高层楼板开洞位置及开洞率对抗震性能的影响

常 鑫

(中铁三局集团有限公司勘测设计分公司，山西 太原 030024)

0 引言

目前许多公共建筑及大型商业建筑采用楼板开大洞的方式，来满足建筑形象的多样化及建筑功能的复杂化要求，但楼板作为主要传力构件，开洞后必然对结构的抗震性能有严重影响，现行规范对开洞大小也有着明确限制。本文通过工程实例，采用MIDAS软件，研究开洞位置及开洞率对高层结构抗震性能的影响。

1 工程基本情况

参考工程实例为神朔铁路分公司燕家塔站区新建公寓楼项目，由中铁三局勘测设计分公司承揽设计，工程地点为陕西省神木市，抗震设防烈度为6度，建筑类别乙类，结构形式为框架剪力墙结构，建筑总面积为9 777.6 m2，嵌固层以上为15层，地下部分为1层地下室，建筑总高为59.9 m，因大型设备吊装进入地下室及设立中庭，在地下室、1层及2层顶板均开有较大洞口，但开洞率及开洞位置可根据实际情况进行调整，故通过MIDAS有限元分析软件建立整体模型分别对不同开洞率且不同开洞位置进行结构抗震性能分析，模型如图1所示。

2 MIDAS有限元分析过程

本次分析分别采用固定开洞位置不同开洞率、固定开洞率及不同开洞位置两种工程常遇情况进行分析，但楼板的刚性特征对抗震性能影响较大，笔者认为分析内容应将两种不同楼板特性进行细分，故分析内容如下。

2.1 固定开洞位置不同开洞率分析

洞口位置固定于建筑中部(如图2a)中Ⅰ开洞情况)，开洞率采用0%，6.66%,3.32%,19.98%,26.64%,33.3%。按照地下室、一层及二层顶板开洞刚性楼板和弹性楼板分别进行模型计算得到数据后，进行数据整理见图3。

楼板开洞会导致结构刚度和质量的降低从而影响结构周期，由图3a)所示结果可知，周期随楼板开洞的增大而增大，且开洞率在20%以内时，变化幅度在5%左右。

最大层间位移角可以较为直观反映结构地震水平力作用和结构刚度的相互影响，由图3b)所示结果可知，最大层间位移角随着楼板开洞率的增大而增大，且开洞率在20%以内时，层间位移角变化幅度在3%以内，对结构整体抗震影响较小。开洞率对层间位移比的影响幅度不大(如图3c)所示)。

通过分析对比图3中弹性楼板与刚性楼板的数据可以看出，弹性楼板相较刚性楼板，周期增大，层间位移角加大，但在开洞率20%以内时两种情况周期、位移基本一致。

2.2 固定开洞率及不同开洞位置分析

通过2.1的分析可知开洞率在20%以内时对结构抗震性能影响较小，故将开洞率设置固定值19.98%，开洞平面位置分别为中部(Ⅰ)、四周(Ⅱ)、长边一侧(Ⅲ)、短边一侧(Ⅳ)、角部(Ⅴ)(如图2a),图2b)所示)，开洞楼层为地下室、一层及二层顶板，按照刚性楼板和弹性楼板分别建立模型后进行数据分析整理如图4所示。

从图4数据所示：

刚性楼板与弹性楼板模型在不同开洞位置时周期、层间位移、最大层间位移比变化趋于一致。

仅从开洞位置不同的角度来看，刚性楼板与弹性楼板模型在四周布置开洞时均为抗震最不利位置，长边一侧和中部布置次之。

当开洞位置处于四周布置时，对比刚性楼板模型与弹性楼板模型发现，弹性楼板周期、最大层间位移、最大层间位移比明显大于刚性楼板，说明刚性楼板抗震设计中效果要优于弹性楼板。而角部集中及短边一侧开洞且采用刚性楼板时对整体影响较小，为最优洞口布置方案。

3 结论

本文通过分析研究不同开洞率及开洞位置对框—剪结构整体抗震性能，对工程中常见楼板开洞问题进行讨论，可以得到以下几点结论：

1)框—剪结构整体抗震性能随楼板局部开洞率的增大而减弱，但减弱程度较小，开洞率控制在20%以内对框—剪结构整体抗震性能影响较小。

2)刚性楼板与弹性楼板在开洞率20%以内对框—剪结构抗震性能影响差别不明显。

3)框—剪结构整体抗震性能随楼板局部开洞位置的不同而不同，最不利开洞为四周均匀开洞，相对四周均匀开洞有利开洞位置为角部集中开洞及短边一侧开洞。

4)GB 50011建筑抗震设计规范中规定楼板开洞面积大于该层楼面面积的30%时视为局部不连续，通过本文分析当楼板采用弹性楼板，开洞位置均匀布置在楼面四角，且楼面开洞率在20%以上时，应对设计进行进一步考虑，以确保整体结构抗震性能可靠性。