高層樓板開洞位置及開洞率對抗震性能的影響

常 鑫

(中鐵三局集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計(jì)分公司，山西 太原 030024)

0 引言

目前許多公共建筑及大型商業(yè)建筑采用樓板開大洞的方式，來滿足建筑形象的多樣化及建筑功能的復(fù)雜化要求，但樓板作為主要傳力構(gòu)件，開洞后必然對結(jié)構(gòu)的抗震性能有嚴(yán)重影響，現(xiàn)行規(guī)范對開洞大小也有著明確限制。本文通過工程實(shí)例，采用MIDAS軟件，研究開洞位置及開洞率對高層結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 工程基本情況

參考工程實(shí)例為神朔鐵路分公司燕家塔站區(qū)新建公寓樓項(xiàng)目，由中鐵三局勘測設(shè)計(jì)分公司承攬?jiān)O(shè)計(jì)，工程地點(diǎn)為陜西省神木市，抗震設(shè)防烈度為6度，建筑類別乙類，結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑總面積為9 777.6 m2，嵌固層以上為15層，地下部分為1層地下室，建筑總高為59.9 m，因大型設(shè)備吊裝進(jìn)入地下室及設(shè)立中庭，在地下室、1層及2層頂板均開有較大洞口，但開洞率及開洞位置可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，故通過MIDAS有限元分析軟件建立整體模型分別對不同開洞率且不同開洞位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能分析，模型如圖1所示。

2 MIDAS有限元分析過程

本次分析分別采用固定開洞位置不同開洞率、固定開洞率及不同開洞位置兩種工程常遇情況進(jìn)行分析，但樓板的剛性特征對抗震性能影響較大，筆者認(rèn)為分析內(nèi)容應(yīng)將兩種不同樓板特性進(jìn)行細(xì)分，故分析內(nèi)容如下。

2.1 固定開洞位置不同開洞率分析

洞口位置固定于建筑中部(如圖2a)中Ⅰ開洞情況)，開洞率采用0%，6.66%,3.32%,19.98%,26.64%,33.3%。按照地下室、一層及二層頂板開洞剛性樓板和彈性樓板分別進(jìn)行模型計(jì)算得到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理見圖3。

樓板開洞會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的降低從而影響結(jié)構(gòu)周期，由圖3a)所示結(jié)果可知，周期隨樓板開洞的增大而增大，且開洞率在20%以內(nèi)時，變化幅度在5%左右。

最大層間位移角可以較為直觀反映結(jié)構(gòu)地震水平力作用和結(jié)構(gòu)剛度的相互影響，由圖3b)所示結(jié)果可知，最大層間位移角隨著樓板開洞率的增大而增大，且開洞率在20%以內(nèi)時，層間位移角變化幅度在3%以內(nèi)，對結(jié)構(gòu)整體抗震影響較小。開洞率對層間位移比的影響幅度不大(如圖3c)所示)。

通過分析對比圖3中彈性樓板與剛性樓板的數(shù)據(jù)可以看出，彈性樓板相較剛性樓板，周期增大，層間位移角加大，但在開洞率20%以內(nèi)時兩種情況周期、位移基本一致。

2.2 固定開洞率及不同開洞位置分析

通過2.1的分析可知開洞率在20%以內(nèi)時對結(jié)構(gòu)抗震性能影響較小，故將開洞率設(shè)置固定值19.98%，開洞平面位置分別為中部(Ⅰ)、四周(Ⅱ)、長邊一側(cè)(Ⅲ)、短邊一側(cè)(Ⅳ)、角部(Ⅴ)(如圖2a),圖2b)所示)，開洞樓層為地下室、一層及二層頂板，按照剛性樓板和彈性樓板分別建立模型后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理如圖4所示。

從圖4數(shù)據(jù)所示：

剛性樓板與彈性樓板模型在不同開洞位置時周期、層間位移、最大層間位移比變化趨于一致。

僅從開洞位置不同的角度來看，剛性樓板與彈性樓板模型在四周布置開洞時均為抗震最不利位置，長邊一側(cè)和中部布置次之。

當(dāng)開洞位置處于四周布置時，對比剛性樓板模型與彈性樓板模型發(fā)現(xiàn)，彈性樓板周期、最大層間位移、最大層間位移比明顯大于剛性樓板，說明剛性樓板抗震設(shè)計(jì)中效果要優(yōu)于彈性樓板。而角部集中及短邊一側(cè)開洞且采用剛性樓板時對整體影響較小，為最優(yōu)洞口布置方案。

3 結(jié)論

本文通過分析研究不同開洞率及開洞位置對框—剪結(jié)構(gòu)整體抗震性能，對工程中常見樓板開洞問題進(jìn)行討論，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)框—剪結(jié)構(gòu)整體抗震性能隨樓板局部開洞率的增大而減弱，但減弱程度較小，開洞率控制在20%以內(nèi)對框—剪結(jié)構(gòu)整體抗震性能影響較小。

2)剛性樓板與彈性樓板在開洞率20%以內(nèi)對框—剪結(jié)構(gòu)抗震性能影響差別不明顯。

3)框—剪結(jié)構(gòu)整體抗震性能隨樓板局部開洞位置的不同而不同，最不利開洞為四周均勻開洞，相對四周均勻開洞有利開洞位置為角部集中開洞及短邊一側(cè)開洞。

4)GB 50011建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定樓板開洞面積大于該層樓面面積的30%時視為局部不連續(xù)，通過本文分析當(dāng)樓板采用彈性樓板，開洞位置均勻布置在樓面四角，且樓面開洞率在20%以上時，應(yīng)對設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步考慮，以確保整體結(jié)構(gòu)抗震性能可靠性。