李　熹

(福州市規(guī)劃勘測設(shè)計研究總院　福建福州　350108)

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關(guān)于某錯層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與思考

李熹

(福州市規(guī)劃勘測設(shè)計研究總院福建福州350108)

通過某錯層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，分析了錯層結(jié)構(gòu)的動力性能和結(jié)構(gòu)特性，總結(jié)了錯層框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置、建模與計算參數(shù)的選取、位移比校核及抗震構(gòu)造措施等相關(guān)設(shè)計內(nèi)容，并針對錯層框架結(jié)構(gòu)的受力特點提出了一些待思考和研究的問題。

錯層結(jié)構(gòu)；位移比；抗震構(gòu)造措施

1　工程概況

本工程位于福州市連江縣，為了使建筑內(nèi)部的使用空間分割明確，使用方便，采用了錯層設(shè)計來達(dá)到起居空間與休息空間分離的良好效果。根據(jù)本工程的建筑特點，采用了錯層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。本工程場地的設(shè)防烈度為6度，場地類別II類，由于高度小于24m,所以本工程的抗震等級為四級。在方案設(shè)計的初期，建筑師希望以“一錯到頂”的形式來布置整棟建筑的使用空間，但是本工程由于是在抗震設(shè)防地區(qū)的錯層結(jié)構(gòu)，并且層數(shù)較多，樓板局部不連續(xù)，即便每層樓板在平面內(nèi)滿足剛性樓板的設(shè)計要求，對于整體的結(jié)構(gòu)來說，由于同一標(biāo)高的水平位移不同，只能依靠錯層處的豎向構(gòu)件來協(xié)調(diào)，這將會給結(jié)構(gòu)帶來很大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和抗震的不利影響。經(jīng)過結(jié)構(gòu)方案初期的試算與建筑師的協(xié)商，在整棟建筑的中間層位置設(shè)置了一個貫通層，即不錯層的樓層，以此來協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體的變形，增強(qiáng)其抗震性能，使結(jié)構(gòu)的整體剛度，變形及錯層處的豎向構(gòu)件內(nèi)力獲得了一定程度的改善。本工程最終的結(jié)構(gòu)平面布置及建筑剖面如圖1至圖4所示。

圖1　錯層標(biāo)準(zhǔn)層平面一

圖2　錯層標(biāo)準(zhǔn)層平面二

圖3　貫通層標(biāo)準(zhǔn)層平面

圖4　建筑剖面

2　結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)分析

本工程采用PKPM軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對于錯層結(jié)構(gòu)的建模，現(xiàn)在PKPM主要有2種建模方法。(1)分標(biāo)準(zhǔn)層法：根據(jù)錯層的數(shù)量，一個錯層即一個標(biāo)準(zhǔn)層，建模所需層數(shù)多，建模時需注意比對上下樓層關(guān)系。(2)改節(jié)點標(biāo)高法：通過PMCAD網(wǎng)點編輯里面的“上節(jié)點高”功能來實現(xiàn)一個標(biāo)準(zhǔn)層中的錯層建模模型，工作量較大，手工操作復(fù)雜。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的結(jié)論，采用分標(biāo)準(zhǔn)層法相比改節(jié)點標(biāo)高法可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)位移值，并且在此工程中需考慮樓梯參與整體結(jié)構(gòu)計算，所以本工程采用了分標(biāo)準(zhǔn)層法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計算。

2.2結(jié)構(gòu)總體指標(biāo)

采用PKPM-SATWE模塊進(jìn)行計算，地震分析采用振型分解反應(yīng)譜法，錯層結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜多高層結(jié)構(gòu)，計算時應(yīng)同時考慮偶然偏心及雙向地震，由于錯層結(jié)構(gòu)樓板不連續(xù)，在整體結(jié)構(gòu)中存在著大量不受梁板約束的節(jié)點，為了使有效質(zhì)量系數(shù)大于0.9，需多取振型數(shù)來進(jìn)行計算，采用CQC法進(jìn)行振型組合，得總體指標(biāo)如表1所示。錯層結(jié)構(gòu)由于短柱的增多，抗側(cè)剛度增大，算出來的周期值比較小，通過觀察PKPM的振型結(jié)果文件，發(fā)現(xiàn)錯層結(jié)構(gòu)在高階振型處出現(xiàn)較多的扭轉(zhuǎn)成分，由于采用了分層法的建模方式，柱子的節(jié)點增多，各層樓板對于錯層節(jié)點處的約束又不同，導(dǎo)致了大量的豎向不規(guī)則，使得結(jié)構(gòu)在高階振型出現(xiàn)了很多扭轉(zhuǎn)。

表1　結(jié)構(gòu)總體計算指標(biāo)

2.3錯層結(jié)構(gòu)位移比的手工校核

錯層結(jié)構(gòu)層高不一致，樓層概念模糊，由于樓板布置不均勻，每層的質(zhì)心和剛心嚴(yán)重偏離，會造成明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。本工程原是5層的框架結(jié)構(gòu)，但是由于建模和分析的需要，被人為地分割為10層，與樓層相關(guān)的平面不規(guī)則控制參數(shù)如層間位移比在計算中嚴(yán)重失真，而且位移比是作為判斷結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則性的重要指標(biāo)，需要進(jìn)行人為的手工校核才能得到符合結(jié)構(gòu)實際的結(jié)果。本工程通過SATWE的計算結(jié)果和EXCEL軟件的使用得到了準(zhǔn)確的位移比計算結(jié)果，現(xiàn)將手工校核位移比的主要步驟總結(jié)如下：

(1)在SATWE菜單下的計算控制參數(shù)中，位移輸出方式選擇詳細(xì)輸出，這樣計算結(jié)果會輸出全樓節(jié)點的位移值。

(2)將SATWE的計算結(jié)果導(dǎo)入EXCEL中,利用EXCEL中的VLOOKUP、MAX函數(shù)對每個標(biāo)準(zhǔn)層中的角點、錯層點的位移值進(jìn)行提取和整理。

(3)位移比的概念為：在規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)的比值，根據(jù)此定義，利用步驟(2)所整理出的位移值計算出結(jié)構(gòu)的位移比指標(biāo)。

以標(biāo)高1.470層Y+方向的位移比校核為例來說明上述步驟，下文所引用的節(jié)點位置及節(jié)點號詳圖1。由PKPM所計算出來的Y+方向最大位移比為1.88，節(jié)點位于平面的右下點，節(jié)點號為172。由位移比的概念可知應(yīng)對有樓板約束部分的4個角點進(jìn)行位移比校核，利用上述步驟中EXCEL的VLOOKUP函數(shù)，可得有樓板部分的4個角點Y向位移分別為左上點(節(jié)點號84)0.44mm，右上點(節(jié)點號174)0.59mm，左錯層點(節(jié)點號79)0.43mm，右錯層點(節(jié)點號177)0.58mm。4個角點的最大位移值為右上點0.59mm,最小位移值為0.43mm,平均位移為(0.59+0.43)/2=0.51mm，可求得Y+方向的位移比為0.59/0.43=1.17，滿足規(guī)范要求。按照上述方法，可利用EXCEL求得Y+方向所有樓層的位移比如表2所示。以此類推，可校核得出全樓X+,X-,Y-方向的位移比。

經(jīng)PKPM和手算校核的對比分析，發(fā)現(xiàn)PKPM計算位移比采用的是本層豎向構(gòu)件的最大位移(0.67mm)和最小位移(0.05mm)，錯層結(jié)構(gòu)的躍層柱附近無梁板約束，出現(xiàn)最大位移，而最小位移又出現(xiàn)在有梁板約束的地方，算出來的平均位移為(0.67+0.05)/2=0.36mm,位移比為0.67/0.36=1.88，超過1.5。這樣的計算結(jié)果值得商榷，且不符合位移比的概念。按照對位移比概念的理解，位移平均值應(yīng)該是由有樓板約束的樓層兩端彈性水平位移最大值和最小值的平均值，而不是樓層所有豎向構(gòu)件位移的最大值和最小值的平均值，在剛性樓板的假定且沒有錯層的情況下，PKPM的計算方式是合理的，因為樓層兩端的最大最小位移就是豎向構(gòu)件的最大最小位移。但是在錯層結(jié)構(gòu)的情況下，樓板不完整，出現(xiàn)躍層柱，樓層的最大位移點并不是出現(xiàn)在有樓板約束的豎向構(gòu)件處，而是出現(xiàn)在躍層柱的節(jié)點，躍層柱的位移參與到整層的位移比計算就會導(dǎo)致算出來位移比偏大，須采用手算校核才能得到符合位移比概念，合理的位移比結(jié)果。

表2Y+方向位移比指標(biāo)校核

2.4改善錯層結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的措施

本工程由于是錯層結(jié)構(gòu)，對于超過梁高的較大錯層，需按樓板開洞對待，而且本工程的錯層面積大于本層總面積的30%，屬于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》表3.4.3-1中平面不規(guī)則指標(biāo)中的樓板局部不連續(xù)。由于錯層結(jié)構(gòu)的層高不同，豎向構(gòu)件在各層的承載力和剛度相差很大，使本工程中的五、六兩層形成了薄弱層，在定量指標(biāo)上不滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》表3.4.3-2中的規(guī)定，屬于豎向不規(guī)則中的側(cè)向剛度不規(guī)則。由于質(zhì)心與剛心造成的偏心使結(jié)構(gòu)有明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在初步設(shè)計后，經(jīng)人工校核的位移比大于1.2，屬于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》表3.4.3-1中平面不規(guī)則中的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》3.4.3的條文說明，不規(guī)則類型達(dá)到三個或三個以上屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。為了控制結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，在設(shè)計初期擬定了兩種方案，第一種是考慮在結(jié)構(gòu)的兩側(cè)設(shè)置斜撐，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與規(guī)則性，第二種是考慮在結(jié)構(gòu)兩側(cè)，貫通層標(biāo)高以下，設(shè)置兩片鋼筋混凝土剪力墻。最后通過與建筑師的溝通和配合，采取了對建筑立面及施工難度影響較小的加剪力墻方案(如圖1、圖1所示)。修改后的結(jié)構(gòu)布置位移比小于1.2，使結(jié)構(gòu)的整體不規(guī)則指標(biāo)控制在了兩條，相比原方案更加合理。

由于在結(jié)構(gòu)底部采用了剪力墻，使得本結(jié)構(gòu)成為了帶少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)體系，X和Y方向的底層框架部分承受的地震傾覆力矩分別占結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的98%和82%，大于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》6.1.3條所規(guī)定的50%，所以框架的抗震等級按框架結(jié)構(gòu)確定，抗震墻的抗震等級可與其框架的抗震等級相同。因為剪力墻所占整體傾覆力矩很小，剪力墻并不是本結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，剪力墻僅起到減小層間位移角，減小位移比的作用，所以剪力墻可按構(gòu)造配筋，采用構(gòu)造邊緣約束構(gòu)件。對于本工程框架的設(shè)計，采用兩種計算模型包絡(luò)設(shè)計的原則，第一種模型為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，第二種模型為純框架結(jié)構(gòu)體系(去掉剪力墻)。

3　錯層結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施

錯層部位的豎向抗側(cè)力構(gòu)件受力復(fù)雜，容易形成多處應(yīng)力集中部位。框架錯層更不利，容易形成長、短柱沿豎向交替出現(xiàn)的不規(guī)則體系。因此，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.4.4的規(guī)定，本工程錯層位置柱的截面高度取600mm,箍筋采用全柱段加密配置，柱的抗震等級相應(yīng)提高一級，以提高其抗震承載力及延性。為控制結(jié)構(gòu)不規(guī)則性所設(shè)置的剪力墻，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.4.6的規(guī)定，截面厚度取250mm,抗震等級提高一級，水平和豎向分布鋼筋的最小配筋率為0.5%。同時，對于改善樓板不連續(xù)影響所設(shè)置的貫通層，采取加大板厚和雙面雙向配筋的構(gòu)造措施，板厚為150mm,雙面雙向最小配筋率為0.25%。

4　結(jié)論

(1)錯層結(jié)構(gòu)宜采用兩個方向側(cè)向剛度和變形性能相近的結(jié)構(gòu)布置方案，盡量減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在建筑方案設(shè)計的初期就要盡早介入，提出合理的優(yōu)化方案，例如本工程就在初期提出了設(shè)置貫通層以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的布置方案，收到了良好的效果。

(2)由于錯層平面上結(jié)構(gòu)樓板不連續(xù)，豎向構(gòu)件又容易形成短柱，所以在計算和分析的參數(shù)選擇上要特別注意，例如由于存在大量的無約束節(jié)點，要考慮多取振型來滿足有效質(zhì)量系數(shù)的要求；層概念的模糊導(dǎo)致程序的位移比計算失真，需要人工進(jìn)行位移比校核；錯層位置柱的計算長度由于層概念的原因也同樣需要人工調(diào)整。

(3)在滿足計算要求的前提下，錯層結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件還要采取必要的抗震構(gòu)造措施，錯層柱要采用足夠大的截面，箍筋需要全長加密，保證其延性，防止剪切破壞，貫通層的樓板需要有足夠的板厚和配筋來加強(qiáng)，以達(dá)到協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體變形的能力。

(4)為了改善錯層框架結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，可以采取加斜撐和剪力墻布置方法。本文僅針對加剪力墻的錯層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了位移比的校核，增加剪力墻后結(jié)構(gòu)成為了少墻框架結(jié)構(gòu)體系，需采用兩個模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計才能保證結(jié)構(gòu)安全。對于加斜撐的錯層框架結(jié)構(gòu)和加剪力墻的錯層框架結(jié)構(gòu)的具體受力性能還有待研究。

[1]余瓊,邊馮博.某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)錯層計算分析及處理[J].結(jié)構(gòu)工程師,2008,24(4).

[2]劉鵬,許開成.錯層對結(jié)構(gòu)受力性能的影響及設(shè)計要點分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2004,14(12).

[3]王義俊,沈蒲生.斜撐對高層錯層框架結(jié)構(gòu)受力性能影響分析[J].四川建筑,2008,28(4).

[4]王閣.基于SAP2000的空間錯層結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計[J].浙江建筑,2013,30(5).

[5]GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[6]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

Design and thinking of a staggered floor frame structure

LI Xi

(Fuzhou Planning Design &Research Institute,Fuzhou 350108)

Through the design of a staggered floor building，this paper summarizes the key design issues of staggered floor frame structure and analyses the structure dynamic characteristics of staggered floor frame structure.Key factors such as structure arrangement，modeling，calculation parameters，displacement ratio check and details of seismic design are mentioned in this paper.Some questions regarding to the mechanical properties and further research of staggered floor frame structure are also raised in this paper.

Staggered floor structure;Displacement ratio;Details of seismic design

李熹(1988.06-)，男，工程師。

E-mail:499261156@qq.com

2016-01-12

TU3

A

1004-6135(2016)05-0038-04