0%。转换层上、下的楼板配筋也进行了适当加强。针对错层部分，在各贯通层的楼板均予以加强加厚。其次，转换层以下的抗震墙加厚加强，落地剪力墙厚度为350mm。错层部分的抗震墙构造措施提高一级，按一级抗震等级采用，由于抗震墙布置紧凑，内墙不必太厚，定为160mm，其墙端暗柱配筋适当加强，配筋率大于1.4%。第三，为限制扭转，加大了外墙的厚度，为200mm，并提高了外墙配筋。

由于错层的影响，结构楼板和墙体都不能连续，如果按传统工序施工的话，势必带来施工缝较多，工序复杂凌乱，继而影响施工质量，破坏结构的整体性。我们和施工技术人员经过充分的讨论和研究，将工序整合，将部分墙体与错层楼板连续浇筑，避免竖向短跨墙单独浇筑，见附图2的示意图。从而，既减少了施工缝，使工序安排更为合理，又大大提高了工程质量，增加了结构的整体性和安全性。

附图2 “3并2单元”模块中施工顺序图示

五、体会

在针对复杂高层建筑结构进行设计时，应谨慎分析研究，采取相应的加强措施以克服其不利影响。

错层结构运用于高层住宅抗震虽然不利，但是，通过本工程的设计可以看出，在充分研究、周密设计、并采取适当措施前提下，工程的安全性是能够得到保证的。随着施工技术、施工工艺的提高以及新材料的不断开发，我们相信，建筑结构的结构形式将会得到进一步的拓展，以适应更加新奇、复杂的建筑设计。

参考文献

[1]JGJ3-2010,高层建筑结构技术规程[S].2010

[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).

[3]董平，单桂林.带错层的高层建筑结构抗震设计[J].工程抗震,2004,(3).