高层建筑错层结构设计难点分析

高层建筑错层结构设计难点分析

彭炎德

重庆市设计院有限公司  重庆  400015  

摘要：随着建筑使用功能要求的逐步提高，错层结构应用越来越广泛。如果错层结构的设计不合理，有可能会引发建筑整体结构刚度和延性的突变，进而导致建筑在地震中结构受损严重。本文首先阐述了高层建筑错层结构的定义，其次分析了高层建筑错层结构设计可能存在的问题，并提出了几点对策，以期为结构设计提供一定参考。

关键词：高层建筑；错层结构设计；分析

引言

建筑设计中经常采用错层来活跃建筑的功能布置，错层建筑可以利用不同的层高区分不同功能的空间，具有注重人性化体验、实用性较强、空间感强烈等优点，受到了越来越多人们的追捧。错层结构侧向刚度不规则，会造成结构刚度和延性的突变，对抗震极为不利，结构设计时宜避免采用错层高层建筑，有错层时也宜采用防震缝将错层划分为独立的结构单元。当高层建筑必须错层结构布置时，应避免因为结构设计不合理而影响建筑工程质量，缩短高层建筑使用寿命，威胁居民人身财产安全。

1、高层建筑错层结构的定义

当相邻楼盖结构高差超过梁高时可确定为错层结构，此处的梁高应是楼层梁的代表性高度，并不是错层处的梁截面高度。错层结构类型多，情况复杂，仅个别楼层或错层范围较小的结构可以不被认定为是错层结构。在高层建筑设计中运用错层结构，能够使功能多样化的需求得到满足。但是，错层结构受力复杂，平面和竖向均为不规则，应从概念和构造上加强处理，确保错层结构设计的安全。

2、高层建筑错层结构设计存在的问题

2.1结构规则性问题

错层结构本身具有竖向不规则的特征，结构抗震能力差，很多错层结构在设计时同时存在扭转不规则、平面凹凸不规则等复杂情况，使得建筑物抗震性能进一步削弱。针对错层结构，首先要对抗侧力构件布置进行充分考虑及验算，尽量保证结构刚度合理分布，地震时很多错层结构的应力集中于建筑的错层位置竖向构件，造成应力集中，很容易成为结构的薄弱部位。因此设计时需要充分考虑到错层结构本身的不规则性问题，在设计时让错层两侧结构布置和侧向刚度尽量相近，采取必要措施（如错层避开柱、楼板加腋、梁加腋等）减少错层对竖向构件的不利影响，并同步改善错层处竖向构件的承载能力和延性，以提高建筑物的整体抗震性能。

2.2结构分析计算

错层结构中，为了保证结构分析的可靠性，计算模型应根据实际标高按各自楼层分别建立，错开的楼板不应归并为一个刚性楼板，采用符合实际工程假定的楼板单元进行整体分析计算，并对分析计算结果进行合理性判断，以保证结构计算结果真实可靠。值得注意的是，因为错层结构在计算模型建立时，柱计算长度不同，柱层间位移统计时误差相对较大，造成错层结构的位移比计算结果可能与实际情况有偏差，建议结合计算结果采取手工复核的方式进行确定。

2.3使用方面的问题

错层建筑的层高与普通建筑相同，但不同功能的使用空间不在同一平面上。显然，这种方式有助于提高空间利用率，拓宽建筑物的使用功能，使建筑物内部空间更加简洁美观。但客观而言，这种建筑模式并不适合老年人、儿童和特殊群体，因为错层结构的空间错位感会给上述群体的生活带来极大不便，甚至会危及人身安全。

3、高层建筑错层结构设计措施

3.1设置贯通层，提升结构的稳定性

在任何建筑结构的设计中，都应当要保证建筑结构的稳定性，错层结构也不例外。在高层建筑工程错层结构的设计中，最常用的一种提升结构稳定性的可行方式就是通过设置一定量的贯通层来提升结构的稳定性。简单来说，贯通层的设置方式是：每隔几层错层楼层即设置一层非错层楼层。换言之就是说，在错层楼层之间规律地穿插上非错层楼层，从而有效减小错层处的负荷及控制各部分的变形。需要注意的是，错层楼层数并非随意确定的，而应当在设计时先对每段之间的错层楼层数进行科学分析和估算，然后再根据估算结果进行合理的确定。另外，在设计过程中还需要结合实际情况适当地加大板厚及提高配筋率，或是设置贯通钢筋，从而进一步提升贯通层的性能。实践发现，在某建筑工程错层结构中设置了贯通层之后，有效增强了该建筑工程的结构稳定性。

3.2做好错层结构的抗震设计

在错层结构的抗震设计优化中，需要结合高层建筑物的实际情况进行分析。其一，将底部错层框架柱的轴压比控制在合理范围内。其二，错层结构会使得穿层柱及短柱数量增加，进而提高了相关楼层在地震中所需承受的剪力，因此有必要优化错层框架柱的抗震承载力。其三，设计师可以通过弹塑性时程分析错层结构在地震中的实际受力情况，寻找结构薄弱点并加以改进。

3.3合理布置竖向抗侧力构件

在错层结构设计过程中，设计人员对竖向抗侧力构件应进行重点把控，主要针对平面的对称性和抗侧力构件的承载力重点设计。首先，针对建筑布置的对称与规则性，在布置抗侧力构件时尽量均匀对称布置，促使抗侧力构件的重心与刚心基本重合，尽可能减少结构布置带来的扭转问题。另外，设计人员尽可能利用建筑筒体布置成抗侧力构件，减少短肢剪力墙，避免形成短柱，继而提升抗侧力结构的整体刚度和稳定性。再者，针对错层部位剪力墙及框架柱提高其抗震构造措施，加强其延性，保证错层处框架柱满足设防烈度地震作用下中震不屈服，当错层处的框架柱不满足要求时，应采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱。

3.4高差处设计

当上楼板和下楼板之间的高差大于500mm时，结构设计时应当结合框架梁具体布置情况进行适当分析，并采取一定措施以尽量避免出现短柱等问题。为保证楼层水平力的有效传递，可采取梁加腋，变截面梁等形式改善水平剪力传递至竖向抗侧力构件。同时对高差处梁柱加强构造措施，若为高差处大梁还应增加截面厚度，增设抗扭纵筋以及箍筋，提高错层梁在水平力作用下的抗扭承载力，以保证楼层水平剪力的有效传递，增强整体结构的抗震承载能力。

4、结语

综上所述，虽然高层建筑工程错层结构存在着很明显的优势之处，例如其可以更好地提升建筑的使用性和空间性，并满足现代人对使用功能的多样化需求，但同时其缺点也很明显，尤其是抗震能力相对较差及受力情况复杂，设计时必须引起足够的重视。所以，在高层建筑工程错层结构的设计过程中，结构方案布置前要先深入分析存在的问题，再根据实际情况采取合理有效的结构布置方案，严格把握好相关的设计要点，针对性地提高相关构件的抗震承载力，以切实保障设计方案的科学性与合理性，进而保障高层建筑工程的质量与安全。

参考文献：

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[2] 李强，韩娜娜，崔崟.建筑工程错层结构设计若干问题思考[J].北方建筑，2020，5(1)：26-29.

[3] 李叶.高层建筑错层结构存在问题及对策[J].江西建材，2021（6）：56，58.