程江鵬

（廣東省鐵路規(guī)劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，錯層結構以其使用功能及空間效果方面的優(yōu)勢，越來越廣泛地應用于民用建筑中，受周邊環(huán)境及工程條件的影響，也會出現在工業(yè)建筑中。但這種建筑形式對結構設計者來說是一種不規(guī)則的結構體系[3]。該文通過查閱規(guī)范規(guī)定和實例建模，對比了錯層框架結構的受力特性和建模方式，并對設計建模過程中的問題進行了說明。

1 錯層結構的概念

根據《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年版，簡稱《抗規(guī)》）的規(guī)定，對較大的錯層，如超過梁高的錯層，需要按樓板開洞對待；當錯層面積大于該層總面積30%時，則屬于樓板局部不連續(xù)[3]?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》（JGJ 3—2010，簡稱《高規(guī)》）規(guī)定，相鄰樓蓋結構高差超過梁高范圍的規(guī)定，宜按錯層結構考慮，結構中僅局部存在錯層構件的不屬于錯層結構，但對錯層構件進行設計時宜參考錯層結構的規(guī)定[4]。錯層結構需要同時滿足以下2 點：1）同層樓蓋不在同一高度，相鄰樓蓋結構高差超過梁高范圍（主梁代表性截面高度）。2）錯層面積不小于整個樓層面積的30%。

2 錯層結構的受力特點

首先，由于樓板不連續(xù)，錯層結構的兩側樓板間缺少了直接的傳力途徑，因此會使構件內力分配及地震作用沿層高分布更加復雜，在這種情況下進行統(tǒng)計指標時就不能將錯層處樓蓋再簡化為一個平面剛體，而應考慮錯層對指標統(tǒng)計的不利影響?！犊挂?guī)》和《高規(guī)》中關于錯層結構的相關要求見表1。其次，錯層處會形成不利于抗震的短柱，短柱的抗剪驗算為關鍵控制環(huán)節(jié)，設計時應高度重視，并要考慮錯層對結構的不利影響。

表1 錯層結構的相關要求

3 錯層結構的受力分析

首先，當不滿足錯層結構概念一時，錯層小于梁高，無論錯層面積是否比整個樓層面大30%，都可以對模型做合理的簡化，按平層來計算。為保證樓蓋能連續(xù)地傳遞水平荷載，在工程實際中，可以對錯層處標高較高的樓面梁進行如圖1 所示的加腋處理。

圖1 梁加腋大樣

其次，當僅不滿足錯層結構概念二時，錯層面積小于整個樓層面積的30%且錯層大于梁高時，此時雖不屬于嚴格意義上的錯層結構，但錯層處形成了實質性的短柱，對錯層構件進行設計時宜參考錯層結構的規(guī)定。

再次，在錯層結構中，錯開的樓層不應歸并為一個剛性樓板，應采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型。對平面規(guī)則結構而言，可以按照剛性板假定來簡化計算模型，此時統(tǒng)計指標和構件計算的模型可以采用相同的剛性樓板假定。而對平面不規(guī)則結構來說，樓板的面內剛度對結構的內力計算會有顯著影響，在計算前需要對計算參數和特殊構件屬性做合理設定。當錯層處高差和梁高很接近時，桿元模型精度已經觸及了力學模型幾何精度的邊界，此時應采用更加精細的殼元模型假定，否則錯層處短柱的抗剪能力將會被高估，導致設計出現不安全因素。因此為了真實地考慮錯層的影響，需要在盈建科軟件中進行設定，見表2。

表2 樓板、梁屬性設定

4 錯層結構的案例分析

下面就做過的一個錯層的框架結構進行分析計算，采用3 種建模方式，并對比找出合適的建模方案。

4.1 工程概況

某綜合交通樞紐一體化工程集鐵路站房、地鐵、長途大巴及市內公交為一體。地下3、4 層為地鐵，地下1、2層為城市地下空間，1 層為長途候車廳和公交候車廳，2 層為既有鐵路站房軌道橋梁結構，鑒于橋梁結構的影響，橋下候車廳需要按錯層結構來設計。建筑方案如圖2、圖3所示。

圖2 建筑效果圖

圖3 錯層結構典型剖面

4.2 對比模型

該工程為小型站候車廳，抗震設防類別為丙類，結構安全等級為二級，設計施工年限為50 年，耐久性設計使用年限為50 年。該工程抗震設防烈度為6 度，建筑高度為6.4m，錯層高度1.8m，選用框架結構體系，并采用3 種建模方式反映錯層對整體結構的受力影響（見表3）。采用盈建科結構設計軟件進行結構空間整體分析，計算時3 個模型均同時考慮偶然偏心及雙向地震，其中樓板和梁的屬性按表2 進行設定。

表3 3 種錯層結構建模方式

從組裝后的模型可以看出，模型1（如圖4 所示）按一個標準層建模，柱子的計算長度為實際計算長度；模型2（如圖5 所示）按2 個標準層建模，柱子節(jié)點增多，柱子的計算長度被隔開；模型3（如圖6 所示）按2 個標準層建模，柱子的計算長度為實際計算長度。

圖4 模型1

圖5 模型2

圖6 模型3

通過盈建科軟件進行分析計算，指標匯總情況見表4。模型1 指標滿足規(guī)范要求，模型2 的剛度比和位移比超限，模型3 的剛度比、樓層受剪承載力、位移比超限。因為模型3 的建模方式導致首層的柱子只有6 根，其他柱為二層柱，所以樓層受剪承載力不滿足規(guī)范要求與建模方式有關。模型2 和模型3 在修改前處理了樓層信息中的指標統(tǒng)計層號，因此在設計結果中，指標統(tǒng)計合并層中的剛度比和樓層抗剪承載力驗算均滿足規(guī)范要求。

表4 指標匯總

該文針對該工程，通過3 種不同建模方式對主要控制指標和設計結果進行對比，得出以下結論：

按模型1 計算，指標匯總滿足要求，無薄弱層定義，錯層處柱子計算結果偏于不安全。

按模型2 計算，剛度比不滿足要求，軟件定義首層為薄弱層。在地震工況下，所有柱子調整后的內力會乘以1.25 薄弱層調整系數，實際上兩側6.4m 高柱子為一層，不需要經過薄弱層調整，因此實際需求配筋小于計算需求配筋，錯層處定義為2 層，考慮薄弱層的調整比較合理，此時計算結果偏于安全。

按模型3 計算，剛度比和樓層受剪承載力不滿足要求，軟件定義首層為薄弱層，此時僅錯層處柱子在地震工況下乘以1.25 薄弱層調整系數，兩側6.4m 高柱子按一層計算，未定義為薄弱層，此時計算結果符合實際受力。

4.3 錯層結構的抗震構造措施

由于目前對地震作用結構效應的認識有較大的局限性和模糊性，僅通過將地震作用假定為一種外加荷載施加在結構上，和未來可能發(fā)生的真正的地震作用下的結構效應有一定差距。因此，為滿足結構的安全性及可靠性要求，應當加強概念設計。

4.3.1 錯層結構處盡可能加腋處理

為保證樓蓋能連續(xù)地傳遞水平荷載，在工程實際中，需要盡可能地對錯層處的樓面梁進行加腋處理，并相應加強錯層兩側樓板的板厚及配筋。

4.3.2 錯層結構平面布置宜盡量規(guī)則

如果錯層結構的兩側樓板間缺少直接的傳力途徑，會加劇樓層的扭轉。設計過程中應盡量采用平面規(guī)則的結構形式，或通過合理地布置結構構件，使建筑的形心與結構的剛度中心盡量重合，以減少扭轉的影響，將錯層結構帶來的不利影響降到最低。

4.3.3 加強錯層處短柱抗剪切破壞能力

錯層結構必然會形成長短柱，這種結構形式對承擔豎向荷載基本沒有不利影響。但在水平荷載作用下，短柱容易發(fā)生剪切破壞，結構設計中需要避免這種脆性破壞。設計過程中可以通過增加錯層處短柱截面尺寸、提高短柱混凝土強度等級、柱內設型鋼、設置復合箍筋和縮小箍筋間距等措施，改善短柱的抗剪切破壞能力。

5 結語

錯層小于代表性梁高時，無論錯層面積是否比整個樓層面大30%，此時都可以對模型做合理的簡化，按平層來計算，并對錯層處標高較高的樓面梁進行加腋處理。

錯層大于代表性梁高時，錯層面積比整個樓層面小30%，此時雖不屬于嚴格意義上的錯層結構，但錯層處形成了實質性的短柱，進行錯層構件設計時宜參考錯層結構的規(guī)定。

錯層結構應合理定義梁板屬性，板屬性定義為彈性膜，錯層處梁定義為殼元梁，采用模型2 或模型3 的方式建模更加安全。