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        高層樓板開洞位置及開洞率對抗震性能的影響

        2021-02-27 02:54:04
        山西建筑 2021年5期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析

        常 鑫

        (中鐵三局集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計(jì)分公司,山西 太原 030024)

        0 引言

        目前許多公共建筑及大型商業(yè)建筑采用樓板開大洞的方式,來滿足建筑形象的多樣化及建筑功能的復(fù)雜化要求,但樓板作為主要傳力構(gòu)件,開洞后必然對結(jié)構(gòu)的抗震性能有嚴(yán)重影響,現(xiàn)行規(guī)范對開洞大小也有著明確限制。本文通過工程實(shí)例,采用MIDAS軟件,研究開洞位置及開洞率對高層結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

        1 工程基本情況

        參考工程實(shí)例為神朔鐵路分公司燕家塔站區(qū)新建公寓樓項(xiàng)目,由中鐵三局勘測設(shè)計(jì)分公司承攬?jiān)O(shè)計(jì),工程地點(diǎn)為陜西省神木市,抗震設(shè)防烈度為6度,建筑類別乙類,結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu),建筑總面積為9 777.6 m2,嵌固層以上為15層,地下部分為1層地下室,建筑總高為59.9 m,因大型設(shè)備吊裝進(jìn)入地下室及設(shè)立中庭,在地下室、1層及2層頂板均開有較大洞口,但開洞率及開洞位置可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,故通過MIDAS有限元分析軟件建立整體模型分別對不同開洞率且不同開洞位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能分析,模型如圖1所示。

        2 MIDAS有限元分析過程

        本次分析分別采用固定開洞位置不同開洞率、固定開洞率及不同開洞位置兩種工程常遇情況進(jìn)行分析,但樓板的剛性特征對抗震性能影響較大,筆者認(rèn)為分析內(nèi)容應(yīng)將兩種不同樓板特性進(jìn)行細(xì)分,故分析內(nèi)容如下。

        2.1 固定開洞位置不同開洞率分析

        洞口位置固定于建筑中部(如圖2a)中Ⅰ開洞情況),開洞率采用0%,6.66%,3.32%,19.98%,26.64%,33.3%。按照地下室、一層及二層頂板開洞剛性樓板和彈性樓板分別進(jìn)行模型計(jì)算得到數(shù)據(jù)后,進(jìn)行數(shù)據(jù)整理見圖3。

        樓板開洞會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的降低從而影響結(jié)構(gòu)周期,由圖3a)所示結(jié)果可知,周期隨樓板開洞的增大而增大,且開洞率在20%以內(nèi)時,變化幅度在5%左右。

        最大層間位移角可以較為直觀反映結(jié)構(gòu)地震水平力作用和結(jié)構(gòu)剛度的相互影響,由圖3b)所示結(jié)果可知,最大層間位移角隨著樓板開洞率的增大而增大,且開洞率在20%以內(nèi)時,層間位移角變化幅度在3%以內(nèi),對結(jié)構(gòu)整體抗震影響較小。開洞率對層間位移比的影響幅度不大(如圖3c)所示)。

        通過分析對比圖3中彈性樓板與剛性樓板的數(shù)據(jù)可以看出,彈性樓板相較剛性樓板,周期增大,層間位移角加大,但在開洞率20%以內(nèi)時兩種情況周期、位移基本一致。

        2.2 固定開洞率及不同開洞位置分析

        通過2.1的分析可知開洞率在20%以內(nèi)時對結(jié)構(gòu)抗震性能影響較小,故將開洞率設(shè)置固定值19.98%,開洞平面位置分別為中部(Ⅰ)、四周(Ⅱ)、長邊一側(cè)(Ⅲ)、短邊一側(cè)(Ⅳ)、角部(Ⅴ)(如圖2a),圖2b)所示),開洞樓層為地下室、一層及二層頂板,按照剛性樓板和彈性樓板分別建立模型后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理如圖4所示。

        從圖4數(shù)據(jù)所示:

        剛性樓板與彈性樓板模型在不同開洞位置時周期、層間位移、最大層間位移比變化趨于一致。

        僅從開洞位置不同的角度來看,剛性樓板與彈性樓板模型在四周布置開洞時均為抗震最不利位置,長邊一側(cè)和中部布置次之。

        當(dāng)開洞位置處于四周布置時,對比剛性樓板模型與彈性樓板模型發(fā)現(xiàn),彈性樓板周期、最大層間位移、最大層間位移比明顯大于剛性樓板,說明剛性樓板抗震設(shè)計(jì)中效果要優(yōu)于彈性樓板。而角部集中及短邊一側(cè)開洞且采用剛性樓板時對整體影響較小,為最優(yōu)洞口布置方案。

        3 結(jié)論

        本文通過分析研究不同開洞率及開洞位置對框—剪結(jié)構(gòu)整體抗震性能,對工程中常見樓板開洞問題進(jìn)行討論,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

        1)框—剪結(jié)構(gòu)整體抗震性能隨樓板局部開洞率的增大而減弱,但減弱程度較小,開洞率控制在20%以內(nèi)對框—剪結(jié)構(gòu)整體抗震性能影響較小。

        2)剛性樓板與彈性樓板在開洞率20%以內(nèi)對框—剪結(jié)構(gòu)抗震性能影響差別不明顯。

        3)框—剪結(jié)構(gòu)整體抗震性能隨樓板局部開洞位置的不同而不同,最不利開洞為四周均勻開洞,相對四周均勻開洞有利開洞位置為角部集中開洞及短邊一側(cè)開洞。

        4)GB 50011建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定樓板開洞面積大于該層樓面面積的30%時視為局部不連續(xù),通過本文分析當(dāng)樓板采用彈性樓板,開洞位置均勻布置在樓面四角,且樓面開洞率在20%以上時,應(yīng)對設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步考慮,以確保整體結(jié)構(gòu)抗震性能可靠性。

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