某楼板大开洞框架结构抗震性能分析

王玉刚，陈 鸽，赵 林

（1．四川华西建筑设计院有限公司西安分公司，陕西 西安 710021；2．新时代（西安）设计研究院有限公司，陕西 西安 710021）

1 概述

随着我国建筑业的快速发展、居住条件的改善，人们对于建筑造型的要求也越来越高。在满足日常生活、工作的前提下对建筑的空间要求也日益提高，因此造成一些公共建筑如酒店、体育馆、博物馆等造型越来越独特。为了满足建筑功能的要求，在结构设计时往往会对结构的规则性造成一定的破坏。这种破坏在地震发生时造成的损失尤其严重。其中楼板开洞是造成结构平面不规则的原因之一［1］，所以研究楼板开洞对于建筑结构的影响具有十分重要的意义。在这方面国内外学者也进行了大量的研究，本文在前人研究的基础上结合具体的工程实例，研究分析了楼板开洞位置以及层高的变化对框架结构的抗震性能的影响［2］。

2 工程概况

甘肃省天水市某酒店裙房项目，结构高度22．55 m，地上4 层，地下1 层。X向5 跨38．10 m，Y向6 跨38．65 m。抗震设防烈度为8 度，设计地震分组二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期0．4 s，基本地震加速度0．3g。结构开洞楼层为第二、四层，结构平面布置如图1，图2 所示。为研究楼板开洞的影响，本文共建立了12 个分析模型，两层楼板均开洞模型A，楼板不开洞模型B，仅2 层楼板开洞模型C 和仅4 层楼板开洞模型D，分析其在自身开 洞 变 化 以 及1 层 高 度 分 别 为5 m，5． 5 m 和6 m 时的抗震性能［3］。

图1 2 层结构平面布置图

图2 4 层结构平面布置图

3 结果分析

3．1 周期

由T==2π可知，当楼板开洞以后会对结构的刚度和质量产生影响，从而影响结构的振动周期。经计算分析各模型的周期详见表1，表1 中各模型的前三个周期分别为平动、平动、扭转。从表中可以看出，当楼板开洞位置、层数和大小的变化对于结构周期的影响并不明显，变化幅度在2．1%以内。1 层高度的变化对周期的影响比楼板开洞位置、层数和大小的变化对周期的影响大，变化幅度在7%。随着1 层高度的增加，两个平动周期和扭转周期均逐渐变大，其中对于平动周期的影响要大于扭转周期。平动周期和扭转周期均在2 层楼板开洞时达到最大，但和楼板不开洞时相差最小。从图3 可以看出第一扭转周期与第一平动周期的比值并没有随楼板开洞层数、位置、大小以及1 层层高的增加而发生明显的变化，说明这些因素对于周期比的影响较小。

图3 周期比

表1 各模型的周期

3．2 位移角

从图4 ～图7 中可以看出，各模型在地震作用下的最大位移角随着开洞楼层位置、大小、层数和1 层层高的增加而发生变化［4］，在X向，Y向地震作用下最大位移角均随着1 层层高的增加而减小；X，Y单向地震和双向地震作用下的位移角的变化趋势相同，且双向地震时的各模型的最大位移角的大小与相应的单向地震时的位移角大小几乎相同。对于X向单、双向地震作用下的最大位移角，在层高为5 m 和5．5 m 时的变化趋势相同，均在楼板2 层开洞时最小，在4 层楼板开洞时最大。由于地震作用时，结构的质量越大地震影响就越大结构的最大位移角就越大，所以当2 层、4 层均开洞时比不开洞时X向地震作用下最大位移角小［5］。Y向单、双向地震作用下的最大位移角呈现出U 型变化趋势一致，且随1 层层高的增加而均匀变化。当4 层楼板开洞时位移角最大，2 层楼板开洞时位移角最小。由以上可以说明楼板开洞不会影响X，Y单、双向地震作用时最大位移角的变化趋势。随着1 层层高的增加单、双向地震作用下的最大位移角会逐渐减小。楼层不开洞时的最大位移角并不是最小的。

图4 X 向地震作用下最大位移角

图5 Y 向地震作用下最大位移角

图6 X 向双向地震作用下最大位移角

图7 Y 向双向地震作用下最大位移角

从图8 ～图13 中可知，当楼板不开洞与仅2 层楼板开洞时X向地震作用下的最大位移角随1 层层高的变化趋势相同，呈先上升后下降趋势，且楼板不开洞时的位移角比仅2 层楼板开洞时相应的各楼层位移角大；2 层和4 层楼板均开洞时与仅4 层楼板开洞的位移角变化趋势相同，呈现出逐步上升的趋势，且仅4 层楼板开洞的位移角大于两层都开洞的位移角。对于各楼层Y向地震作用下的最大位移角随楼层的变化均呈逐渐上升的趋势。其中楼板不开洞和仅2 层楼板开洞的变化相同，楼板开双洞和仅4 层楼板开洞的变化相同。Y向地震作用下的最大位移角的变化幅度大于相应的X向地震作用下的最大位移角的变化幅度。随着1 层层高的增加，X向，Y向地震作用时最大位移角的变化幅度逐渐减缓，但变化趋势依然相同［6－7］。

图8 5 m 时X 向地震作用下各层最大位移角

图9 5 m 时Y 向地震作用下各层最大位移角

图10 5.5 m 时X 向地震作用下各层最大位移角

图11 5.5 m 时Y 向地震作用下各层最大位移角

图12 6 m 时X 向地震作用下各层最大位移角

图13 6 m 时Y 向地震作用下各层最大位移角

从图14，图15 中可以看出1 层的最大位移角均随自身层高的增加而逐渐增大。1 层层高的增加对中间两层最大位移角的变化影响较小，对于顶层的影响要大于中间两层。究其原因是因为顶层结构体形收进，鞭梢效应引起的。X向地震作用下各层最大位移角的变化幅度要小于相应的Y向地震作用下各层最大位移角的变化幅度。层高的改变对自身最大位移角的影响幅度要大于其他层。

图14 X 向地震作用下各层最大位移角

图15 Y 向地震作用下各层最大位移角

4 结语

楼板开洞的位置、大小以及楼层的变化对于框架结构周期以及周期比的影响并不明显，因为随着楼层开洞，楼层的质量和刚度都会发生变化。楼板开洞位置、大小、楼层的变化对X向，Y向地震作用下最大位移角的变化影响不同。最大位移角的变化趋势与单、双向地震作用无关。地震作用下各楼层的位移角变化趋势随开洞位置、大小和楼层的变化具有一定的规律性。首层层高的变化会影响地震作用下最大位移角的变化幅度。首层层高的变化对X向，Y向地震作用下的影响不同。结构设计中要对开洞位置的梁、板进行加强以减小地震作用对最大位移角的影响。