高层错层结构的抗震设计与策略

高层错层结构的抗震设计与策略

征万荣

盐城市建筑设计研究院有限公司  江苏 盐城  224000

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.