樓板開洞對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的彈塑性分析

宋京京，秦文明

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

樓板開洞對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的彈塑性分析

宋京京，秦文明

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

為了對不同布置形式的樓板開洞處理下RC框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用中的抗震性能進行研究分析，論文采用PKPM-SUASUGE彈塑性時程分析軟件對合肥市某RC框架結(jié)構(gòu)附屬用房進行彈塑性分析。主要研究了不同布置形式的樓板開洞處理在罕遇地震作用下對框架結(jié)構(gòu)的影響，得出框架結(jié)構(gòu)模型的層間位移角及層間剪力等數(shù)據(jù)并進行對比分析，以期得出不同形式的樓板開洞對結(jié)構(gòu)整體的影響。通過分析不同形式的樓板開洞情況，為RC框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提出一些意見。

樓板開洞；RC框架結(jié)構(gòu)；彈塑性分析

0 前 言

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系隨著材料性能和制作工藝的不斷提高，應(yīng)用范圍逐漸擴大，同時建筑物的使用功能日趨復雜。為了滿足不同的功能要求，越來越多的建筑常會對建筑的樓板進行不同程度的開洞。

然而樓板大面積開洞會導致樓板水平傳力途徑受到一定的影響，結(jié)構(gòu)平面內(nèi)剛度及結(jié)構(gòu)的整體性削弱，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大，形成薄弱層。這些問題，在抗震設(shè)計中應(yīng)引起足夠的重視［1］。

針對上述的問題，本文分析了不同樓層樓板開洞布置形式對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，采用彈塑性分析軟件PKPM-SUASUGE對某8層RC框架結(jié)構(gòu)（由于結(jié)構(gòu)第八層為構(gòu)架層，在本文中不計入分析）在不同樓層樓板處進行開洞并進行罕遇地震下的反應(yīng)分析，分析結(jié)構(gòu)的破壞機制，并從層間位移角、層間剪力等數(shù)據(jù)進行對比，綜合評估結(jié)構(gòu)的抗震性能，分析不同開洞情況下樓板開洞對框架結(jié)構(gòu)整體的影響。

1 彈塑性時程分析法［2-5］

彈塑性時程分析法即“將結(jié)構(gòu)作為彈塑性振動體系加以分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)的基本運動方程，直接將地震波數(shù)據(jù)輸入地面運動，通過積分運算，求得在地面加速度隨時間變化的期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形隨時間變化的全過程”。這種方法也稱為彈塑性直接動力法。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2001）5.1.2條規(guī)定“采用時程分析法時，應(yīng)該按建筑場地類別與設(shè)計地震分組來選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3”。 由于本文只單一的進行地震波作用下的時程數(shù)據(jù)分析，因此僅選取Anza（HorseCanyon）地震波對4種結(jié)構(gòu)方案進行彈塑性時程分析。

2 有限元分析模型的建立

本文模型選取肥西縣地區(qū)一棟 8層附屬用房來進行分析。該工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為23.550m?；炷林叽绶謩e采用500×500和600×600，樓板采用鋼筋混凝土板，標準層板厚100mm，混凝土等級采用C30，鋼筋采用HRB400級鋼［6］。工程設(shè)計計算采用PKPM建模生成SATWE數(shù)據(jù)后導入到PKPM-SUASUGE模塊中進行彈塑性時程分析［7］。本工程填充墻結(jié)構(gòu)不作為分析要點，在前期設(shè)計中已換算成線荷載計入計算。有限單元模型見圖1?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2001）規(guī)定，肥西縣地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為 0.10g。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2001）表5.1.2-2規(guī)定，本工程罕遇地震下時程分析所采用的地震加速度時程的最大值為220cm/s2；模態(tài)分析階段振型數(shù)選用 15；在豎向加載分析階段阻尼采用基于振型分解的振型阻尼，阻尼比設(shè)置為5%。

為了對比分析不同樓層樓板開洞布置形式對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，本文設(shè)計了4種方案進行對比。分別對結(jié)構(gòu)進行不開洞（模型一），全開洞（模型二），第1、3、5隔層開洞（模型三）及底層開洞（1、2、3層）開洞（模型四）這4種不同的開洞形式。

圖1 有限元單元模型

3 計算分析

3.1 變形特性對比

通過計算分析，我們得到以下幾種模型的層間位移及層間剪力對比圖。

根據(jù)數(shù)據(jù)得出：

①層間位移角方面（圖 2），模型一的層間位移角最大值在六層（1/121）；模型二的層間位移角最大值在七層（1/131）；模型三的層間位移角最大值在六層（1/120）；模型四的層間位移角最大值在四層（1/175）。

②層間剪力方面（圖 3），模型一層間剪力最大值在一層（3361kN），同時在4個模型中剪力最大；模型二的最大值在一層（1939kN）；模型三最大值在一層（2125 kN）；模型四的最大值在四層（2096 kN）。結(jié)合損傷云圖可看出，剪力最大層均形成薄弱層。

3.2 損傷云圖

本文選取了模型一RC框架在罕遇地震作用下的損傷云圖（圖 4），從圖中可看出一層混凝土柱已出現(xiàn)塑性鉸。

圖2 層間位移角

圖3 層間剪力

圖4 損傷云圖

4 結(jié) 論

①由層間位移角對比圖可看出，在罕遇地震作用下，無論開洞與否，結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)程度基本是隨著建筑高度的增加而增加。然而底層開洞會使模型四的底層剛度相比于模型一的剛度小的多，在遇到地震作用下，剛度小導致變形較大，也使得結(jié)構(gòu)具有一定的延性，這就導致模型四上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變小，說明樓板對結(jié)構(gòu)的剛度貢獻不容忽視。

②對結(jié)構(gòu)進行樓板開洞處理后，使得結(jié)構(gòu)開洞層剛度變小，因此隔層開洞與每層都開洞模型的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，故結(jié)構(gòu)設(shè)計時尤其需要考慮樓板開洞的位置和形式對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，以免在地震作用下發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)破壞。

③由層間剪力圖可以看出，在彈塑性階段樓板承擔了一定的層間剪力，對于抵抗剪力起到一定的作用。同時一、二、三層開洞時，層間剪力最大值出現(xiàn)在四層，層間剪力變化最明顯，說明模型在底層開洞對框架結(jié)構(gòu)開洞層的抗側(cè)力剛度有較大的削弱，剛度的突變太快，容易使得結(jié)構(gòu)形成薄弱層，這樣對結(jié)構(gòu)的抗震是明顯的不利的。

樓板開洞對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響是一個復雜的問題，本文只研究了其中一個方面，只輸入單向地震波且只考慮了不同層開洞形式，未考慮在同一層不同開洞位置及不同開洞率對結(jié)構(gòu)的抗震性能的影響。

［1］孫鵬，湯揚.考慮樓板開洞的輕鋼框架的 Pushover 分析［J］.山西建筑，2008，34（5）：105-106.

［2］GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］程紹革，王理，張允順.彈塑性時程分析方法及其應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2000，21（1）：52-56.

［4］林春陽，童谷生.彈塑性時程分析法驗算七層框架薄弱層［J］.山西建筑，2005（18）：51-52.

［5］于曉慧，尹新生，趙哲.樓板開洞對規(guī)則性框架結(jié)構(gòu)的影響分析［J］.吉林建筑工程學院學報，2011，28（5）：17-20.

［6］GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［7］徐淑娟.樓板局部開洞對高層建筑地震作用的影響研究［D］.成都：西華大學，2005.

TU313

A

1007-7359（2016）02-0183-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.064

宋京京（1991-），男，安徽亳州人，安徽建筑大學土木工程學院在讀碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。