某框架結(jié)構(gòu)中大開(kāi)洞的抗震分析與設(shè)計(jì)

文／張明 泰山科技學(xué)院 山東泰安 271000

引言：

大開(kāi)洞能夠滿足建筑的使用功能要求，使得建筑在內(nèi)部美觀上有所提升，為了讓建筑內(nèi)部布局更加的豐富和多元化，大開(kāi)洞應(yīng)用的越來(lái)越多，但大開(kāi)洞對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震性是不利的，給建筑結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)增加了困難，因此，合理的計(jì)算并采取可靠的加強(qiáng)措施顯得尤為重要。

1.工程概況

某工業(yè)綜合利用智能化生產(chǎn)線研發(fā)及制造項(xiàng)目研發(fā)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(nèi)外高差為0.450m，總建筑面積約為5765.76m2，整個(gè)研發(fā)中心屋頂采用平屋頂，該建筑采用框架結(jié)構(gòu)形式，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7 度，地面粗糙度為B 類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，地震加速度為0.10g，建筑場(chǎng)地類別為П 類，場(chǎng)地的特征周期為0.40s，采用基本風(fēng)壓為50 年一遇，取值為0.40kN/m2，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作年限為50 年。抗震等級(jí)按照三級(jí)計(jì)算，樓梯參與整體模型的計(jì)算。

2.框架結(jié)構(gòu)中大開(kāi)洞位置的分布

該研發(fā)中心由于內(nèi)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(shè)置大開(kāi)洞，并在第五層根據(jù)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(nèi)，該位置形成的大空間，結(jié)構(gòu)上使用大跨度梁來(lái)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(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM V1.5.0.1 版進(jìn)行整體計(jì)算分析及設(shè)計(jì)。

3.1 該結(jié)構(gòu)整體計(jì)算參數(shù)

表1 結(jié)構(gòu)模型整體計(jì)算參數(shù)

X 向地震工況下的全樓最大層間位移角為1/865，發(fā)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(fā)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(kāi)洞四角柱各點(diǎn)的層間位移角

計(jì)算結(jié)果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點(diǎn)的層間位移角如下列表格所示：

表2 X 向地震工況各柱節(jié)點(diǎn)位移角

表3 Y 向地震工況各柱節(jié)點(diǎn)位移角

表4 X+Y 地震（雙向效應(yīng)）工況各柱節(jié)點(diǎn)位移角（X 分量）

表5 Y+X 地震（雙向效應(yīng)）工況各柱節(jié)點(diǎn)位移角（Y 分量）

3.3 大開(kāi)洞四角柱各點(diǎn)的地震剪力及彎矩

計(jì)算結(jié)果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點(diǎn)柱頂?shù)牡卣鸺袅Γ↘N）如下列表格所示：

表6 X 向地震工況各柱節(jié)點(diǎn)柱頂剪力（KN）

表7 Y 向地震工況各柱節(jié)點(diǎn)柱頂剪力（KN）

表8 X+Y 地震（雙向效應(yīng)）工況各柱節(jié)點(diǎn)柱頂剪力（KN）（X 分量）

表9 Y+X 地震（雙向效應(yīng)）工況各柱節(jié)點(diǎn)柱頂剪力（KN）（Y 分量）

計(jì)算結(jié)果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點(diǎn)柱頂?shù)膹澗兀↘N.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(yīng)）工況柱底彎矩（KN.m）（繞Y 軸彎矩）

表13 Y+X 地震（雙向效應(yīng)）工況柱底彎矩（KN.m）（繞X 軸彎矩）

3.4 大開(kāi)洞在整體計(jì)算中，五層大跨梁的地震剪力及彎矩

計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)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(kāi)洞周圍采取加強(qiáng)措施

將大開(kāi)洞周圍的板及大開(kāi)洞上方二層頂及周圍的結(jié)構(gòu)板厚由原來(lái)的計(jì)算厚度加大到150mm，重新經(jīng)過(guò)整體計(jì)算分析，該框架結(jié)構(gòu)整體第一周期為0.9439s，X 向整體平動(dòng)系數(shù)為0.98，第二周期為0.9315s，Y 向整體平動(dòng)系數(shù)為0.99，第三周期為0.8136s，扭轉(zhuǎn)系數(shù)為0.98；第一、第二周期以平動(dòng)為主，第三周期以扭轉(zhuǎn)為主，第三周期扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比為0.86 小于0.90 滿足規(guī)范要求。X 向地震工況及X+Y 地震（雙向效應(yīng)）工況下的全樓最大層間位移角為1/863，發(fā)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(fā)生在第一層位置，Y+X 地震（雙向效應(yīng)）工況下的全樓最大層間位移角為1/870，發(fā)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(qiáng)措施后大開(kāi)洞四角柱各點(diǎn)的層間位移角

計(jì)算結(jié)果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點(diǎn)的層間位移角如下列表格所示：

表16 X 向地震工況各柱節(jié)點(diǎn)位移角

表17 Y 向地震工況各柱節(jié)點(diǎn)位移角

表18 X+Y 地震（雙向效應(yīng)）工況各柱節(jié)點(diǎn)位移角（X 分量）

表19 Y+X 地震（雙向效應(yīng)）工況各柱節(jié)點(diǎn)位移角（Y 分量）

3.7 采取加強(qiáng)措施后大開(kāi)洞四角柱各點(diǎn)的地震剪力及彎矩

計(jì)算結(jié)果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點(diǎn)柱頂?shù)牡卣鸺袅Γ↘N）如下列表格所示：

表20 X 向地震工況各柱節(jié)點(diǎn)柱頂剪力（KN）

表22 X+Y 地震（雙向效應(yīng)）工況各柱節(jié)點(diǎn)柱頂剪力（KN）（X 分量）

表23 Y+X 地震（雙向效應(yīng)）工況各柱節(jié)點(diǎn)柱頂剪力（KN）（Y 分量）

計(jì)算結(jié)果中選取5 軸～6 軸交A 軸～B 軸相交處柱各點(diǎn)柱頂?shù)膹澗兀↘N.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(yīng)）工況柱底彎矩（KN.m）（繞Y 軸彎矩）

表27 Y+X 地震（雙向效應(yīng)）工況柱底彎矩（KN.m）（繞X 軸彎矩）

3.8 采取加強(qiáng)措施后大開(kāi)洞在整體計(jì)算中，五層大跨梁的地震剪力及彎矩

計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)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(jì)算的結(jié)果對(duì)比分析

從上述兩種計(jì)算結(jié)果得出，采取加強(qiáng)措施后大開(kāi)洞四角柱各點(diǎn)的地震剪力及彎矩均有所增大，加大板厚更有利于地震內(nèi)力的傳遞，并且加大板厚使整體計(jì)算更加合理，通過(guò)比較，加大板厚不會(huì)對(duì)頂層的大跨梁計(jì)算產(chǎn)生影響。

結(jié)語(yǔ)：

框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部大開(kāi)洞導(dǎo)致樓板局部不連續(xù)，對(duì)于傳遞水平地震力非常不利，整體結(jié)構(gòu)剛度也被削弱，抗震性能下降，因此對(duì)大開(kāi)洞部分必須要合理的計(jì)算并采取可靠的加強(qiáng)措施，保證結(jié)構(gòu)整體的安全性。