某局部错层多层框架结构的分析

胡剑枫

摘要：简要介绍了某局部错层多层框架结构的结构布置，并对旋转坡道的建模、错层柱设计重点难点进行了分析，采取了一些优化设计和加强措施，为类似工程提供参考。

关键词：框架结构；错层柱；旋转坡道；结构设计

引言

随着经济社会的持续发展，人们对自身的生存空间和居住环境的重视程度与日俱增，因此种类繁多的建筑形态呈现在我们面前，错层结构就是其中一种。特别是在公用建筑中，错层结构可以满足人们对动静分区的需要，也正是因为错层结构具有空间的特殊性，才能达到建筑的层次感，当不能采用分缝等方法时，错层就成了一种常见的空间处理方法。

但同时错层结构对结构抗震也带很多负面影响，原因主要有两方面: (1) 错层能使结构形成短柱短墙，造成结构刚度或延性的突变，从而引起强烈地震的破坏; (2)错层能使结构的楼板不连续，削弱了楼板协调结构整体受力的能力，导致建筑的平面或立面布置不规则，从而引起结构的质量分布和刚度变化不均匀。 因此结构设计工作者必须对其进行深入的研究，以确保工程建筑的安全，并能更好的满足社会经济发展趋势的要求。

一、工程概况

本项目位于大湾区某大学学府，属于一组大型综合书院公共建筑群中的一个单体，建筑功能主要为食堂。本项目地上2 层，首层为就餐空间，局部架空设置卸货区及设备机房；二层及屋面设置室外露台就餐空间，总建筑面积约为6000 m2，平面上为西南角位置的类三角椭圆形建筑。

本项目外围边界和柱网由多段圆弧连接而成，逐层收进形成悬挑的大屋面，立面以白色混凝土和深灰色玻璃塑造轻盈螺旋上升的漂浮体量。如图 1、图 2 所示，屋面最高点结构标高为 15.0m，屋顶为西北低、东南高的单坡屋面。

图 1 建筑三维视图

项目中部为敞开内部庭院-植物园，二层主入口（标高5.500）旁设置有两座人行旋转坡道，绕二层食堂周围旋转上升，连接起二层半平台（标高10.450）及屋面（标高12.500~14.500）。

图 2 建筑剖面图

二  结构计算分析

本项目结构设计使用年限为 50年，建筑结构安全等级为一级; 抗震设防类别为标准设防类; 地基基础设计等级为乙级; 基本风压值为 0.80kN/m2 ，抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0．10g，设计地震分组为第三组，场地土类别为Ⅱ类。

2.1 结构布置

结构体系为框架结构，框架抗震等级为三级。建筑食堂区域柱网间距为 4m~10m(径向)×6m~10m(轴向) ，采用直径为650~750mm的圆柱。二层主要结构如图 3所示，其中柱凝土强度等级为C40，梁板混凝土强度等级为C30。主要框架梁尺寸为 300 × 700，400×800，500×800。因为立面线脚要求，二层西北向大跨度混凝土悬挑梁的梁高不宜过大。为控制悬挑梁的挠度和裂缝，根据受力情况对实际悬挑跨度不小于 6.5m 的梁施加预应力，预应力范围内梁板混凝土强度等级为C40，。

图 3 二层主要结构布置图

2.2 坡道结构

如图4所示，旋转坡道由二层起，上至二层夹层平台及屋面。坡道采用框架结构，坡道的外圈立柱支撑于二层楼面梁，内圈柱为主结构的框架柱。由于坡道结构与主体结构错层高差超过了梁高，应按实际标高进行建模。采用[错层斜梁][上节点高]方式对坡道结构建模，进行整体计算( 图 5) 。

图 4 坡道建筑平面图

图 5 坡道部位结构模型示意图

2．3 错层柱及穿层柱

由于建筑方案原因，二层至屋面的框架柱大部分为错层柱或穿层柱。错层构件的受力复杂，容易造成多处应力集中。加上框架错层构件更容易形成长、短柱沿竖向交替出现的不规则体型。故进行抗震设计时将项目的错层柱和穿层柱的抗震等级提高为二级，圆形框架柱直径不小于700mm，混凝土强度等级提高为C40，箍筋全长加密配置以提高其抗震承载力和延性。参考文献[2]10.4.5条验算错层柱和穿层柱在设防烈度地震（中震）作用下性能水准2的设计要求（中震不屈服），配筋结果如图6所示。错层柱和穿层柱在中震作用下的受剪截面、抗弯抗剪承载力均满足规范要求。与小震作用下配筋结果对比：中震作用下箍筋计算结果与小震作用计算结果相近，中震作用下竖向纵筋计算结果约为小震的2倍。

图 6 中震作用下柱配筋图

2.4 主要计算指标

结构的整体计算分析采用北京构力科技有限公司编制的 PKPM(V5 版) 结构分析程序。结构计算考虑偶然偏心地震作用、双向地震力作用、扭转耦联及施工模拟工况进行结构计算。由于坡道结构原因，项目仅局部存在错层构件，并不属于错层结构。参考文献[2]10.4.3条：为了保证结构分析的可靠性，整体计算时坡道结构所在的楼层采用刚性楼板假定，主要计算指标见表 2。

表2 结构计算的主要结果

计算程序		PKPM
结构自振周期(s)		T2 = 0.6274(X)
		T1 = 0.7222(Y)
		T3 = 0.5125(T)
第1扭转周期/第1平动周期		0.709
有效质量系数	X向	99.93% > [90%]
	Y向	99.95% > [90%]
最小剪重比	X向	4.56% > [1.60%]
	Y向	4.48% > [1.60%]
最大层间位移角	X向	1/1284 < [1/550]
	Y向	1/1173 < [1/550]
最大位移比	X向	1.43 < [1.50]
	Y向	1.35 < [1.50]
最大层间位移比	X向	1.43 < [1.50]
	Y向	1.40 < [1.50]
刚重比	X向	59.61 > [10]
	Y向	59.30 > [10]

由表 2 可以看出，结构第 1 扭转周期与第 1 平动周期之比 0.71 ＜ 0．90，满足规范要求; 结构在多遇地震作用下的结构层间位移角满足规范 1 /550 的要求;楼层最大位移/层间平均位移的比值不大于 1．5，满足规范要求; 基底剪重比均大于 1．6% ; X和Y方向的有效质量系数均满足规范不小于 90% 的要求。以上数据显示，结构方案比较合理，

各项指标均满足设计要求。

对照结构超限审查表［3］( 对照表略) ，本项目有以下一般不规则项: 扭转不规则( 第 1a 项，最大扭转位移比为 1．43) 和局部不规则( 局部穿层柱、错层柱)，合计为两项，无特别不规则和其他不规则项，不属于超限工程。

三、抗震加强措施

     根据计算分析，结构设计时采用以下加强措施：1、加大坡道结构与主体结构外围位置和重叠位置的梁柱截面，以尽量减少扭转效应。2、根据建筑方案特点，主体平面悬挑段与坡道平面有局部重叠部分，可以在相应高差合适位置增加梁加腋或梁合并做法（如图7所示），避免形成短柱以减小错层对柱子的影响，能有效改善结构抗震性能。3、由于本项目仅为多层框架，错层柱受剪截面和箍筋配筋按中震不屈计算结果和小震计算结果的包络值，竖向纵筋仅按小震计算结果。

图 7 高差处梁加腋和梁合并做法

四、 结语

本文介绍了某局部错层多层框架结构的结构设计，从结构体系与布置、关键构件设计等方面对设计要点进行了描述。初步设计时采用相应布置减小结构的扭转效应，对错层节点处采用了梁加腋措施。计算指标显示，结构方案合理。本文可为类似工程提供参考。

参考文献：

［1］ 建筑抗震设计规范: GB 50011—2010［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2010．

［2］ 高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2011．

［3］王硕. 对错层处形成短柱的框架结构抗震性能分析 [D] . 太原理工大学, 2014. ［4］徐张伟. 多高层错层结构受力性能研究 [D] . 安徽建筑大学, 2017.