某框架结构中大开洞的抗震分析与设计
2023-11-04张明泰山科技学院山东泰安271000
文／张明 泰山科技学院 山东泰安 271000
引言：
大开洞能够满足建筑的使用功能要求，使得建筑在内部美观上有所提升，为了让建筑内部布局更加的丰富和多元化，大开洞应用的越来越多，但大开洞对结构的整体抗震性是不利的，给建筑结构的分析与设计增加了困难，因此，合理的计算并采取可靠的加强措施显得尤为重要。
1.工程概况
某工业综合利用智能化生产线研发及制造项目研发中心位于山东省泰安市，地上五层，局部六层，一层层高为3.80m，二～五层层高均为3.60m，局部六层层高为3.60m，建筑总高度为18.65m，室内外高差为0.450m，总建筑面积约为5765.76m2，整个研发中心屋顶采用平屋顶，该建筑采用框架结构形式，所在地区的抗震设防烈度为7 度，地面粗糙度为B 类，设计地震分组为第二组，地震加速度为0.10g，建筑场地类别为П 类，场地的特征周期为0.40s，采用基本风压为50 年一遇，取值为0.40kN/m2，建筑结构安全等级为二级，建筑工程抗震设防类别为标准设防类，结构的设计工作年限为50 年。抗震等级按照三级计算，楼梯参与整体模型的计算。
2.框架结构中大开洞位置的分布
该研发中心由于内部使用功能的要求，在5 轴～6 轴交A 轴～B 轴之间一层顶部设置大开洞，并在第五层根据房间的使用功能，3 轴、4 轴、7 轴分别交B 轴～C 轴线位置的框架柱不能升至五层房间内，该位置形成的大空间，结构上使用大跨度梁来布置，建筑平面布置如图1、图2 所示：
图1 一层建筑平面图
图2 二层建筑平面图
3.该框架抗震弹性分析
本工程采用建筑结构计算软件PKPM V1.5.0.1 版进行整体计算分析及设计。
3.1 该结构整体计算参数
表1 结构模型整体计算参数
X 向地震工况下的全楼最大层间位移角为1/865，发生在第一层位置，Y 向地震工况下的全楼最大层间位移角为1/885，发生在第一层位置，均小于弹性层间位移角限值1/550[1]，满足要求。
3.2 大开洞四角柱各点的层间位移角
计算结果中选取5 轴～6 轴交A 轴～B 轴相交处柱各点的层间位移角如下列表格所示：
表2 X 向地震工况各柱节点位移角
表3 Y 向地震工况各柱节点位移角
表4 X+Y 地震（双向效应）工况各柱节点位移角（X 分量）
表5 Y+X 地震（双向效应）工况各柱节点位移角（Y 分量）
3.3 大开洞四角柱各点的地震剪力及弯矩
计算结果中选取5 轴～6 轴交A 轴～B 轴相交处柱各点柱顶的地震剪力（KN）如下列表格所示：
表6 X 向地震工况各柱节点柱顶剪力（KN）
表7 Y 向地震工况各柱节点柱顶剪力（KN）
表8 X+Y 地震（双向效应）工况各柱节点柱顶剪力（KN）（X 分量）
表9 Y+X 地震（双向效应）工况各柱节点柱顶剪力（KN）（Y 分量）
计算结果中选取5 轴～6 轴交A 轴～B 轴相交处柱各点柱顶的弯矩（KN.m）如下列表格所示：
表10 X 向地震工况柱底弯矩（KN.m）（绕Y 轴弯矩）
表11 Y 向地震工况柱底弯矩（KN.m）（绕X 轴弯矩）
表12 X+Y 地震（双向效应）工况柱底弯矩（KN.m）（绕Y 轴弯矩）
表13 Y+X 地震（双向效应）工况柱底弯矩（KN.m）（绕X 轴弯矩）
3.4 大开洞在整体计算中，五层大跨梁的地震剪力及弯矩
计算结果中选取3 轴、4 轴、7 轴大跨框架梁的地震剪力（KN）如下列表格所示：
表14 各轴框架梁梁端剪力最大值（KN）
计算结果中选取3 轴、4 轴、7 轴大跨框架梁的弯矩（KN.m）如下列表格所示：
3.5 大开洞周围采取加强措施
将大开洞周围的板及大开洞上方二层顶及周围的结构板厚由原来的计算厚度加大到150mm，重新经过整体计算分析，该框架结构整体第一周期为0.9439s，X 向整体平动系数为0.98，第二周期为0.9315s，Y 向整体平动系数为0.99，第三周期为0.8136s，扭转系数为0.98；第一、第二周期以平动为主，第三周期以扭转为主，第三周期扭转周期与第一平动周期之比为0.86 小于0.90 满足规范要求。X 向地震工况及X+Y 地震（双向效应）工况下的全楼最大层间位移角为1/863，发生在第一层位置，Y 向地震工况下的全楼最大层间位移角为1/884，发生在第一层位置，Y+X 地震（双向效应）工况下的全楼最大层间位移角为1/870，发生在第一层位置，均小于弹性层间位移角限值1/550[1]，满足要求。
3.6 采取加强措施后大开洞四角柱各点的层间位移角
计算结果中选取5 轴～6 轴交A 轴～B 轴相交处柱各点的层间位移角如下列表格所示：
表16 X 向地震工况各柱节点位移角
表17 Y 向地震工况各柱节点位移角
表18 X+Y 地震（双向效应）工况各柱节点位移角（X 分量）
表19 Y+X 地震（双向效应）工况各柱节点位移角（Y 分量）
3.7 采取加强措施后大开洞四角柱各点的地震剪力及弯矩
计算结果中选取5 轴～6 轴交A 轴～B 轴相交处柱各点柱顶的地震剪力（KN）如下列表格所示：
表20 X 向地震工况各柱节点柱顶剪力（KN）
表22 X+Y 地震（双向效应）工况各柱节点柱顶剪力（KN）（X 分量）
表23 Y+X 地震（双向效应）工况各柱节点柱顶剪力（KN）（Y 分量）
计算结果中选取5 轴～6 轴交A 轴～B 轴相交处柱各点柱顶的弯矩（KN.m）如下列表格所示：
表24 X 向地震工况柱底弯矩（KN.m）（绕Y 轴弯矩）
表25 Y 向地震工况柱底弯矩（KN.m）（绕X 轴弯矩）
表26 X+Y 地震（双向效应）工况柱底弯矩（KN.m）（绕Y 轴弯矩）
表27 Y+X 地震（双向效应）工况柱底弯矩（KN.m）（绕X 轴弯矩）
3.8 采取加强措施后大开洞在整体计算中，五层大跨梁的地震剪力及弯矩
计算结果中选取3 轴、4 轴、7 轴大跨框架梁的地震剪力（KN）如下列表格所示：
表28 各轴框架梁梁端剪力最大值（KN）
计算结果中选取3 轴、4 轴、7 轴大跨框架梁的弯矩（KN.m）如下列表格所示：
表29 各轴框架梁跨中弯矩最大值（KN.m）
3.9 两种整体计算的结果对比分析
从上述两种计算结果得出，采取加强措施后大开洞四角柱各点的地震剪力及弯矩均有所增大，加大板厚更有利于地震内力的传递，并且加大板厚使整体计算更加合理，通过比较，加大板厚不会对顶层的大跨梁计算产生影响。
结语：
框架结构内部大开洞导致楼板局部不连续，对于传递水平地震力非常不利，整体结构刚度也被削弱，抗震性能下降，因此对大开洞部分必须要合理的计算并采取可靠的加强措施，保证结构整体的安全性。
