改造項目中剪力墻新開洞口影響效應分析

0 引言

隨著我國經濟水平的不斷發展，國內數量眾多的老建筑物，其建筑功能已經無法滿足當下的現實需求，于是出現了大量針對老建筑的加固改造項目。在一些項目的改造過程中，會經常出現如下情形：一些已有建筑的剪力墻，可能會限制建筑或機電方面的功能需求，需要結構工程師在已有的剪力墻上新開洞口。通常，結構工程師出于保護原有結構的目的，不會同意此類型的改造要求；但在一些特殊情況下，如核心筒消防疏散寬度不夠、暖通管道需要穿越等等，這種開洞需求似乎又無法避免。

對于此類型的改造，國內目前尚未有規范進行明確的規定說明。本文將以上海某科技大廈改造項目為背景，對不同位置、不同數量、不同尺寸的剪力墻新開洞口進行對比分析，以結構的整體指標變化（周期、位移角、位移比）作為判斷依據，通過橫向、縱向對比，嘗試獲取一些有用的規律。

1 工程概況

上海某科技大廈位于上海浦東新區金橋地塊，東臨今皖路，北至今滬路，始建于2007年，地上12層、地下1層，結構形式為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。項目占地面積6 661m2，總建筑面積25 726m2，其中地上19 983m2，地下5 743m2。原建筑使用功能為教學科研和辦公。

本次改造過程中，業主和建筑師均提出要求，希望可以在原來的核心筒剪力墻上新開洞口，以開辟一個新的人流疏散通道，并供暖通管道穿越。于是，在項目改造的方案階段，筆者對不同位置、不同數量、不同尺寸的剪力墻新開洞口進行了分析計算，下面將詳細敘述。

2 剪力墻開洞分類

對于框架-剪力墻結構，結構抗側剛度的主要來源是剪力墻，通過剪力墻提供的抗側剛度，保證結構在地震、風荷載作用下滿足變形要求。另外，剪力墻需傳遞結構的豎向荷載。在本項目中，左右兩個核心筒完全對稱，功能亦完全對稱，且開洞的需求是整棟大樓從上到下。因此，設置了如圖1所示的不同可能開洞位置來對比。開洞后墻身及墻體暗柱區的承載力設計及承載力加固不在本文討論范圍，本文僅討論不同的開洞對結構總體指標[1-3]的影響。假定E、F兩個位置（左右均對稱）均位于核心筒剪力墻上，并在不同位置分別假定不同寬度的洞口（表1）。

3 周期的對比分析

本章節將比較分析剪力墻開洞后對于結構自振周期的影響。

3.1 僅一處開洞

3.1.1 縱向分析比較

首先進行縱向分析比較，即比較相同位置、不同洞寬的影響（表2、3）。

由表2可知，在位置E處剪力墻開洞后，隨著洞口寬度的加大，其周期變化為0.41%～3.39%。

由表3可知，在位置F處剪力墻開洞后，隨著洞口寬度的加大，其周期變化為0.30%～2.57%。

綜合分析表2、3，在只有一處開洞的前提下，可得出如下結論：①無論位置在E或F，洞口的有無對周期的影響不大（基本＜3%）；②無論位置在何處（E/F），改變洞口寬度（2～3m）對周期的影響不大（基本＜3%）。

3.1.2 橫向分析比較

接著進行橫向分析比較，即比較同一洞口寬度下，不同開洞位置的影響。洞口寬度為2.0m、2.5m、3.0m時的對比數據分別見表4～6。

圖1 剪力墻開洞位置編號

表1 剪力墻開洞編號及含義

表2 模型E1～E3的周期對比數據

表3 模型F1～F3的周期對比數據

從表4～6可知，同一洞口寬度下（2.0m、2.5m或3.0m），不同的開洞位置對周期的影響有微小差異，但差異值基本＜3%。

綜合表2～6，在核心筒剪力墻上，當只設置一處開洞時（洞寬2～3m），對原有結構的影響有限，工程意義上對整體結構的影響可以忽略。

3.2 同時存在兩處開洞

模型假定情況見表7，計算結果如表8所示。

由表8可知，當原始結構在核心筒墻體上設置2處剪力墻留洞時，其周期產生了較明顯的變化（3個模型的變化幅度均超過3%）。

4 層間位移角的對比分析

本節比較剪力墻開洞對于結構最大層間位移角的影響。最大層間位移角的變化主要反映了地震作用與結構抗側剛度的共同影響。

4.1 僅一處開洞

模型的假定情況如表1。我們來比較同一位置不同開洞寬度對層間位移角的影響（表9、10）。

從表9可知，在位置E處剪力墻開洞后，隨著洞口寬度的加大，其層間位移角的變化幅度為4.23%～7.89%；說明在位置E處，開洞模型對結構的層間位移產生了較大影響（超過3%）。

從表10可知，在位置F處剪力墻開洞后，隨著洞口寬度的加大，其層間位移角變化幅度為0.72%～1.97%。這說明在位置F處，洞口寬度不同時的層間位移角區別不大。

綜合表9、10，在只有一處開洞的前提下，根據開洞位置的不同，開洞后對原有結構造成的層間位移角變化也不同，但總體而言影響不大，需要根據具體情況計算后進行具體分析。在本算例中，位置E處的開洞對結構造成了較大影響；而位置F處的開洞則影響較小。

4.2 同時存在兩處開洞

模型的假定情況如表7，計算結果如表11所示。

從表11可知，當原始結構在核心筒墻體上同時設置2處剪力墻留洞時，其層間位移角產生了較明顯的變化（3個模型的變化幅度均遠超3%）。

5 位移比的對比分析

本節比較剪力墻開洞對于結構位移比的影響。位移比指標主要反映結構的偏心及平面規則性。

5.1 僅一處開洞

模型的假定情況仍如表1。比較同一位置不同開洞寬度的影響，結果如表12、13所示。

綜合分析表12、13，在核心筒剪力墻只有一處開洞的前提下，不同洞口寬度對其結構位移比的影響非常微小。

5.2 同時存在兩處開洞

模型的假定情況仍如表7，計算結果如表14所示。

由表14可知，當原始結構在核心筒墻體上設置2處剪力墻留洞時，其位移比的變化比較微小（＜3%）。

6 分析總結

本算例為框架-剪力墻結構，剪力墻的布置較為典型：墻體對稱分布在建筑兩側，形成兩個對稱的核心筒。

表4 模型E1、F1的周期對比數據（洞口寬度2.0m）

表5 模型E2、F2的周期對比數據（洞口寬度2.5m）

表6 模型E3、F3的周期對比數據（洞口寬度3.0m）

表7 同時存在兩處開洞時模型編號

表8 模型E1F1、 E2F2、 E3F3的周期對比數據

表9 模型E1～E3的層間位移角對比數據

表10 模型F1～F3的層間位移角對比數據

表11 模型E1F1、 E2F2、 E3F3的位移角數據

表12 模型E1～E3的位移比對比數據

表13 模型F1～F3的位移比對比數據

（1）周期、位移角、位移比等指標揭示的規律具有互相驗證性。

（2）建筑內部圍合成核心筒的剪力墻只有一處開洞時（洞寬2～3m）：周期、位移比指標顯示，在墻肢長度的中間位置新增一處洞口的影響較小（＜3%）；位移角指標顯示，少數敏感位置的開洞可能會明顯增大層間位移角，而多數位置的一處開洞則影響較小（＜3%）。總體而言，在芯筒剪力墻上進行一處開洞時，其影響較小，可根據項目實際情況找出影響最小的位置進行合理開洞。

（3）建筑內部圍合成核心筒的剪力墻，兩處開洞時（洞寬2～3m）：周期、位移角指標顯示，同時存在的兩處開洞會造成明顯變化（明顯超過3%）；位移比指標則顯示，芯筒上的兩處開洞對位移比影響較小（明顯＜3%）。總體而言，在芯筒剪力墻上進行兩處開洞時，其影響無法忽略，應慎重選擇并根據具體情況具體分析。

表14 模型E1F1、 E2F2、 E3F3位移比對比數據

7 結語

本文以實際工程項目為背景，通過設置不同的開洞方案，以結構的整體指標——即周期、位移角、位移比指標為判斷依據，探討不同類型剪力墻后開洞的影響效應。經過分析計算，初步掌握了不同類型剪力墻開洞的影響效應的一般性規律。不足之處是，本項目中剪力墻的布置方式較為簡單，算例的設置無法覆蓋更全面的情況，如建筑角部剪力墻的開洞、單片帶邊框的剪力墻開洞等情形尚未能涉及，此部分的研究工作有待進一步進行。

參考文獻：

[1]GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]GB50010-2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構設計規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.