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摘要:建筑领域迅猛发展的今天,逐渐出现了一些新型建筑结构,错层结构是其中较为常见的一种,被广泛应用到高层建筑工程当中。由于这一结构存在错层的特点,更容易在地震中出现较大的危害。所以,在高层错层结构建筑设计时,需要科学、合理的对错层结构进行抗震设计。基于此,本文通过对错层结构的简单介绍,进而以某工程为研究对象,分析了高层错层结构的抗震措施及其注意事项,为进一步提升高层错层结构的抗震性能提供支持。
关键词:高层建筑;错层结构;抗震设计
引言:
错层结构存在诸多优势,如在同一楼层内,通过楼板相互交错,可构建出更加丰富的室内空间等,因而被现代建筑领域所喜爱。但相对于传统建筑结构来说,该结构更加复杂,使得其具备不同的地震反应特性,对结构抗震性能具有不同的要求,只有针对建筑工程具体情况,设计出合理的抗震方案,才会赋予整个错层结构更强的抗震性能,为建筑工程的后续使用奠定良好基础。
1 错层结构概述
1.1基本概况
错层结构是现代高层建筑较为常见的结构类型,指的是同层楼板不在一个标高,且高差超过梁高或大于500mm的结构,是一种不规则结构[1]。简单来说,就是对建筑同一单元内部多个空间设计时,将其设计到高差不同的层面内。由于错层的存在,使得建筑内部出现多种不同类型的梁柱体。根据结构特点的不同,可将其划分成三种类型,一种为包含型,第二种是交叉型,最后一种是混合型,见图1。
图1 各种错层结构简图
从受力角度来说,在框架柱及剪力墙处,由于存在错层,使得部分区域出现了竖向的短构件,将构件的受力集中到一起,影响结构的抗震性能;且错层框架比错层剪力墙的抗震性能更差,容易出现长短柱沿竖向交替出现的不规则体系。故在设计中应尽量避免错层框架方案的出现。
1.2错层对建筑结构的影响因素
在错层结构建筑当中,可能受到两个方面因素的影响而降低建筑的稳定性,具体来说,包括下述两方面:首先,由于楼板相互交错,使得错层区域内,形成较高的变形应力,在该应力的作用下,破坏楼板的受力平衡;其次,在楼板错层当中,存在一些竖直的短构件,这些构件的刚度较高,很容易在结构内部出现内力集中的问题。此外,对于不同类型的错层结构来说,由于结构自身特点的不同,也会对整个结构造成一些负面影响。
(1)包含型。在两层楼面当中,刚度出现了较大的改变,若遇到地震灾害,则会影响地震力的配置,导致某处地震力很高,而另一处地震力又很低,不利于建筑结构对地震力的引出,从而大大降低建筑结构的抗震性。
(2)交叉型。在两层楼面当中,无重叠的刚度,若遇到地震灾害,可能导致地震力直接作用在两楼层间,使错层结构出现严重的扭转,长此以往之后,建筑内部结构将会出现破损等问题。同时,在错层区域内,共用柱通常是短柱或极短柱,对地震力分配时,内力远远高于其它柱,从而降低了构件的受力性能[2]。
(3)混合型。该类型错层结构当中,含有一些长错层柱,若遇到地震灾害,无法平均配置地震力,导致同一楼层的构件间,存在较大的应力差,在该应力差的作用下,降低构件乃至整个结构的可靠性。
2 某工程概述
本次研究当中,选择了某高层建筑作为研究对象。该工程的建筑面积是66905m2,共24层,整体高度为70m,部分区域高度是74m。根据建筑功能的不同,将建筑地上部分划分成两部分,1~2层为办公层,3~24层属于办公、住宅混合层,通过错层的方式衔接。地下共三层,-1层为车库与美食城,-2层为车库,-3层为车库与机房。整个工程设计时,采用了错层结构方案。本工程抗震烈度8度,场地类型属于Ⅲ类。地下结构施工时,选择了梁筏基础结合天然地基方案。地上结构施工时,以现浇钢筋混凝土剪力墙结构为主,整个建筑内,共包含6个框架柱。在错层结构处,通过剪力墙划分成两部分,在1、2层当中,高度为5.4m,未设置错层。其他住宅层的高度是2.9m,其他办公层的高度是3.8m。在错层处,高度差处于0.1~1.4m,其中,高差在0.6m以下,共有11层,高长在0.6~0.9m范围内,共有4层,高差超过0.9m,共有6层,具体见图2。
图2 某工程错层结构图
3 高层错层结构的设计
3.1总体概述
建筑结构当中,楼板是较为关键的传力构件,用于对水平力的重新配置。采用楼板错层方案时,可导致局部应力集中到一起,从而引发错层处墙柱应力集中,容易形成薄弱部位的问题,影响建筑结构的可靠性。所以,在确定采用错层结构方案时,应设计出错层结构加强处理措施。针对该工程来说,主要包括下述四个方面:(1)结构计算时,以弹性楼板为主;(2)错层处的剪力墙及框架柱,其抗震等级应提升一级,采取较高标准措施来提高构件的延性;(3)采取平面布置规则的结构,尽量减小扭转效应对错层构件的影响。(4)加强错层处结构的抗震构造措施。
3.2抗震结构加强措施
由上述分析可知,为了使错层结构稳定性符合要求,应对抗震结构采取加强措施。针对该工程来说,主要措施内容包括:
(1)出现罕见地震灾害时,为了减轻地震作用对错层结构的破坏,需要在设计过程中,根据中震不屈服条件为基准,以此可得到如图3所示结果。并以此为基础,全高按约束边缘构件配筋。所谓的中震不屈服条件,指的是横向地震影响系数峰值取小震的2.8倍;根据随机偏心地震作用效应与双向地震作用效应产生的最不利值,确定横向地震作用效应组合;内力调整系数及抗震承载力调整系数均为1.0,无需予以放大处理;屈服承载力确定时,采用材料强度标准参数。
图3 中震不屈设计图
(2)对于剪力墙来说,属于整个错层结构的首道防线,因而在设计时,应保证其具有较大的截面厚度及合适的最小配筋率要求,平面外受力的剪力墙的抗震等级应提高一级。
(3)在结构的端部与拐角处,若轴压比较高,则应设置相应的约束边缘构件,适当提高配筋率,改善构件延性。
(4)在电算过程中,若得到的连梁方案存在超筋与超限的问题,则应适当提升混凝土的强度,或是对构件面积予以优化,如果依然未能改善上述这些问题,则应构建出钢骨混凝土连梁。若错层处的混凝土柱或剪力墙不能满足设计要求,可采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱,墙内可设置型钢,提高抗震性能。
4 高层错层结构抗震的注意事项
通过上述分析可以发现,高层错层结构受到多种因素的影响,导致部分结构的稳定性较差,不利于建筑的后续使用。所以,在高层错层结构抗震设计时,为了确保整个结构具有更高的稳定性,还应注重下述几个方面:
(1)在错层结构当中,存在一些共用柱,且这些柱的高度较矮,延性非常差,当所在地区出现较大的地震,远远高于该地区防烈度标准时,则会导致建筑内部出现较高的剪切力,在该力的作用的下,使建筑结构出现损伤,最终引发建筑倒塌的问题。所以,在错层短柱设计时,要赋予其更高的承载力,增加柱的截面积,并通过采用高质量材料、对短柱适当处理等方式,强化柱的延性,提升柱的抗震性能。
(2)根据工程整体情况,科学的设计平面结构,改善错层所处区域构件的性能,使这些构件的刚度保持一致。同时,在错层结构内,存在非对称的特点,在出现地震灾害时,可产生较强的扭转效应,从而导致部分抗侧力构件出现损伤,因而在设计时,应对这些区域产生高度重视,选择高质量的配筋,以抵抗低战产生的扭转效应。
(3)在错层结构内,制作出抗扭性更强的柱体与连梁,且控制错层柱与相邻普通柱间的长细比,使该指标保持在1~2范围内,以提升错层结构的稳定性。
(4)高层建筑的中心较高,若存在较大的外挑,由于建筑两侧产生的内应力存在一定差异,将会导致建筑出现整体稳定的问题。所以,在高层建筑设计时,尽量采用小型外挑方案,在立面收进处,尺寸比值要超过0.75。
(5)建筑工程对抗震性能要求较高,一般避免采用错层结构,若必须采用该方案,则要设计出相应的剪力墙结构,但应确保两侧楼面刚度保持相同。
总结:综上所述,错层结构可能受到诸多方面因素的影响而导致整个结构出现损伤,影响建筑的正常使用。所以,为了提升错层结构建筑的质量,必须要加强对结构抗震性能的设计,以防止地震作用对错层结构造成严重损伤。
参考文献:
[1]吴敦军,赵学斐,周健.某底部错层、顶部收进超限高层剪力墙结构抗震性能研究[J].建筑结构,2020(14):81-85.
[2]吴邦照.某商业+停车楼错层结构设计若干问题及措施[J].工程与建设,2019(04):544-546.