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楼板局部开洞对高层建筑结构整体抗震 性能影响的分析 张敬书1 、2 ，马志敏1 、2 ，莫庸3 ，王尔昌3 ，段会静1 ’2 1 西部灾害与环境力学教育部重点实验室 兰州大学 兰州7 3 0 0 0 0 ；2 兰州大学土木工程与力学学院兰州7 3 0 0 0 0 ；3 甘肃省建设科技 专家委员会，兰州7 3 0 0 0 0 提要本文对某模型工程在下层不同部位局部开洞，采用S A T W E 程序，分析了开洞对结构整体性能的影响。计算表明， 楼板局部开洞对结构整体性能影响不大，如果建筑必须在楼板局部开洞，结构专业应尽可能满足其要求，但对开洞后形成 的薄弱部位应予以加强。 关键词楼板局部开洞；刚性楼板；弹性楼板 规范⋯、规程昭’均对高层结构的楼面开洞提出了规则性的要求楼面开洞尺寸不宜大于楼面宽度的 一半；楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的3 0 ％；在扣除凹入或开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度 不宜小于5 m ，且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2 m 。但在某些实际工程中，这一要求很难满足， 这时，需要判断楼板局部开洞对高层建筑结构抗震性能的影响，如果是对整体抗震性能有不利的影响， 则应该严格控制楼板局部开洞；反之，如果仅仅是局部影响，对整体抗震性能影响不大，则应在设计中 考虑楼板削弱产生的不利影响，并对薄弱部位采取有效的加强措施。本文对某模型工程进行对比分析， 并在此基础上提出了改进和加强的具体措施，可供设计参考。 1 计算模型 计算模型如下 某1 8 层高层建筑，平面布置为3 2 7 2 m 2 的规则矩形 图1 ，长宽比为2 ．2 5 。柱距均为8 m ，层高 3 ．6 m ，总高6 4 ．8 m 。采用钢筋混凝土框架剪力墙结构。 采用中国建筑科学研究院P Ⅺ Ic A D 工程部编制的“S 姗”程序日’进行结构计算。弹性楼板均 定义为“弹性楼板6 ” 面内、面外刚度均考虑 ‘4 ’。 计算振型数为1 5 个，抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0 ．2 0 9 ，场地类别为Ⅱ类，设 计地震分组为第二组，框架和剪力墙抗震等级均为一级。周期折减系数为0 ．7 5 ，考虑偶然偏心和双向地 震扭转效应。中梁刚度增大系数为2 ．0 0 ，梁端弯矩调幅系数为O ．8 5 ，连梁刚度折减系数为0 ．5 5 ，梁扭矩 折减系数为O ．4 0 。 张敬书，男，1 9 6 6 ．1 2 出生，工程硕士，副教授 西部灾害与环境力学教育部重点实验室 兰州大学 开放基金”和“甘肃省建设厅2 0 0 7 年度科技攻关项目”资助项目 ．7 6 2 ． 2 计算结果分析 为分析楼板局部开洞对建筑抗震性能的影响，该楼进行了在l ～4 层楼板局部开洞 其他层不开洞 前后的对比计算，在定义为弹性楼板时，仅l ～4 层中间部位3 个开间定义为弹性楼板。 2 ．1 楼层中间部位边部对称开洞 表1 给出了该楼l ～4 层在中部3 个开间上下两侧对称开洞时的结构计算结果，包括第一振型周期、 最大弹性层间位移角。同时为了分析楼板开洞对刚度的影响，表l 也给出了第4 层和第5 层的楼层侧向 刚度比、楼层层间受剪承载力比的具体数据。 在楼板局部开洞时，表中下4 行开洞均已超出了规范规则性的要求，而且在最后l 行数据中，中部 楼板3 个开间已经全部开洞。 从表中可以看出 1 楼板局部开洞后，结构整体刚度有所降低，但降低的幅度不大 2 考虑楼板为弹性楼板后，结构周期加大，位移加大，但受开洞面积和大小影响不大。 3 从楼层侧向刚度比可以看出，楼板局部开洞后，开洞楼层侧向刚度有所降低，但降低幅度很小。 4 楼层层间受剪承载力比与楼板开洞与否没有关系，也与楼板计算假定没有关系。 ‘4 0 04 0 0j面4 ∞4 0 0 i面4 0 04 0 0 ∞胡o 枷‘∞O1 0 咖hd ⋯⋯自晶4 0 ∞”∞o ．∞喊。4 0 0 4 0 0 卣 d 4 【l o 4 呻虚i 4 0 04 【l 【 基 llll 8 lllll 孽 lllll 晕 基 最墨墨、量 ，鲁 增 噱墨量 。●∞‘8 ∞ 删k晶㈣删‰晶‘∞咖删”瞄 o 1 0 ㈣ ㈣b酷。㈣o 嘲自6 6 洲枷啪嘣。加嗍删k自删 “f 5 日” ●∞Ⅷ1 量爱 8 l 聋 8 l 菪 l 量暑量 事 1 事蕈8 夏 g 墨罱 孽皋塞 宕 搴搴寅景 幄 增 墨滢 ，善 、堇 8 一善 、量 。钾∞0舢h耐㈣ 埘“‰晶⋯蝴4 州 J 柏p ∞0 加伽bd “‘蛳柑咖b6 64 咿ⅫⅧ哪‰ J4 0 p 啪 删k晶椭日∞ ’∞删b；删o ∞嗍‘ 暑 量 l 蠹暑 器 量 蕈 量 晕 8 lllll 8 参妻喜奏 8 量孽囊季量 M 毒噎．暑 、星 。量堙 、垦 o 话4 0 0 ‘∞O o 嗍自5 61 0 哪洲b耐舢柏o ．”嘣 ’4 ∞伽 ”h酷籼洲h商删 ∞‘“a o }，4 伽哪 4 0 嗍1 出J 柏伊∞O删‰镕删 柏伊柏0 8 蕈 墓 g 量晷 8 量 8 蕈 量 摹 蕈 l l 妒 量 8 掌寅 搴囊 8 寅 孽 最 8 景量 嚏皇溘 8 、星埕 童一量 图l 平面简图 不开洞 表1 中部上下两侧对称开洞计算对比表 第一振型周期 最大弹性层间位 楼层侧向刚度比 层间受剪承载 开洞情况 移角力比 刚性楼弹性楼刚性楼弹性楼刚性楼弹性楼刚性 弹性 板板板板板板 楼板楼板 ．7 6 3 ． 不开洞 图1 1 ／8 4 31 ／8 0 41 ．3 4 2 01 ．2 9 2 31 ．0 21 ．0 2 1 ．6 9 1 1 1 ．7 0 2 0 1 ／8 6 91 ／8 6 41 ．4 8 8 11 ．4 6 2 61 ．0 21 ．0 2 两侧对称开洞 每侧各开洞8 m ，剩余楼l ／8 2 61 ／8 0 11 ．3 1 4 61 ．2 9 0 21 ．0 21 ．0 2 1 ．6 9 6 5 1 ．7 0 2 5 板宽度1 6 m ，开洞宽度占总宽5 0 ％，图2 1 ／8 6 71 ／8 6 41 ．4 7 5 6 1 ．4 6 1 4 1 ．0 2 1 ．0 2 两侧对称开洞 每侧各开洞1 嘶，剩余楼 1 ／8 2 0 1 ／8 0 3 1 ．3 0 8 3 1 ．2 9 4 91 ．0 21 ．0 2 板宽度1 2 m ，开洞宽度占总宽6 2 ．5 ％， 1 ．7 2 4 51 ．7 2 6 4 图3 l ／8 5 61 ／8 5 51 ．4 5 8 31 ．4 5 3 51 ．0 21 ．0 2 两侧对称开洞 每侧各开洞1 细，剩余楼 1 ／8 2 01 ／8 0 1 1 ．3 0 3 6 1 ．2 9 4 l1 ．0 21 ．0 2 1 ．7 2 5 21 ．7 2 7 7 板宽度8 m ，开洞宽度占总宽7 5 ％，图4 1 ／8 5 61 ／8 5 41 ．4 5 6 71 ．4 5 2 91 ．0 21 ．0 2 两侧对称开洞 每侧各开洞1 4 m ，剩余楼 1 ／8 1 61 ／7 9 9 1 ．3 0 8 4 1 ．2 9 l O 1 ．0 2 1 ．0 2 板宽度4 Ⅲ，开洞宽度占总宽8 7 ．5 ％，图 1 ．7 2 5 31 ．7 2 8 0 1 ／8 5 61 ／8 5 41 ．4 5 7 01 ．4 5 l O1 ．0 21 ．0 2 5 两侧对称开洞 每侧各开洞1 6 Ⅲ，剩余楼 l ／8 0 31 ／7 9 61 ．2 8 9 51 - 2 8 8 61 ．0 21 ．0 2 1 ．7 2 7 81 ．7 2 8 5 板宽度0 m ，开洞宽度占总宽1 0 0 ％，图6 1 ／8 5 41 ／8 5 41 ．4 5 1 51 ．4 5 9 61 ．0 21 ．0 2 一卜一卜 土 j ； 1 、，一 i 么 圭 L上 上 十 占一』一 』一j j 、_ 一 o 一 ＆一 ，r 么。l 一l 图2 篇 L L 牛 一十L 什什 L 卜 杵f o L 图4 上 丰 止C [ 扛 上 卅下 1 ’ o 矿r r 扣b 图3 土 竹 L 丰 ≠寸T 寸T 一卜 一 十卜呻 √』一 - 蛳√』一 中 扛 fII 二 手 式L L上。一 I 十 丰 下十 L扛J 孑 一一 U 下 一l ．．．J 图5 图6 2 ．2 楼层中间部位中部对称开洞 表2 给出了该楼1 ～4 层在中部3 个开间中间部位对称开洞时的计算数据。表中下4 行开洞均已超出 了规范规则性的要求，而且最后l 行中部楼板已经全部开洞。 ．7 6 4 ． 表2 中部中间部位开洞计算对比表 第一振型周期 最大弹性层间位移 楼层侧向刚度比 层间受剪承载 开洞情况 角力比 刚性楼弹性楼刚性楼弹性楼刚性弹性 板板板 弹性楼板刚性楼板 板楼板楼板 不开洞 图1 l ／8 4 3l ／8 0 41 ．3 4 2 01 ．2 9 2 31 ．0 21 ．0 2 1 ．6 9 1 11 ．7 0 2 0 l ／8 6 9l ／8 6 41 ．4 8 8 11 I4 6 2 61 ．0 21 ．0 2 中部开洞 洞口宽1 6 m ，剩余楼板 1 ／8 2 91 ／7 9 91 ．3 1 8 61 ．2 9 0 31 ．0 21 ．0 2 宽度每边8 m ，共1 6 m ，开洞宽度占 1 ．6 9 6 91 ．7 0 2 5 总宽5 0 ％，图7 1 ／8 6 71 ／8 6 41 ．4 7 6 11 ．4 6 1 11 ．0 21 ．0 2 中部开洞 洞口宽2 0 m ，剩余楼板 1 ／8 2 31 ／8 0 1 ，1 ．3 1 3 3 ，1 ．2 9 5 8 1 ．0 21 ．0 2 宽度每边6 m ，共1 2 m ，开洞宽度占 1 ．7 2 2 3 1 ．7 2 4 5 1 ／8 6 01 ／8 5 81 ．4 5 9 31 ．4 5 3 41 ．0 21 ．0 2 总宽6 2 ．5 ％，图8 中部开洞 洞口宽2 4 m ，剩余楼板 1 ／8 1 9l ／7 9 81 ．3 0 8 61 ．2 9 1 91 ．0 21 ．0 2 宽度每边4 m ，共8 m ，开洞宽度占总 1 ．7 2 3 11 ．7 2 5 6 1 ／8 5 91 ／8 5 71 ．4 5 7 31 ．4 5 0 61 ．0 21 ．0 2 宽7 5 ％，图9 中部开洞 洞口宽2 8 m ，剩余楼板 1 ／8 2 21 ／8 0 01 ．3 1 2 71 ．2 9 4 51 ．0 21 ．0 2 宽度每边2 m ，共4 m ，开洞宽度占总 1 ．7 2 3 31 ．7 2 5 9 l ／8 5 9 1 ／8 5 71 ．4 5 6 91 ．4 5 2 11 ．0 21 ．0 2 宽8 7 ．5 ％，图1 0 中部开洞 洞口宽3 2 m ，无剩余楼 1 ／8 0 3 1 ／7 9 61 ．2 8 9 5 1 ．2 8 8 6 1 ．0 21 ．0 2 1 ．7 2 7 81 ．7 2 8 5 板，开洞宽度占总宽1 0 0 ％，图6 1 ／8 5 41 ／8 5 41 ．4 5 1 51 ．4 5 9 61 _ 0 21 ．0 2 图7 1 T } 一 士 卜_ I 一 卜_卜_ _ 卜． 彩土 一 一} 一} 一 l l 图9 结论和上下对称开洞时一样。 L 一叫 一- 一 h 霄 卜_叫卜-卜 Z - 一} 一 O 一 卜_一 图8 L 庠上 扛6 一 Z丰 占一扛 i 一 上 占一 亡一 十 一 图l O 2 ．3 楼层中间部位下侧开洞 表3 给出了该楼l ～4 层中部3 个开间在下侧开洞时的计算参数，同时为了分析楼板在非对称部位局 ．7 6 5 ． 部开洞对结构抗扭的影响，表3 也给出周期比和位移比。 表3 中部下侧开洞计算对比表 - 前三振型周期 最大弹性层间位 周期比 位移比 刚性楼 开洞情况 移角 板 刚性楼弹性楼刚性楼弹性楼 刚性楼弹性楼 板板板板板板 j r 方向y 方向 不开洞 图1 1 ．6 9 1 11 ．7 0 2 0 1 ／8 4 31 ／8 0 4 1 ．6 7 7 81 ．7 0 0 0O ．8 5 6O ．8 5 21 ．0 51 ．1 9 1 ／8 6 91 ／8 6 4 1 ．4 4 7 71 ．4 5 0 5 下侧开洞 洞口宽跏，剩余楼板宽度2 4 m ， 1 ．6 9 3 81 ．7 0 2 3 l ／8 3 21 ／8 0 2 洞口边缘两方向均有框架梁，图1 1 1 ．6 8 3 81 ．7 0 0 5 O ．8 5 5O ．8 5 21 ．0 51 ．1 9 1 ／8 6 81 ／8 6 4 1 ．4 4 8 71 ．4 5 0 6 下侧开洞 洞口宽8 m ，剩余楼板宽度2 4 m ， 1 ．7 1 3 41 ．7 2 2 3 l ／8 3 31 ／8 0 3 洞口边缘仅x 方向有框架梁，图1 2 1 ．6 9 7 81 ．7 1 4 4O ．8 5 2O ．8 4 91 ．0 51 ．1 9 1 ／8 6 6l ／8 6 1 1 ．4 6 0 21 ．4 6 2 1 下侧开洞 洞口宽8 m ，剩余楼板宽度2 4 m ， 1 ．7 1 0 31 ．7 2 4 5 1 ／8 1 01 ／7 4 l 洞口边缘仅y 方向有框架梁，图1 3 1 ．7 0 7 01 ．7 1 8 80 ．8 5 5O ．8 4 91 ．0 61 ．1 9 1 ／8 6 71 ／8 6 4 ● 1 ．4 6 2 11 ．4 6 4 0 下侧开洞 洞口宽8 m ，剩余楼板宽度2 4 m ， 1 ．7 1 3 61 ．7 2 4 4 1 ／8 l l1 ／7 3 8 洞口边缘两方向均无框架梁，图1 4 1 ．7 0 6 91 ．7 2 2 50 ．8 5 30 ．8 4 91 ．0 61 ．1 9 1 ／8 6 71 ／8 6 2 1 ．4 6 2 21 ．4 6 4 l 上 丰王i 丰丰 ． 一 午 - 一 ／ 圈1 1 I 牛 扛 丰丰 ‘一 丰千 _ 弋 ．／。 圈1 3 弋 工 一卜 牛士 - 士士 十 十十 ● 尘； ， 图1 2 图1 4 从表中可以得出上述类似结论。除此之外，还可以看出，楼板局部不对称开洞对周期比、位移比几 乎没有影响。这说明，对结构抗扭而言，楼板局部开洞的影响可以不予考虑。要提高结构抗扭刚度，应 - 7 6 6 ． 调整竖向构件的布置或提高竖向构件的刚度幢’’哺1 。 3 结语 从本模型工程的计算结果可以得出以下结论 1 楼板局部开洞后，结构的周期和位移变化很小，对结构整体刚度、楼层侧向刚度比和楼层层间受 剪承载力比基本没有影响。而且楼板局部偏开洞时，周期比和位移比变化很小，对结构的抗扭刚度也几 乎没有影响，可以认为，楼板局部开洞对高层建筑整体抗震性能影响较小。 2 从抗震概念设计的原理出发，楼板局部开洞超限后，对结构抗震是不利的，但目前的计算方法难 以对此进行分析，故设计中主要应加强构造措施，对局部薄弱部位进行重点加强。建议楼板局部开洞后， 如剩余楼板宽度较小，不符合规范要求，宜定义弹性楼板进行结构分析该板厚度不宜小于l8 0 舢，并 双层双向配筋，钢筋直径不小于1 2 衄，间距不宣大于1 5 0 n 姐；剩余楼板周围应设置边梁。粱宽、高分 别不宜小于楼板厚度舶3 倍和4 倍，其配筋应通过计算确定并符合构造要求；梁应设置腰筋，腰筋间距 不大于1 5 0 r I l m ，直径不小于1 4 m m ，腰筋在支座处应符合受拉钢筋的锚固要求；沿梁全长箍筋间距不大 于1 0 0 啪，直径不小于8 m m 。 3 本模型工程平面规则对称，剪力墙布置均匀，竖向刚度规则。对于复杂工程，应根据具体情况进 行设计。 参考文献 1 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ，建筑抗震设计规范 S ．北京；中国建筑工业出版社，2 0 0 1 2 】J G J 3 2 0 0 2 ，高层建筑混凝土结构技术规程 S ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 2 3 中国建筑科学研究院P K P I IC A D 工程部，高层建筑结构空间有限元分析软件 s A T w E 用户手册及技术条件 M ． 北京2 0 0 5 4 陈岱林，李云贵，魏文郎，多层及高层结构c A D 软件高级应用 M ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 4 5 戴国莹，王亚勇，房屋建筑抗震设计 M ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 5 【6 徐培福，傅学怡，王翠坤，肖从真，复杂高层建筑结构设计 M ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 5 ．7 6 7 ．