錯層框架結(jié)構(gòu)的實例建模設(shè)計分析

程江鵬

（廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)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(jié)構(gòu)以其使用功能及空間效果方面的優(yōu)勢，越來越廣泛地應(yīng)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(xiàn)在工業(yè)建筑中。但這種建筑形式對結(jié)構(gòu)設(shè)計者來說是一種不規(guī)則的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的受力特性和建模方式，并對設(shè)計建模過程中的問題進行了說明。

1 錯層結(jié)構(gòu)的概念

根據(jù)《建筑抗震設(shè)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010，簡稱《高規(guī)》）規(guī)定，相鄰樓蓋結(jié)構(gòu)高差超過梁高范圍的規(guī)定，宜按錯層結(jié)構(gòu)考慮，結(jié)構(gòu)中僅局部存在錯層構(gòu)件的不屬于錯層結(jié)構(gòu)，但對錯層構(gòu)件進行設(shè)計時宜參考錯層結(jié)構(gòu)的規(guī)定[4]。錯層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的受力特點

首先，由于樓板不連續(xù)，錯層結(jié)構(gòu)的兩側(cè)樓板間缺少了直接的傳力途徑，因此會使構(gòu)件內(nèi)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(yīng)考慮錯層對指標統(tǒng)計的不利影響?！犊挂?guī)》和《高規(guī)》中關(guān)于錯層結(jié)構(gòu)的相關(guān)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(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，設(shè)計時應(yīng)高度重視，并要考慮錯層對結(jié)構(gòu)的不利影響。

表1 錯層結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求

3 錯層結(jié)構(gòu)的受力分析

首先，當不滿足錯層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，但錯層處形成了實質(zhì)性的短柱，對錯層構(gòu)件進行設(shè)計時宜參考錯層結(jié)構(gòu)的規(guī)定。

再次，在錯層結(jié)構(gòu)中，錯開的樓層不應(yīng)歸并為一個剛性樓板，應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度變化的計算模型。對平面規(guī)則結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)來說，樓板的面內(nèi)剛度對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算會有顯著影響，在計算前需要對計算參數(shù)和特殊構(gòu)件屬性做合理設(shè)定。當錯層處高差和梁高很接近時，桿元模型精度已經(jīng)觸及了力學模型幾何精度的邊界，此時應(yīng)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(shè)計出現(xiàn)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(shè)定，見表2。

表2 樓板、梁屬性設(shè)定

4 錯層結(jié)構(gòu)的案例分析

下面就做過的一個錯層的框架結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)，鑒于橋梁結(jié)構(gòu)的影響，橋下候車廳需要按錯層結(jié)構(gòu)來設(shè)計。建筑方案如圖2、圖3所示。

圖2 建筑效果圖

圖3 錯層結(jié)構(gòu)典型剖面

4.2 對比模型

該工程為小型站候車廳，抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計施工年限為50 年，耐久性設(shè)計使用年限為50 年。該工程抗震設(shè)防烈度為6 度，建筑高度為6.4m，錯層高度1.8m，選用框架結(jié)構(gòu)體系，并采用3 種建模方式反映錯層對整體結(jié)構(gòu)的受力影響（見表3）。采用盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)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(shè)定。

表3 3 種錯層結(jié)構(gòu)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(guān)。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(shè)計結(jié)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(shè)計結(jié)果進行對比，得出以下結(jié)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(jié)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(diào)整后的內(nèi)力會乘以1.25 薄弱層調(diào)整系數(shù)，實際上兩側(cè)6.4m 高柱子為一層，不需要經(jīng)過薄弱層調(diào)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(diào)整比較合理，此時計算結(jié)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(diào)整系數(shù)，兩側(cè)6.4m 高柱子按一層計算，未定義為薄弱層，此時計算結(jié)果符合實際受力。

4.3 錯層結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施

由于目前對地震作用結(jié)構(gòu)效應(yīng)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(jié)構(gòu)上，和未來可能發(fā)生的真正的地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)有一定差距。因此，為滿足結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性要求，應(yīng)當加強概念設(shè)計。

4.3.1 錯層結(jié)構(gòu)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(yīng)加強錯層兩側(cè)樓板的板厚及配筋。

4.3.2 錯層結(jié)構(gòu)平面布置宜盡量規(guī)則

如果錯層結(jié)構(gòu)的兩側(cè)樓板間缺少直接的傳力途徑，會加劇樓層的扭轉(zhuǎn)。設(shè)計過程中應(yīng)盡量采用平面規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式，或通過合理地布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，使建筑的形心與結(jié)構(gòu)的剛度中心盡量重合，以減少扭轉(zhuǎn)的影響，將錯層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)必然會形成長短柱，這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計中需要避免這種脆性破壞。設(shè)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(nèi)設(shè)型鋼、設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)，但錯層處形成了實質(zhì)性的短柱，進行錯層構(gòu)件設(shè)計時宜參考錯層結(jié)構(gòu)的規(guī)定。

錯層結(jié)構(gòu)應(yīng)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。