楼板大开洞及穿层柱对结构抗震设计影响

张 云

(华东都市建筑设计研究院总院，上海 200070)

楼板大开洞及穿层柱对结构抗震设计影响

张 云

(华东都市建筑设计研究院总院，上海 200070)

建筑单体存在塔楼与裙房未设缝脱开，抗侧力构件收进宽度超限，楼板大开洞，穿层柱的抗震超限情况；通过楼板应力分析来查看楼板大开洞对结构影响；通过对穿层斜柱截面有限元分析对其进行抗震性能设计；通过Push-over静力弹塑性分析得出结构在大震下塑性铰发展顺序。

穿层斜柱,有限元分析,抗震性能设计,塑性铰

1 概述

近年来我国连续遭遇了几次严重的地震灾害，且地震的实际烈度均高出抗震设防烈度3度～4度(5·12汶川地震的地震动强度超出预计的10倍)，在此强度下，绝大多数建筑物均受到中等至严重破坏[1]，其中就包括防震缝处的破坏以及楼板大开洞处的破坏，笔者有幸在实际工程中遇到了此类结构类型，特此总结成文，供各位同行品鉴。

2 工程背景

本工程坐落于杭州西湖区，距离西溪湿地国家公园约6 km，与西湖最近距离约4 km，东侧毗邻浙大紫金港西校区。地块狭长，规模中等，北侧面向干道，西侧为规划路，东侧及南侧为俞家河环绕，总用地约3.3万m2。地块周边自然景观优美，文化气息汇聚，交通便捷，地势较为平坦。

总部办公(1号楼)为高层，共13层，建筑总高度53.330 m，结构体系为框架—剪力墙，分设裙房及主楼上下两区，裙房与主楼之间未设缝脱开，造成整个单体在裙房屋面处Y向平面尺寸缩进约为43%。裙房部分为1层～3层，1层南侧根据建筑设计要求设置总部大楼两层通高的入口大堂；同时，在入口大堂右侧相邻范围内设置450 m2互动演播厅，同样采取两层通高设计，造成2层楼板缺失约为40%。裙房3层为普通办公楼层，裙房顶层设有屋顶花园，张显绿色建筑特色。主楼部分6层～13层，为华策影视的办公场所。整个单体平面四周采用框架体系满足建筑功能需求，中部楼梯间、电梯间四周布置剪力墙，形成抗震两道防线，这样的抗侧力构件布置既合理利用了空间，又兼顾了单体的抗震设防需求，较为合理、高效。层高方面，除首层、2层层高设计为4.79 m外，其余楼层均为3.9 m层高，满足办公的空间需求。

如图1所示，本单体主要的结构不规则在于以下三点:1)裙房与主楼未设缝脱开，造成整体外挑宽度超限；2)局部楼层大开洞且开洞面积大于30%；3)单体西面有三根1层～2层穿层斜柱。

3 计算分析

3.1 楼板有限元分析

由于结构2层楼板开大洞，且裙房顶层立面收进超限，楼板连接比较薄弱，采用由中国建筑科学研究院编制的PMSAP软件对开大洞的2层楼面、裙房屋面楼板补充进行中震弹性有限元分析。

中震作用下2层楼板有限元分析,见图2，图3。

中震作用下裙房屋面层楼板有限元分析见图4，图5。

从地震工况下板壳单元模型的计算结果可以得出以下结论：

在中震地震工况下，楼板处于较低的应力水平，满足中震弹性的较高设防要求。

在中震地震工况下，单体内楼板应力水平连续，说明水平作用得到有效传递。

在平面阴角部，洞口板角部、连接板根部位置应力较为集中，应加强配筋并布置角部钢筋加强。

采用中震结构弹性的假定虽与实际情况有一定出入，但考虑以下几点，这种假定还是可行的：

中震时结构进入塑性，导致其自振周期加长，相应地震反应减弱，楼板的实际受力应低于计算应力；

弹性假定还是可以近似反应楼板的应力分布情况的，也能够据此找到其应力集中的薄弱部位；

考虑楼板内钢筋的协同作用会提高其实际承载能力。

从上面的分析结果能看出，虽然结构平面存在平面大开洞超限及立面收进超限的情况，但上述楼板在设防地震作用下应力均未超过混凝土轴心抗拉强度设计值(C30,fy=1.43 MPa)，因此结构方案还是可以保证地震作用下结构的整体性，楼板可以确保水平面内、外刚度，并给予竖向构件合理约束，满足抗震规范[3]第3.5.3条规定：结构体系“宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位产生过大的应力集中或塑性变形集中”[2]。

3.2 中震下穿层斜柱截面有限元分析

进一步论证，利用XTRACT分析得到传层斜柱的N—M曲线，读取SATWE计算的构件内力，进行内力组合，得到所有可能工况的内力组合，将穿层斜柱的N—M曲线和所有内力组合绘制于同一张图表中，表达实际承载力与各工况内力之间的包络关系，材料选用：混凝土等级为C50，钢筋等级HRB400，截面为φ900的圆柱，内配1425 。

XTRACT是美国Imbsen公司和美国加州理工大学Berkley分校的Charles Chadwell博士合作出品的一款通用截面分析软件，可以对任意形状和任意材料的截面进行截面分析，包括：M曲线分析、N—M曲线分析、M—M曲线分析。

混凝土材料模型：

混凝土抗压强度和极限压应变根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范[4]确定。

钢筋材料模型：

钢筋采用理想弹塑性本构关系。钢材的强度设计值根据中国GB 50010—2010混凝土结构设计规范[4]确定。

图6给出了穿层斜柱在中震下出现的N—M曲线及其各工况组合内力。从图6中可以看出，穿层斜柱的N—M曲线都能包络各工况组合内力。

4 抗震性能设计

本工程超限单体的抗震性能目标定为“D”级，基本遵循规范三水准两阶段的抗震设防思想，进行第一阶段的抗震设计，来满足“小震不坏，中震可修”，通过概念设计及抗震措施来满足第三水准设防目标，即“大震不倒”，具体设防目标详见表1。

表1 抗震性能目标

大震抗震性能概念分析计算原则：在SATWE 中，地震影响系数最大值αmax=0.28;内力调整系数1.0(强柱弱梁，强剪弱弯)；荷载作用分项系数、材料分项系数均取1.0；构件承载力抗震调整系数1.0；材料强度采用标准值;不考虑风荷载。计算结果表明，在罕遇地震作用下，所有竖向构件均满足受剪截面控制条件，满足设计要求。具体计算结果见大震不屈服计算图形文本。

本工程采用PKPM工程部编制的EPDA分析软件，利用Push-over法计算结构在罕遇地震下由弹性到破坏的过程。侧向荷载采取倒三角法，基底剪力与总重量的比值取为1。Push程序是一个完全三维的有限元空间弹塑性分析程序，程序的单元库包括梁(柱)元和剪力墙元两种非线性单元。弹塑性梁(柱)单元采用标准的有限元方法构造，单元切线刚度直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系，也即纤维素模型。弹塑性墙元面内刚度的力学模型采用平面应力膜，并可以考虑开洞，与梁柱元一样，它的单元切线刚度也直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系。

混凝土材料的受压本构关系采用SAENZ曲线模拟，并考虑了其中的下降段，忽略混凝土的抗拉能力。钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，见图7。

Push-over分析中塑性铰的分布情况及出铰顺序如下，以Y向Push-over结果为例：

第13步塑性铰分布图(荷载因子1.038 3)顶层剪力墙的连梁出现了塑性铰；

第18步塑性铰分布图(荷载因子1.070 9)底层剪力墙出现塑性铰并逐步向上发展；

第23步塑性铰分布图(荷载因子1.087 6)(性能点)，各层连梁均出现塑性铰，底层剪力墙绝大部分屈服，底层局部墙体出现破坏，框架柱未见屈服。

从出铰位置及顺序中可以看出，剪力墙作出了较大的耗能贡献，关键构件的抗震承载力满足正截面要求，较多的竖向构件进入屈服阶段，但同一楼层竖向构件没有全部屈服，部分耗能构件发生比较严重的破坏，满足规范关于罕遇地震下第5性能水准的要求。

5 结语

通过笔者的计算分析以及工程完成后的监测表明，虽然本工程裙房与主楼未设缝脱开，裙房局部楼层也存在大开洞超限情况，但只要在施工图阶段对于裙房屋面楼板及平面大开洞四周楼板厚度适当加厚，并双层双向配筋,适当提高配筋率，对洞口边缘均设置边梁并作加强配筋处理，同时对这两部分的楼板进行弹性有限元应力分析计算,控制设防地震作用下的主拉应力不大于混凝土抗拉强度，可以使结构有足够的抗震性能。

[1] 王亚勇.汶川地震建筑震害启示——抗震概念设计[J].建筑结构学报,2008(4):20-25.

[2] 王亚勇.汶川地震建筑震害启示——三水准设防和抗震设计基本要求[J].建筑结构学报,2008(4):26-27.

[3] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范(2016年版)[S].

[4] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范(2015年版)[S].

Theinfluenceoflargeopeningandthroughlayercolumnonseismicdesignofstructures

ZhangYun

(EastChinaUrbanArchitecturalDesignResearch&Institute(Co.,Ltd),Shanghai200070,China)

There are building towers and podium without joint, lateral components in width gauge, floor openings, overrun wear layer column， aseismic overlimit. Through the analysis of the floor stress, the influence of the large opening of the floor to the structure. Through finite element analysis of cross section oblique column section, the seismic performance of the column is designed, the order of the development sequence of plastic hinge under large earthquake is obtained by Push-over static elastoplastic analysis.

pass through floor oblique column, finite element analysis, seismic performance design, plastic hinge

2017-10-23

张 云(1984- )，男，工程师

1009-6825(2017)35-0026-03

TU352.1

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