高層建筑錯層結構存在問題及對策

王小倩 楊杏歌

摘 要：錯層結構是指基于建筑功能的需求而設計的樓層結構不在同一高度的結構形式。在現代建筑設計中，建筑師為了提高室內設計的空間感，擴大室內的私密空間，往往會在建筑室內設計具有一定高差的空間功能區域，比如兩戶空間之內設計半層高差，以保證每戶都能夠獲得互相獨立的空間，大大提高了建筑空間的利用率。本文立足于高層建筑教學角度，分析了高層建筑錯層結構存在問題及對策，希望具有一定參考價值。

關鍵詞：高層建筑;錯層結構;有效設計

引 言：錯層附近由于存在復雜的豎向抗側力結構，因此極易形成應力集中部位。相比于普通結構，錯層結構具有結構水平剪力差、應力集中部位多、結構抗震性能差等特點。其中結構水平剪力差是由于結構設計不規則所致。

1超高層建筑結構設計的特點

超高層建筑是指建筑達 40 層以上，高度達到 100 以上的建筑，超高層建筑已經成為衡量建筑水平的重要標志。超高層建筑設計及技術通常都相對復雜，也是一項非常嚴謹的工作，在施工過程中不僅要做好安全保障，同時也要做好整體結構的科學布局。

超高層建筑結構設計的關鍵和核心內容是通過抗側力構件來提高整個結構的延性，因為在超高層建筑結構設計過程中，不僅要考慮水平承載力，還要充分考慮建筑各方面的荷載，也包括豎向承載力。超高層結構主要考慮水平抗力?，F階段超高層建筑日益增多，如何保證超高層建筑的抗側力，提高整個建筑的舒適性顯得尤為重要。只有有好的結構方案，才能有效地保證建筑物的舒適性。因此，在設計過程中，必須對各種結構方案進行充分的比較和選擇，在盡可能滿足建筑使用功能和建筑效果的前提下，應考慮結構安全性和經濟性的合理性。在設計高層建筑結構的平面時，盡量使建筑物之間保持安全的防火距離。在人員集中的區域，應保持良好的人員疏散條件以便將人群及時疏散。合理地對超高層建筑進行布局的條件下，也要滿足基本使用功能，將設計標準統一，實現超高層建筑中設計技術的標準化要求。除此以外，在超高層建筑進行平面設計階段，為應對風、地震等安全風險，要合理規劃建筑內的交通路線，對樓梯的數量和位置進行合理安排，將基礎設施最大限度的利用，提高效率和安全性因素。

2 高層建筑錯層結構存在的問題及分析

在實際居住時，雖然錯層結構中層高相同，但是建筑空間并不處于同一個層次，不同的使用功能空間處于不同的平面。這種設計可以大大提高建筑室內的空間利用率，使得建筑更具美感。但是空間的錯落又會給老人、孩子帶來生活上的不便。如果建筑面積過小，則會降低錯層結構的經濟適用性，增加建筑成本。在實際結構設計時，錯層結構構件內力分布十分不均，其主要問題在于圈梁閉合難度大，很難抵抗水平荷載;頂層溫度變化過大，墻體之間存在較大的強度差異等。圈梁閉合難度大主要是由于錯層結構的功能空間處于不同的平面，門窗洞口高度不穩定，門窗洞口的位置可能會與圈梁的位置重合，特別是外縱墻、樓梯間等部位，這些問題更加突出。因此，錯層結構的圈梁閉合比較困難。

在常規的建筑設計中，建筑的整體布局均勻且對稱，要盡量避免結構不規則或突變情況，這樣才能保證建筑結構的抗震性能，從而保證建筑整體的安全性與穩定性。但是錯層結構卻未遵循這一設計原則，樓板錯層不連續，一旦發生地震，這種不規則結構就會產生更大的剪切應力及彎曲應力，結構承載荷載的性能就會下降，最終影響到結構的穩定性。此外，頂層溫度的變化也是錯層結構設計的難題之一。錯層結構頂層溫差過大會導致建筑溫度應力增加，由于溫度應力的影響而產生更多的彎曲應力及剪切應力，結構構件的承載力負擔也會隨之增加，最終導致結構的安全性、穩定性受到影響。

3高層建筑錯層結構設計策略

3.1做好防風措施

超高層建筑是一個城市或者地區的標志之一，其科技感和美學都代表著城市的發展。超高層建筑其耗資量巨大，建設周期長。隨著時代的不斷發展，超高層建筑的結構設計發生了很大的變化。雖然我國在超高層建筑結構設計方面取得了一些成績，但在具體的發展過程中還存在一些問題?，F在超高層建筑的結構設計已經成為高層建筑設計的核心內容，這說明超高層建筑的結構設計如果不及時解決結構設計中的一些問題，這將嚴重阻礙超高層建筑的發展。

高層建筑會受到較大風荷載的影響。所以，在設計超高層建筑時，一定要重視防風措施的建設，尤其是超高層建筑的頂端，超高層建筑的頂端承受的風壓最大，可以通過加強梁柱或鋼結構的設計，來提高超高層建筑的抗風性。在建筑設計的早期階段，針對超高層建筑的具體情況進行分析。根據當地最大風壓，設計風壓圖，做好風壓措施。超高層建筑物的高度影響了結構抗側剛度趨于變柔阻尼降低。建筑形態的空氣動力學優化，減小結構風荷載和控制建筑結構的剛度。超高層建筑結構設計應選取適當的平面形狀，一般高層建筑都采取矩形平面設計，但是超高層建筑采取矩形結構不利于抗風。相對而言，圓形、橢圓形、三角形等是很好的選擇。與此同時也要注意角部的修正，圓形化、倒角、削角為主要形態。角部修正改變切曾的流動性，促使分離流再附，減小尾流寬度，從而有效降低阻力。

3.2增強消防設計水平

3.2.1合理做好總體布局和防火分區。在設計總平面圖時，掌握建筑與周邊建筑物的間距和車道，這也是建筑設計時首要考慮的重要因素之一，合理的平面布置圖，可以有效地緩解救火的壓力，同時對火勢的蔓延和發展具有阻礙的作用。防火分區的設置也能阻止火災的繼續蔓延，防火卷簾門分布到各個防火分區，每個分區都要安裝防火門自動開關設備，在防火卷簾門安裝時，卷簾與房梁、墻面不得留有縫隙，充分發揮其防火阻燃的作用，最大限度降低火勢蔓延的速度。

3.2.2確保建筑物耐火能力。一類高層建筑物的耐火等級為一級，二類高層建筑物的耐火等級不得低于二級。所以，在超高層建筑防火設計時，應確保防火等級。嚴格遵守建筑的防火等級的設計，建筑物發生火災時，會為人員疏散提供更多的時間，降低建筑物的損壞程度，減少人們的財產損失。超高層建筑過程中不僅要對建筑的主體結構做好防火要求，后期的墻面和裝飾裝修都要做好防火要求。

3.2.3自然排煙設計和安全疏散設置的設計。大量的高層建筑火災的發生證明了一個道理，煙也是火災中最大的影響因素，因此，排煙設計也是消防設計中一項應該重點考慮的環節。而自然排煙是相對經濟操作又簡單的排煙方式。由于樓梯間存在著煙囪效應，煙霧充滿樓梯間時，人們無法安全疏散，而且排煙窗應該設計在墻面上方的位置，同時要方便人們開啟。

3.3合理受力及變形弱化錯層問題

首先，在進行錯層結構設計時，高差通常設置在一個方向，而另一個方向不存在高差，因此可以在錯層方向適當增加豎向抗側力構件。由于錯層結構體系主要根據豎向抗側力構件剛度，分配各個豎向構件水平荷載，在有高差的方向設置框架柱，不僅可在某種程度上減少錯層處框架承擔的水平力，弱化錯層結構存在的問題，而且能夠避免錯層結構處框架形成短柱，能夠有效改善錯層處框架柱的抗震延性。其次，在錯層結構設計時需要注意，錯層處高差越大，錯層樓板的水平位移差也會隨之增加，并增加結構的整體水平位移。施工過程中錯層處高差無法改變，為避免上述問題，就需要嚴格控制整體結構的水平位移限值。例如，在錯層所在方向布置適量的剪力墻，減少錯層方向的水平位移，建筑整體的抗震性能也會隨之改善。最后，錯層處樓板的高差會導致樓板平面剛度下降，高差突變處發生應力集中的幾率也會高，因此，需要嚴格控制整體結構的扭轉位移比，避免結構扭轉時，由于上下樓板剛度中心不同而導致樓板平面產生翹曲變形。在計算錯層結構受力情況時，也不能采用剛性樓板結構計算模型。此外，水平折板相對柔性，整體結構體系發生扭轉效應時，會導致錯層應力集中范圍擴大。因此，要嚴格控制錯層結構的扭轉位移。結構設計盡量采用對稱布置，或者加強外圍豎向側力構件的抗側剛度及強度弱化扭轉效應等。

3.4提高錯層構件的剛度與強度

由于錯層處上下樓板不可避免地存在位移差，因此，可以通過提高錯層構件的剛度與強度來增加受扭框架梁的強度。對上下樓板間高差不超過50cm的錯層結構，由于高差較低，上框架梁底一般會直接搭接于下框架梁頂，因此，在上下梁之間就不會出現高差空隙，通過短柱強行傳遞水平荷載，上層框架梁底與下層樓板底平可直接傳遞水平荷載。錯層結構高差越小，上下樓板間的位移差也就越小，此是再配置一定量的抗扭縱筯及箍筋，即可提高結構的抗扭能力。對上下樓板高差大于50cm的結構，由于上框架梁底遠遠高于下框架梁頂，兩層框架梁之間存在脆性較大的短柱，加之高差過大，需要用框架短柱協調上下層樓板產生的位移差。針對這種情況不能僅僅是加強錯層處框架梁的抗扭剛度，還必須改善短柱的力學性能，或者在上框架梁加腋來消除短柱，加腋部分底面要與下樓板底平，才能保證在上下兩層樓面之間直接傳遞水平荷載。為保證連接的可靠性，錯層部分梁可采用加腋的辦法，加腋斜度可取1：2，以減輕加腋自重，減少材料浪費，避免占用過大空間。當然上框架梁加腋無法消除框架梁的扭轉效應，尤其是間距較大的支座框架柱，針對這種情況，可以在兩個框架梁之間，設置非框架梁加腋，調節上下樓板的變形差。

結論：

綜上所述，高層建筑錯層結構設計受力復雜，在錯層程度較小的情況下容易被忽視，因此，在結構設計過程中，要重視對錯層結構的分析，合理分析錯層結構的受力特點，充分考慮各構件的實際協同作用及結構概念設計，分析結構的實際受力情況，采用科學、可靠的計算方法和有效的構造措施，以提高建筑結構整體的安全系數，保證建筑結構的穩定性。

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