某樓板大開洞框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

王玉剛，陳 鴿，趙 林

（1．四川華西建筑設(shè)計院有限公司西安分公司，陜西 西安 710021；2．新時代（西安）設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710021）

1 概述

隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展、居住條件的改善，人們對于建筑造型的要求也越來越高。在滿足日常生活、工作的前提下對建筑的空間要求也日益提高，因此造成一些公共建筑如酒店、體育館、博物館等造型越來越獨特。為了滿足建筑功能的要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往會對結(jié)構(gòu)的規(guī)則性造成一定的破壞。這種破壞在地震發(fā)生時造成的損失尤其嚴重。其中樓板開洞是造成結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的原因之一［1］，所以研究樓板開洞對于建筑結(jié)構(gòu)的影響具有十分重要的意義。在這方面國內(nèi)外學者也進行了大量的研究，本文在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合具體的工程實例，研究分析了樓板開洞位置以及層高的變化對框架結(jié)構(gòu)的抗震性能的影響［2］。

2 工程概況

甘肅省天水市某酒店裙房項目，結(jié)構(gòu)高度22．55 m，地上4 層，地下1 層。X向5 跨38．10 m，Y向6 跨38．65 m?？拐鹪O(shè)防烈度為8 度，設(shè)計地震分組二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0．4 s，基本地震加速度0．3g。結(jié)構(gòu)開洞樓層為第二、四層，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1，圖2 所示。為研究樓板開洞的影響，本文共建立了12 個分析模型，兩層樓板均開洞模型A，樓板不開洞模型B，僅2 層樓板開洞模型C 和僅4 層樓板開洞模型D，分析其在自身開 洞 變 化 以 及1 層 高 度 分 別 為5 m，5． 5 m 和6 m 時的抗震性能［3］。

圖1 2 層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 4 層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 結(jié)果分析

3．1 周期

由T==2π可知，當樓板開洞以后會對結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而影響結(jié)構(gòu)的振動周期。經(jīng)計算分析各模型的周期詳見表1，表1 中各模型的前三個周期分別為平動、平動、扭轉(zhuǎn)。從表中可以看出，當樓板開洞位置、層數(shù)和大小的變化對于結(jié)構(gòu)周期的影響并不明顯，變化幅度在2．1%以內(nèi)。1 層高度的變化對周期的影響比樓板開洞位置、層數(shù)和大小的變化對周期的影響大，變化幅度在7%。隨著1 層高度的增加，兩個平動周期和扭轉(zhuǎn)周期均逐漸變大，其中對于平動周期的影響要大于扭轉(zhuǎn)周期。平動周期和扭轉(zhuǎn)周期均在2 層樓板開洞時達到最大，但和樓板不開洞時相差最小。從圖3 可以看出第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值并沒有隨樓板開洞層數(shù)、位置、大小以及1 層層高的增加而發(fā)生明顯的變化，說明這些因素對于周期比的影響較小。

圖3 周期比

表1 各模型的周期

3．2 位移角

從圖4 ～圖7 中可以看出，各模型在地震作用下的最大位移角隨著開洞樓層位置、大小、層數(shù)和1 層層高的增加而發(fā)生變化［4］，在X向，Y向地震作用下最大位移角均隨著1 層層高的增加而減?。籜，Y單向地震和雙向地震作用下的位移角的變化趨勢相同，且雙向地震時的各模型的最大位移角的大小與相應(yīng)的單向地震時的位移角大小幾乎相同。對于X向單、雙向地震作用下的最大位移角，在層高為5 m 和5．5 m 時的變化趨勢相同，均在樓板2 層開洞時最小，在4 層樓板開洞時最大。由于地震作用時，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量越大地震影響就越大結(jié)構(gòu)的最大位移角就越大，所以當2 層、4 層均開洞時比不開洞時X向地震作用下最大位移角?。?］。Y向單、雙向地震作用下的最大位移角呈現(xiàn)出U 型變化趨勢一致，且隨1 層層高的增加而均勻變化。當4 層樓板開洞時位移角最大，2 層樓板開洞時位移角最小。由以上可以說明樓板開洞不會影響X，Y單、雙向地震作用時最大位移角的變化趨勢。隨著1 層層高的增加單、雙向地震作用下的最大位移角會逐漸減小。樓層不開洞時的最大位移角并不是最小的。

圖4 X 向地震作用下最大位移角

圖5 Y 向地震作用下最大位移角

圖6 X 向雙向地震作用下最大位移角

圖7 Y 向雙向地震作用下最大位移角

從圖8 ～圖13 中可知，當樓板不開洞與僅2 層樓板開洞時X向地震作用下的最大位移角隨1 層層高的變化趨勢相同，呈先上升后下降趨勢，且樓板不開洞時的位移角比僅2 層樓板開洞時相應(yīng)的各樓層位移角大；2 層和4 層樓板均開洞時與僅4 層樓板開洞的位移角變化趨勢相同，呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢，且僅4 層樓板開洞的位移角大于兩層都開洞的位移角。對于各樓層Y向地震作用下的最大位移角隨樓層的變化均呈逐漸上升的趨勢。其中樓板不開洞和僅2 層樓板開洞的變化相同，樓板開雙洞和僅4 層樓板開洞的變化相同。Y向地震作用下的最大位移角的變化幅度大于相應(yīng)的X向地震作用下的最大位移角的變化幅度。隨著1 層層高的增加，X向，Y向地震作用時最大位移角的變化幅度逐漸減緩，但變化趨勢依然相同［6－7］。

圖8 5 m 時X 向地震作用下各層最大位移角

圖9 5 m 時Y 向地震作用下各層最大位移角

圖10 5.5 m 時X 向地震作用下各層最大位移角

圖11 5.5 m 時Y 向地震作用下各層最大位移角

圖12 6 m 時X 向地震作用下各層最大位移角

圖13 6 m 時Y 向地震作用下各層最大位移角

從圖14，圖15 中可以看出1 層的最大位移角均隨自身層高的增加而逐漸增大。1 層層高的增加對中間兩層最大位移角的變化影響較小，對于頂層的影響要大于中間兩層。究其原因是因為頂層結(jié)構(gòu)體形收進，鞭梢效應(yīng)引起的。X向地震作用下各層最大位移角的變化幅度要小于相應(yīng)的Y向地震作用下各層最大位移角的變化幅度。層高的改變對自身最大位移角的影響幅度要大于其他層。

圖14 X 向地震作用下各層最大位移角

圖15 Y 向地震作用下各層最大位移角

4 結(jié)語

樓板開洞的位置、大小以及樓層的變化對于框架結(jié)構(gòu)周期以及周期比的影響并不明顯，因為隨著樓層開洞，樓層的質(zhì)量和剛度都會發(fā)生變化。樓板開洞位置、大小、樓層的變化對X向，Y向地震作用下最大位移角的變化影響不同。最大位移角的變化趨勢與單、雙向地震作用無關(guān)。地震作用下各樓層的位移角變化趨勢隨開洞位置、大小和樓層的變化具有一定的規(guī)律性。首層層高的變化會影響地震作用下最大位移角的變化幅度。首層層高的變化對X向，Y向地震作用下的影響不同。結(jié)構(gòu)設(shè)計中要對開洞位置的梁、板進行加強以減小地震作用對最大位移角的影響。