某框架結構中大開洞的抗震分析與設計

文／張明 泰山科技學院 山東泰安 271000

引言：

大開洞能夠滿足建筑的使用功能要求，使得建筑在內部美觀上有所提升，為了讓建筑內部布局更加的豐富和多元化，大開洞應用的越來越多，但大開洞對結構的整體抗震性是不利的，給建筑結構的分析與設計增加了困難，因此，合理的計算并采取可靠的加強措施顯得尤為重要。

1.工程概況

某工業綜合利用智能化生產線研發及制造項目研發中心位于山東省泰安市，地上五層，局部六層，一層層高為3.80m，二～五層層高均為3.60m，局部六層層高為3.60m，建筑總高度為18.65m，室內外高差為0.450m，總建筑面積約為5765.76m2，整個研發中心屋頂采用平屋頂，該建筑采用框架結構形式，所在地區的抗震設防烈度為7 度，地面粗糙度為B 類，設計地震分組為第二組，地震加速度為0.10g，建筑場地類別為П 類，場地的特征周期為0.40s，采用基本風壓為50 年一遇，取值為0.40kN/m2，建筑結構安全等級為二級，建筑工程抗震設防類別為標準設防類，結構的設計工作年限為50 年。抗震等級按照三級計算，樓梯參與整體模型的計算。

2.框架結構中大開洞位置的分布

該研發中心由于內部使用功能的要求，在5 軸～6 軸交A 軸～B 軸之間一層頂部設置大開洞，并在第五層根據房間的使用功能，3 軸、4 軸、7 軸分別交B 軸～C 軸線位置的框架柱不能升至五層房間內，該位置形成的大空間，結構上使用大跨度梁來布置，建筑平面布置如圖1、圖2 所示：

圖1 一層建筑平面圖

圖2 二層建筑平面圖

3.該框架抗震彈性分析

本工程采用建筑結構計算軟件PKPM V1.5.0.1 版進行整體計算分析及設計。

3.1 該結構整體計算參數

表1 結構模型整體計算參數

X 向地震工況下的全樓最大層間位移角為1/865，發生在第一層位置，Y 向地震工況下的全樓最大層間位移角為1/885，發生在第一層位置，均小于彈性層間位移角限值1/550[1]，滿足要求。

3.2 大開洞四角柱各點的層間位移角

計算結果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點的層間位移角如下列表格所示：

表2 X 向地震工況各柱節點位移角

表3 Y 向地震工況各柱節點位移角

表4 X+Y 地震（雙向效應）工況各柱節點位移角（X 分量）

表5 Y+X 地震（雙向效應）工況各柱節點位移角（Y 分量）

3.3 大開洞四角柱各點的地震剪力及彎矩

計算結果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點柱頂的地震剪力（KN）如下列表格所示：

表6 X 向地震工況各柱節點柱頂剪力（KN）

表7 Y 向地震工況各柱節點柱頂剪力（KN）

表8 X+Y 地震（雙向效應）工況各柱節點柱頂剪力（KN）（X 分量）

表9 Y+X 地震（雙向效應）工況各柱節點柱頂剪力（KN）（Y 分量）

計算結果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點柱頂的彎矩（KN.m）如下列表格所示：

表10 X 向地震工況柱底彎矩（KN.m）（繞Y 軸彎矩）

表11 Y 向地震工況柱底彎矩（KN.m）（繞X 軸彎矩）

表12 X+Y 地震（雙向效應）工況柱底彎矩（KN.m）（繞Y 軸彎矩）

表13 Y+X 地震（雙向效應）工況柱底彎矩（KN.m）（繞X 軸彎矩）

3.4 大開洞在整體計算中，五層大跨梁的地震剪力及彎矩

計算結果中選取3 軸、4 軸、7 軸大跨框架梁的地震剪力（KN）如下列表格所示：

表14 各軸框架梁梁端剪力最大值（KN）

計算結果中選取3 軸、4 軸、7 軸大跨框架梁的彎矩（KN.m）如下列表格所示：

3.5 大開洞周圍采取加強措施

將大開洞周圍的板及大開洞上方二層頂及周圍的結構板厚由原來的計算厚度加大到150mm，重新經過整體計算分析，該框架結構整體第一周期為0.9439s，X 向整體平動系數為0.98，第二周期為0.9315s，Y 向整體平動系數為0.99，第三周期為0.8136s，扭轉系數為0.98；第一、第二周期以平動為主，第三周期以扭轉為主，第三周期扭轉周期與第一平動周期之比為0.86 小于0.90 滿足規范要求。X 向地震工況及X+Y 地震（雙向效應）工況下的全樓最大層間位移角為1/863，發生在第一層位置，Y 向地震工況下的全樓最大層間位移角為1/884，發生在第一層位置，Y+X 地震（雙向效應）工況下的全樓最大層間位移角為1/870，發生在第一層位置，均小于彈性層間位移角限值1/550[1]，滿足要求。

3.6 采取加強措施后大開洞四角柱各點的層間位移角

計算結果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點的層間位移角如下列表格所示：

表16 X 向地震工況各柱節點位移角

表17 Y 向地震工況各柱節點位移角

表18 X+Y 地震（雙向效應）工況各柱節點位移角（X 分量）

表19 Y+X 地震（雙向效應）工況各柱節點位移角（Y 分量）

3.7 采取加強措施后大開洞四角柱各點的地震剪力及彎矩

計算結果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點柱頂的地震剪力（KN）如下列表格所示：

表20 X 向地震工況各柱節點柱頂剪力（KN）

表22 X+Y 地震（雙向效應）工況各柱節點柱頂剪力（KN）（X 分量）

表23 Y+X 地震（雙向效應）工況各柱節點柱頂剪力（KN）（Y 分量）

計算結果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點柱頂的彎矩（KN.m）如下列表格所示：

表24 X 向地震工況柱底彎矩（KN.m）（繞Y 軸彎矩）

表25 Y 向地震工況柱底彎矩（KN.m）（繞X 軸彎矩）

表26 X+Y 地震（雙向效應）工況柱底彎矩（KN.m）（繞Y 軸彎矩）

表27 Y+X 地震（雙向效應）工況柱底彎矩（KN.m）（繞X 軸彎矩）

3.8 采取加強措施后大開洞在整體計算中，五層大跨梁的地震剪力及彎矩

計算結果中選取3 軸、4 軸、7 軸大跨框架梁的地震剪力（KN）如下列表格所示：

表28 各軸框架梁梁端剪力最大值（KN）

計算結果中選取3 軸、4 軸、7 軸大跨框架梁的彎矩（KN.m）如下列表格所示：

表29 各軸框架梁跨中彎矩最大值（KN.m）

3.9 兩種整體計算的結果對比分析

從上述兩種計算結果得出，采取加強措施后大開洞四角柱各點的地震剪力及彎矩均有所增大，加大板厚更有利于地震內力的傳遞，并且加大板厚使整體計算更加合理，通過比較，加大板厚不會對頂層的大跨梁計算產生影響。

結語：

框架結構內部大開洞導致樓板局部不連續，對于傳遞水平地震力非常不利，整體結構剛度也被削弱，抗震性能下降，因此對大開洞部分必須要合理的計算并采取可靠的加強措施，保證結構整體的安全性。