摘要：随着地产行业的发展，主楼内局部带有商业的高层剪力墙结构越来越普及，错层式结构越来越多。与不带错层的高层结构相比，错层高层剪力墙结构由于楼板不连续，相互错置，引起地震作用下结构构件应力分配的复杂化，削弱了楼板协调整体变形的能力。同时，错层部位的竖向构件形成了短柱及短墙，构件的延性变羞，引起了整个结构抗震性能降低。本文详细地介绍了一栋带错层的复杂剪力墙高层住宅的结构设计，在结构布置、分析计算和构造加强措施等方面作出了有效的处理，使整体设计满足规范要求。
关键词：抗震不利地段；高层带错层的特别不规则结构；扭转效应；平面凹口；高宽比较大
1、江阴碧桂园世纪学府8#楼工程概况
江阴碧桂园华星世纪学府-8#楼为一栋地上32层，地下一层地下室的高层住宅，建筑总面积为15715.22m2，住宅部分建筑层高为2.90米， 1,2层有局部为物业用房，因消防要求控制层高为3.9米+3.4米+1.4米，1.4米结构空腔层，对应住宅部分为3层；地下室连为一体，地下室顶板作为上部结构的嵌固端。地下建筑层高为4.650，为满足嵌固要求，结构将一层梁板降低0.8米，结构层高为3.85m；地上32层为住宅，住宅部分一层层高为3.7m（地下室顶板上有0.8m覆土），标准层层高为2.9m，建筑物室外地坪至主体结构檐口的高度为92.90m。
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图1 建筑错层平面图
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图2 错层示意图
2 场地工程地质条件
据地勘报告知该场地土类型为中软土，本场地建筑的场地类别为Ⅲ类，拟建场地属于对建筑物抗震不利的地段，该场地抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组。本场地设计特征周期取0.50(s)。本场地浅部存在软弱淤泥质粉质粘土，通过桩基础可以解决不利影响。本楼采用直径600（130）AB桩加筏板基础的形式，桩端以11层粉质粘土层为持力层，下部无软弱下卧层，可不进行下卧层强度验算。
3 基础设计
3.1 设计单桩竖向抗压承载力特征值：
1. 根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）第5.3.5条取：
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设计单桩竖向抗压承载力特征值为3100kN。选用图集10G409中600（130）AB桩，桩身轴心受压承载力特征值为3570kN，所选桩型满足图集要求。
3.2 桩基布置如下：
1.根据江苏省《预应力混凝土管桩基础技术规程》（DGJ32/TJ109-2010）甲类桩基重要性系数不低于1.1，对抗震不利地段重要性系数相应提高0.1，本楼房桩基重要性系数取1.2。布桩如图3所示：
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图3桩位平面布置图
3.3 基础底板计算
基础采用平板式筏基，筏板厚度1.2m，底板内力及配筋计算采用YJK系列软件JCCAD中的桩筏筏板有限元按弹性地基梁板模型，基床系数和桩刚度按地勘资料计算取值，考虑上下部结构共同作用。计算结果均满足规范的要求。
4、上部结构设计
4.1计算条件及上部结构概况
本号房设防类别为丙类建筑，Ⅲ类场地，采用剪力墙结构体系。抗震设防烈度为7度，剪力墙抗震等级为二级，对错层部分剪力墙及出现偏拉应力的剪力墙按特一级设计（图3中所示）。结构的阻尼比为0.05，根据地安评报告多遇地震水平地震影响系数最大值为0.105，考虑双向地震力作用，周期折减系数0.9， 计算取36个振型，连梁刚度的折减系数为0.7。基本风压取值：0.45kN/m2, 承载力设计时的风荷载效应放大系数为1.1，地面粗糙度为B类，结构体型系数为1.4。
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图5 夹层结构平面布置图
对该楼体型存在的不规则判定如下表1:
表1 体型不规则类型及定义
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结论：该建筑属于特别不规则高层建筑。
4.2 结构线弹性分析及主要结果
4.2.1 计算分析软件
盈建科建筑结构计算软件YJK-S 1.9.3
中国建科院有限公司 PKPM-PMSAP
4.2.2 计算分析主要输入参数
表2 整体模型计算参数
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4.2.3 主要计算结构
4.2.3.1周期及振型
采用SATWE和PMSAP计算结果如表3所示。
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对比结果表明，YJK前6阶周期计算结果与PMSAP计算结果略有差别，满足工程精度要求。
结构第一自振振型为X方向平动，第二振型为Y方向平动，第三振型为扭转振型。YJK与PMSAP计算结果基本一致。X、Y方向的前36阶振型参与质量均满足规范90%的要求。
YJK第一扭转周期与第一平动周期之比为0.72 <0.90；PMSAP第一扭转周期与第一平动周期之比为0.67 <0.90；满足《抗规》对扭转周期比的规定。
4.2.3.2重力作用结果比较
采用YJK和PMSAP计算结果如表4所示。
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模型计算结果基本一致。
4.2.3.3底部风及地震总作用
底部楼层竖向荷载及水平荷载作用下剪力及倾覆弯矩见表5所示，对比可知，地震起控制作用。
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YJK与PMSAP计算结果基本一致，且满足规范要求的剪重比不小于1.6%。
4.2.3.4层间位移角
在风荷载及地震作用下，各楼层层间位移角均满足规范要求，如表6 所示。
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模型计算结果基本一致，且满足规范要求的最大层间位移角不大于1/1000。
4.2.3.5扭转位移比（一般刚性楼板假定）
在考虑偶然偏心影响的水平地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与其平均值之比如表7所示。YJK与GEN模型计算结果基本一致，且满足规范要求的扭转位移比不大于1.4。
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4.2.3.6楼层侧移刚度比
楼层X、Y 方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者均大于1.0，可见本结构不存在软弱层。
4.2.3.7楼层抗剪承载力比
X方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.97 层号: 二层
Y方向最小楼层抗剪承载力之比: 0.99 层号: 二层
所有楼层受剪承载力均大于上部楼层的80%，不存在薄弱层。
4.3 小震弹性时程分析
4.3.1时程波的选取
结构的动力弹性时程分析，地震波按照表8选取：1组人工波、2组天然波。地震加速度时程最大值取为35 cm/s2。
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4.3.2弹性时程分析结果-基底剪力
地震波与反应谱最大基底剪力对比见表9。从计算结果可见，选取的地震波满足要求，且三条地震波的基底剪力包络值小于CQC法的计算结果，可不对CQC计算的地震力进行放大。
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结论：弹性时程分析的位移角计算结果满足规范要求。
4.4 地震作用下楼板应力分析
本结构对二层楼板错层不规则。楼板在地震作用下可能产生较大的面内应力，导致结构平面刚度的下降和影响结构的整体性。因此，采用YJK和PMSAP软件对结构楼板进行有限元分析，探讨在小震作用下能否保持弹性(即面内的拉应力小于混凝土抗拉强度标准值ft)、中震作用下楼板内钢筋是否达到屈服。
采用YJK和PMSAP进行楼板应力分析，楼板模拟为弹性板6。
下面图中给出二层楼板内的X、Y向地震正应力S1应力分布情况。
根据楼板应力分析可知，在小震作用下，除洞口角点及剪力墙端点和转交处有应力集中外，其余楼板内最大拉应力不超过1.4MPa，小于混凝土抗拉强度设计值（C30，ft=1.43MPa）。因此楼板在小震作用下基本能够保持弹性，根据YJK计算出的配筋结果，应力集中点处最大配筋420，实配10@150。
在中震作用下，除洞口角点及剪力墙端点和转交处有应力集中外，其余楼板内最大拉应力不超过4.0MPa。在中震作用下，拉应力超过混凝土抗拉强度设计的局部楼板，其XY方向地震作用下板配筋加强，根据YJK计算出的配筋结果，应力集中点处最大配筋840，实配10@75。
YJK板应力计算结果：
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4.5 抗震加强措施
针对本工程特点所采取的抗震加强措施主要包括以下几点：
1).对于存在的扭转不规则问题：在结构布置时，抗侧力构件在平面中的布置力求均匀，避免过大的偏心。以上的计算结果显示扭转周期与第一自振平动周期比均在0.90以内。在进行施工图设计时，将对薄弱部位构件的设计采取提高构件延性的抗震构造措施，以充分适应地震作用时的承载力。
2).对于凹凸不规则问题：按照小震弹性，中震不屈服的要求对楼板进行抗震设计，加厚洞口周边、平面转交楼板至150mm，适当提高楼板的配筋率，钢筋尽量按照细密的原则配置；楼板缺失部位周边梁柱适当提高配筋率。
3).对于错层复杂结构的问题：在结构布置时，对错层部分竖向构件适当加厚，不低于250mm，提高抗震等级至一级,适当加厚错层处的楼板，提高楼板的配筋率。
5、结论与建议
综上所述，
1）错层剪力墙结构受力复杂, 对结构抗震性能较差, 特别是住宅楼之类的建筑对经济性要求比较，应尽量回避采用错层剪力墙结构的设计方案。当必须采用错层剪力墙结构时, 应尽量减少错层的范围和错层的楼层数, 错层的两侧尽量采用结构布置和侧向刚度相近的结构体系, 避免出现刚度不均匀，并尽量选择抗震性能好的剪力墙结构，适当加厚错层处的剪力墙。通过合理布置剪力墙, 加强抗震构造措施, 使其满足规范抗震设计的要求。
2）对于错层结构的高层剪力墙结构设计, 应更注重于概念设计, 既很好的保证住宅剪力墙结构的安全性, 又确保对住宅类建筑良好的经济效果。
3）依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质［2015］67号)》及《江苏省房屋建筑工程抗震设防审查细则》第十一章内容, 对复杂的高层错层结构应进行专项审查, 这也是保证错层结构设计质量的重要措施。
参考文献
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