错层结构的各层楼板布置多层框架错层结构设计浅析

薛 峰 肖之猛

（机械工业第六设计研究院有限公司河南郑州 450007）

建_【摘要】针对某展览建筑框架结构的错层设计，浅析错层框架结构的受力特点和错层框架结构设计时应该注意的要点，强调概念设计和构造措施设计。

【关键词】多层框架；错层结构；概念设计；构造措施

1. 工程概况

本工程位于黄河泛滥冲积平原区，为展览型建筑，总建筑面积12790m2，地上4 层，总高21.6m。结构形式为多层框架，工程抗震设防烈度为8 度（0.2g），框架抗震等级为二级，抗震构造措施设防烈度为8 度。场地为III 类场地。场地条件复杂，下卧可液化的土层，液化等级综合判定为中等液化。该项目在方案阶段针对其特殊的展览功能，为了追求室内阶梯形效果，每层不同的展览单元设置不同的标高，从而产生了复杂的错层结构（见图一），每一个错层高度为900mm。

2. 地基及基础

根据本建筑物的结构特点，因为要提供较大的展览空间，建筑物的柱距较大，所以单柱荷载也较大，根据地质报告，受力层范围各土层地基承载力都较低，使用天然地基不能满足设计要求。考虑到本场地土层为中等液化，从减轻液化和经济性的角度考虑，采用预应力管桩基础以满足工程要求。

3. 结构计算分析

本工程错层严重，而且错层高度均超过了梁高。为了更好的分析结构力学特点，本工程分别采用MIDAS/Gen 和PKPM 序列的Satwe 高层版进行分析。

（1）为了使模型更好的符合实际情况，保证结构分析的可靠性，相邻错开的楼层归为一个楼层计算，在分析时把每一个错层均当作一层处理进行结构整体计算分析，共15 结构层。

（2）由于错层结构在整体计算时时按照每一楼层标高的楼板作为一层输入的，因此在同一平面内仅局部有楼板存在，对周围有梁围合但无楼板的部分，是按照开洞或楼板厚度为零来处理的，在进行结构分析时各自独立计算的错层楼板不宜简单地按“刚性楼板”假定计算，特别是楼板被洞口切分成狭长板带时，应考虑楼板面内刚度消弱的影响，本工程门厅上空为共享中庭（9 轴和10 轴之间），在二层和三层就造成了楼板中部开大洞的事实并形成狭长板带。所以具体计算时将这些楼板设定为“弹性膜”。

（3）为了较为真实地模拟错层结构，在SATWE 计算时选择“总刚分析方法”，因为总体刚度模型是假定每层楼板上的每一个节点（有构件相连的）的动力自由度有两个水平平动自由度，可以受弹性楼板的约束，也可以完全独立不与任何楼板相连。而在刚性楼板上的所有节点的动力自由度只有两个独立水平平动自由度和一个独立的转动自由度。

（4）地震作用计算的阵型数的确定。由于错层结构的楼板是按照弹性楼板假定在没有楼板的区域可能存在大量的跃层向构件和不受梁板约束的自由节点，因此“计算振型个数”需要增多，总之计算阵型数的取值应保证是参与计算的有效质量数不小于结构总质量的90%。

（5）错层结构属于复杂多层结构，抗震计算时可以同时选择“考虑双向地震作用”和“考虑偶然偏心”。程序分别计算，取不利情况。

（6）活荷载折减。在活荷载折减一项中，楼层折减系数填写应与实际情况一致，由于原来的一层变成大于两层，楼层号就发生了变化，此项填写的楼层号应与建筑层数一致，否则设计折减的就太多，偏于不安全。

（7）周期及位移比的计算。规范中对位移比的定义为最大位移和平均位移的比值，在条文说明中，也可以清晰的看到，楼板是作为一个整个的刚体进行平动和转动的，所以在周期及位移比的计算中，还应该采用刚性楼板假定。虽然实际的情况会与此假设有些不同，但大的趋势还是相符的。考虑到错层结构的不确定性及复杂性，还应采用两种及两种以上的计算软件进行验算对比，找到结构的薄弱部位。

（8）错层结构层高不一致，使有关楼层间的控制参数，如层间位移比、层间刚度比、层间受剪承载力比等计算失真，因此不宜机械地直接采用这些数值，而应加以分析判断和手工校核调整，确定其是否合理。

（9）SATWE 可自动搜索错层结构中的跃层柱及正确设定其计算长度系数，但内力和配筋只能按楼层分段描述，具体出图时可取各段配筋中的最大值出图。通过分析可以看出结构受力有如下几个特点：

（1）错层高度为900mm，错层处柱为短柱。在地震力作用下，由于短柱的线刚度很大，而且短柱上下楼板传力不连续，短柱吸收了大量的地震力，引起了x 和y 方向的剪力突变，如图二所示：从地震作用下柱剪力分布图，可以看出在错层处柱剪力发生了突变，给结构带来了不利影响。造成了每层柱的计算高度差别很大，造成其刚度和延性不同，使部分竖向构件承担更多地震作用，形成相对薄弱的受力构件，竖向刚度的不均匀也使各楼层总地震作用沿高度分布也不连续，从而影响结构的整体抗震性能。

（2）错层处竖向刚度变化剧烈，错层结构的楼板不连续，水平向传力不连续，在没有楼板的区域，存在跃层构件和不受楼板和梁约束的自由节点，使内力计算十分复杂。错层结构的各层楼板布置__不均匀、不对称，质心和刚心严重偏置，在水平地震作用或风荷载下会发生较大的扭转效应，不利于结构的抗震设计。

4. 概念设计和构造措施

本工程虽然结构总高为21.6 米，为多层框架结构，非高层建筑. 但其结构形式复杂，涉及到高烈度区、错层、楼板开大洞、液化和超长等多项不利因素，而且本工程为展览类重要公共建筑。为了保证结构的安全可靠，在设计中充分考虑各种因素，重视概念设计在抗震设计中的重要作用，这些概念设计的运用使结构布置更加合理，使计算结果更能满足规范要求。并对建筑遭遇地震时的薄弱、易损部位做出判断，在结构布置时，对这些部位重点加强，采取有效的措施确保结构的安全可靠性。

（1）本工程主体采用钢筋混凝土框架结构，屋面、楼面为现浇钢筋混凝土楼板。建筑物总长103m，超过了框架结构伸缩缝设置的最大间距，而且结构为圆弧型，形状极不规则，所以在对称轴两侧设伸缩缝兼抗震缝两道，分别在7 轴和12 轴处设置，将不规则的建筑分成规则的3 个单体，采用抗震缝划分为独立的抗震单元，尽量减少错层对结构的不利影响。

（2）为尽量减少扭转效应，错层两侧设计成侧向刚度和变形性能相近的结构方案，以减少错层处竖向构件的内力，从而避免错层处结构形成薄弱部位。

（3）错层之间的柱子均为短柱，而短柱线刚度大，延性极差。在遭遇地震时，很容易造成短柱首先剪切破坏从而造成结构破坏甚至倒塌。为了提高短柱的延性，本工程适当增大柱断面，控制轴压比，框架柱截面采用700~900 的混凝土柱，混凝土强度等级C35，错层处框架柱抗震等级按提高一级考虑，控制轴压比在0.4 左右，构造上框架柱在错层范围内采用箍筋全柱段加密，并提高柱子的配筋率和体积配箍率，使柱混凝土处于有效的侧向约束之下，各柱钢筋接头可采用可靠的等强直螺纹套筒连接，并在设计中严格控制接头部位。

（4）考虑地震力楼板应力图和恒载+ 活载作用下的应力分布图可以分析，错层部位的柱和其相连的楼板出产生了应力集中，其值比正常恒载+ 活载计算超出较多，考虑地震时该部位将成为局部薄弱环节，所以错层处楼板适当加厚，比正常值加大20mm，并配置双层双向钢筋网，单层配筋率不小于0.25% ；同时对于楼板开大洞的情况，加强洞口周边板的板厚，增强抗侧力构件之间得联系，以有利于结构地震力的传递，有利于提高整体抗震性能。在设计中重点加强门厅洞口四周板厚，楼板厚度取到150mm，双层双向按最小配筋率配筋，单层配筋率不小于0.25% ；在错层结束的顶层即屋面层设置楼板加强层，可以对楼层位移起到抑制作用，因此在设计上也重点加强这层楼板，板厚适当加厚，比正常加大20mm 厚度，内配双层双向钢筋网，单层配筋率不小于0.25%。

5. 结语

错层结构虽然能带来特殊的室内效果，但是由于有大量的短柱的存在，降低了工程的安全性，并增加了造价，在实际工程中应该尽量避免。因为功能需要确须使用这种结构形式时，对错层结构应当强调概念设计、方案选择和抗震构造措施的重要性，增强结构的延性，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，保证结构的安全性。__