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错层结构设计探究

本文分析了错层结构的受力特点,以工程案例为引,提出了有代表性的解决方法,回顾有关错层结构的规范条文要求及部分设计经验,最终总结归纳了错层结构的分析思路,为设计师朋友们带来参考。


一、概述

近年来,错层结构广泛应用于住宅和商业建筑中。但其竖向不规则的特性也为结构抗震带来新的挑战。一般而言,由于楼板布置不均匀不对称,以及质心和刚心不重合引发扭转;错层楼板不连续,引起结构整体地震作用复杂分布,结构构件内力分配异常[1]。因此,错层结构在建模、计算、出图等阶段均有异于层关系清晰的普通结构。本文将对分析错层结构整体指标和构件内力特点做原理性探索,分析其对构件设计的影响,以工程案例采用PKPM软件设计参数取值的注意事项呈现遇到该问题的解决思路;回顾规范要求与目前的经验做法,归纳出错层结构分析设计的思路。


二、错层的原理分析

图 1 某错层结构

在结构设计中,梁单元、柱单元、墙单元等必须有明确的连接关系,这就是构件之间的连接节点。错层结构的复杂性在于其连接节点的设计。图1的结构,是一个左边三层、右边两层的框架,在计算分析中,会被简化为图2,相较于非错层结构而言,存在:

(1)楼板不连续,梁板在按照刚性楼板假定进行整体指标分析时,竖向不规则,造成地震作用分布不均;

 

(2)竖向构件被打断,柱位于错层连接处,被打断为短柱,以斜压破坏为主,体现为构件剪压比超限,实际中容易发生短柱压碎。此外,柱因按层概念建模,也被多加节点,在设计软件中按跃层柱分析[2]

图 2 某错层结构简化的分析模型


2.1宏观指标对比

为了对比错层结构的整体指标(周期、位移比、剪重比),现取一个非错层且轴网构件截面尺寸一致的对照模型做观察。两模型的外形情况对比如下图所示。

图 3 某错层结构简化的分析模型



经过分析计算,两个结构的周期呈现为T错层结构周期<T非错层结构周期,两结构的总质量为M错层>M非错层。根据周期T与质量M,刚度K的关系,可以推导出K错层>K非错层。错层结构在周期成分中表现为非对称扭转。

层间位移角是控制结构的侧向刚度的重要指标,结构侧向产生过大的位移会影响承载力。分析中以刚性楼板假定为基础的宏观指标,按弹性方法计算风荷载或地震标准值下的楼层层间最大水平位移与层高之比:

这里用于观察两个模型的侧向刚度情况。此外,我们再分析来看结构竖向的规则性,采用层间刚度比指标找出错层结构的特点。

错层结构层间位移角与层间刚度比 表1



非错层结构层间位移角与层间刚度比(单位:mm)表2



对比错层结构的左侧1~2层与非错层结构的1~2层,错层结构的侧向变形比非错层结构更小,具有较高的侧向刚度。这也印证了错层结构的周期小于同等条件非错层结构的结果。侧向刚度大并不意味着结构竖向布置规则,比较理想的状态是表2体现出的“结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化”(《高规》3.5.1[3])。通过侧向刚度比这一比值,可以看到错层结构从右侧楼层1至左侧楼层1处,侧向刚度比呈现增大趋势,且右侧楼层1处及为薄弱尚不能满足“本层与相邻上部三层刚度平均值比值不宜小于0.8的要求”(《高规》3.5.2[3])。

在结构的整体分析上来看,错层结构的周期偏小,侧向刚度较大,尤其在错层部位处侧刚较大导致结构整体竖向不规则。


2.2 构件内力对比

图 4 构件对比观察位置


为了分析错层与非错层结构的轴力、轴压比、剪力、剪压比,取柱位置处这些指标错层与非错层的比值,见表3。错层结构X向Y向的剪压比增大了1.3~2.5倍,尤其在柱上位置处。此外,柱上的轴力增长也带来轴压比增长,而柱下处轴力和轴压比变化不大。

 

柱处轴压比剪压比核算 表3

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