PKPM中错层结构的分析设计

第1页共3页PKPM中错层结构的分析设计摘要：近年来建筑形式逐渐多样化，民用高层建筑中的错层结构愈来愈多地呈现出其在使用功能及空间效果等方面的优势。但错层由于平面和竖向均不规则，试验和研究表明，错层结构的抗震性能较差，因此在设计中，因尽量避免，尤其是高层结构，当无法避免时，在用PKPM软件计算和构造中均应采取有效的加强措施，本文就在PKPM中各种结构类型结构设计的错层结构的建模、计算分析、注意事项以及错层结构的方案选择和抗震构造措施做了简要的分析。关键词：PKPM错层结构建模方式计算分析1、引言错层结构是指在建筑中同层楼板不在同一高度，并且高差大于梁高或大于500mm的结构类型。从住宅类建筑设计角度看，楼板不在同一高度的住宅楼还可以分为复式住宅、越层住宅和错层住宅，但从结构设计角度看，都可以归并为错层结构。错层住宅能够使同一住户内动静分区，空间富有变化，增加了视觉的通透和层次感受，受到许多业主的追捧。工业厂房及配属的办公楼由于功能需要，也常常需要按错层设计。建筑结构中的现浇钢筋混凝土楼板在整体结构中起着协调竖向构件共同受力的作用，错层结构由于楼板不连续，会引起构件内力分配及地震作用沿层高分布的复杂化，错层部位还容易形成不利于结构抗震的短柱和矮墙，因此错层结构属于复杂多高层结构。带错层的结构在建模、计算、出图等各个设计环节上都有特殊性，错层结构同一楼层的楼板有不同的标高，各相邻楼层平面布置往往各不相同，很难形成一般意义的标准层，因而比平层结构的设计要困难得多。下边介绍错层结构设计分析中应注意的问题。2、错层结构的建模方式PKPM结构软件系三维软件，对错层结构的建模和计算是有利，依据建筑结构类型的不同可以采用不同的建模方式。2.1错层框架结构建模2.1.1修改梁标高方式这种方式适用于框架结构中仅有个别楼层个别房间错层的情况。PCMCAD建模程序提供了【上节点高】、【错层斜梁】、及单击鼠标右键快捷构件修改方式，都可以指定或修改梁两端的标高，使部分房间周边的梁与同楼层其他楼标高不同。执行【楼板生成】命令，自动生成楼板，且楼板标高总与周边梁顶标高对齐，使得这部分房间楼板标高与本层其他楼板标高不同，实现了错层设计。2.1.2增加标准层方式这种方式适用于框架结构中大量楼层大量房间错层的情况。如果仍然使用上述方式，虽然可行但修改调整的工作量太大，手工操作过于繁杂，而采用增加标准方式要简要便得多。在PMCADM模型输入时，结构层的划分原则是“以楼板为界”，通过增加标准层，将错层部分的楼板人为地分开，实现相同楼层梁板标高不同目的。这种用增加标准层建立错层模型的方式在工程中得到广泛应用。2.2错层剪力墙结构建模混凝土剪力墙错层结构也采用增加标准层方式，但与框架错层结构不同的是，由于结构中没有梁，不能以梁确定楼板的标高和位置；同时也不能以墙确定楼板的标高，因为墙在立面上是连续的不能定位。楼层标高应通过【楼板组装】命令在楼层表中设定，程序自动在指定标高处布置整层楼板，而错层结构中没有楼板的部分，可以用【楼板开洞/全房间洞】命令将其设置为洞口，或用【修改板厚】命令将没有楼板部分的板厚设定为0（即没有楼板）。这两条命令在开洞效果方面完全一致，不同之处仅在于在于前者在开洞处没有板荷载，而后者在开洞处保留了荷载，设计人员可以灵活选第2页共3页用。2.3错层框剪结构建模综合采用错层框架结构和错层剪力墙结构的建模方式2.4错层砌体结构建模单从建模角度看，错层砌体结构也可以采用以上混凝土剪力墙错层的建模方式，但从计算分析的角度看，由于砌体结构按规范要求应采用基底剪力法分析，即QITI提供的砌体抗震计算方式，而基底剪力法仅适用于平面规则对称的结构，不适用于错层结构分析。因此建议在抗震设防烈度较高的地区，不宜设计带错层的砌体结构。如楼板高差小于500mm，砌体结构可以按没有错层设计；如楼板高差大于500mm，可以通过设缝将错层砌体结构转换为不错层的结构设计。2.5错层多塔结构建模错层多塔结构建模时，可以先用PMCAD程序按相同的楼层标高建立多塔模型，再利用SATWE程序前处理多塔结构补充定义中的【多塔立面/修改层数】命令，将各塔楼的相关塔段设定为不同的层高。建模时每个塔单独设置标准层，在楼层组装时输入各自然的标高和底标高，以此控制楼层组装顺序。2.6错层结构的建模注意事项建模的【楼板错层】命令用于设定部分房间楼板标高与整层楼板层标高不同，且高差较小（如卫生间），而不改变梁的标高，对计算没有影响，不能用于建立错层模型。3、错层结构的计算分析3.1错层对结构抗震性能的不利影响3.1.1错层结构的楼板不连续，通常开有较大的板洞或有空旷部分，在没有楼板的区域内，存在越层构件和不受楼板和梁约束的自由节点，使内力计算十分复杂。3.1.2错层结构的各层楼板布置不均匀，不对称，各相邻楼板的质心和质心严重偏置，引起楼层间平面刚度的突变，在水平地震力和风载的作用下，楼层之间会发生较大的扭转效应。3.1.3错层结构引起楼层概念模糊，由于建模和计算的需要，人为地变成计算方便的数字，使得按层模型计算分析与实际情况不符。3.1.4错层结构的层高不一致，层高数之多，相邻楼层层高有的差距较大甚至数倍，层高的差别造成了各层刚度和承载力不同，使部分竖向构件承担更多地震作用，成为相对薄弱受力构件，如错层处延性较差的短柱和矮墙，对结构抗震很不利。3.2错层结构计算分析中应注意的问题3.2.1《高层规程》10.4.3条规定，“错层结构中，错开的楼层应各自参加结构整体计算，不应归并为一层计算。”但各自独立计算的错层楼板不宜简单地按“刚性楼板”假定计算，特别是楼板被洞口切分成狭长板带时，应考虑楼板面内刚度削弱的影响。建议将这些楼板设定为弹性模，用SATWE软件计算时选择总刚度分析方法，将两类楼板计算的结果进行分析对比。3.2.2由于错层的楼板不连续，在没有楼板的区域可能存在大量的越层竖向构件和不受梁板约束的自由节点，因此计算振型个数需要多取，以保证有效质量系数大于0.9，使计算结果有效。3.2.3错层结构属于多高层结构，抗震结构计算时应选择考虑双向地震作用，如是高层错层结构，还应该选择考虑偶然偏心。SATWE软件允许同时选择以上两项，分别计算，取不利结果。3.2.4错层结构层高不一致，使有关楼层间的控制参数，如层间位移比、层间刚度比、层间受间受剪承载力比等计算失真，因此不宜机械地直接采用这些数据，而应加以分析判断和手工校核，确定其合理，并进行必要的变通和调整处理。3.2.5SATWE软件可以自动搜索分析错层结构中的越层柱及正确设定其计算长度系数，但受层模型所限，内力分析图和配筋只能按楼层分段描述，施工图纸设计时可取各段配筋中最大值。3.2.6SATWE软件没有可以自动搜索分析短柱和矮墙的功能，需要设计人员对这些容易发生脆性破坏的构件采取特别的加强措施。3.2.7考虑到错层结构计算分析的复杂性和不确定性，除了用SATWE等软件进行常遇地震下的第3页共3页弹性计算以外，必要时还应采用EPDA程序进行弹塑性动力时程分析和PUSH弹塑性静力分析，进行校核并找出需要加强的薄弱部位。3.2.8带错层的高层结构，如带转换层、加强层，连体及多塔等，或结构层数、结构布置、结构刚度等有较大不同，即属于明显不规则的复杂高层建筑，根据建设部令第111号精神应进行专项审查，这是保证错层结构设计质量的重要措施。综上所述，由于错层结构在很大程度上违反了计算分析程序对的基本假定，使精神的解析计算未必能得到与实际工程情况相符的正确结果，与其追求不一定真实的数值解，不如在改进设计功夫更有实际效果，从这个意义上说，抗震措施比抗震计算更重要。4、错层结构的方案选择和抗震构造措施对错层结构这类复杂多高层结构，更应当强调概念设计，方案选择和抗震措施的重要性。在能回避错层结构时，应尽量采用没有错误结构的设计方案；在不能回避错层结构时，应从概念设计出发，选择有利抗震的错层设计方案，强化抗震构造措施。4.1尽可能选择没有错层的设计方案《高层规程》10.4.1条规定，“抗震设计时，高层建筑宜避免错层。”避免错层的方法。4.1.1如结构的错层楼板高差不大于梁高或不大于500mm时，可以忽略楼板的高差，按没有错层的结构分析计算。4.1.2当结构仅有错层梁而没有错层楼板时，在PKPM软件中允许在不同标高布置多道梁，按非错层结构进行分析计算。4.1.3对结构设计中局部降低（或抬高）的楼板可不按错层设计，而通过适当的构造处理加强。4.1.4当建筑结构不同区域因功能不同而出现错层时，宜采用防震将其划分为多个独立的结构单元，按非错层结构分析计算。4.1.5多塔结构各塔层高不一致时，由于SATWE程序可以分别定义各塔层高及整体计算分塔输出结果，使这类多塔错层结构的建模和计算变得十分方便。4.2优化错层结构设计方案4.2.1在有可能的情况下，尽量减少错误的范围和错层的楼层数，以减少错层部位对整体结构的影响。4.2.2“错层两侧宜采用结构布置和侧向刚度相近的结构体系”4.2.3错层建筑应尽可能采用抗震性能好的混凝土剪力墙结构，而不宜采用框架结构4.2.4错层处宜设置通高核心筒，其余部位布置带翼缘的剪力墙，错层处的剪力墙应减少开洞，并布置边框柱和边框梁。4.2.5结构的错层楼板应尽量避免“一错到顶”，可以每隔几个错层布置整层贯通楼板，板厚不小于150mm，双层双向配筋，每层每方向钢筋网的配筋率不宜小于0.25%。4.3强化错层结构的抗震构造措施4.3.1执行《高层规程》10.4.4条规定，“错层处框架柱的截面高度不小于600mm，混凝土强度等级不应低于C30，抗震等级应体改一级采用，箍筋应全柱加密。”4.3.2“错层处平面外受力的剪力墙，其截面厚度，非抗震设计时不应小于200mm，抗震设计不应小于250mm，并均应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱；抗震等级应提高一级采用。水平和竖向分布钢筋的配筋率，非抗震设计时不应小于0.3%，抗震设计不应小于0.5%。”建议错层处墙肢按照剪力墙底部加强部位的要求进行设计。