平面不规则结构设计分析

平面不规则结构设计分析
摘要现代建筑设计中，由于建筑使用功能上的需要，及建筑效果上的要求，楼板上开大洞的现象屡见不鲜。

从而引起楼板削弱，造成建筑平面不规则，形成超限工程，这在设计中要特别注意。

本文结合工程实例，针对楼板开大洞结构的设计过程、加强措施、超限抗震审查等一一阐述，供业内人士参考。

关键词楼板开洞；平面不规则；超限；抗震；楼板应力
前言
根据目前的抗震设防标准和《建筑抗震设计规范[2]》（GB50011-2010）中规定的抗震设防目标，即小震不坏、中震可修、大震不倒，利用三水准二阶段的抗震设计原则，在小震（多遇地震）下进行结构的截面强度计算和设计，在大震（罕遇地震）下进行结构的薄弱层变形验算，来控制和达到预期的抗震设防标准。

楼板和屋盖是结构的主要构件，除承担楼层面竖向荷载外，还担负着连接各竖向构件形成空间结构的重要作用。

在地震时是传递水平地震作用的主要构件，因此其水平刚度对结构的抗震性能影响很大。

但是在平面复杂结构中，由于楼板的凹进凸出，错层或开洞面积过大，楼板在其平面内无法保证无限刚度的模型假定，就必须采用能真实反映楼板空间工作特性的结构模型，防止部分抗侧力构件因承担过多的水平剪力和变形，较早进入塑性变形甚至破环状态，造成结构的安全隐患；同时由于楼板的凹凸不规则性和开洞影响，在楼板的阴角（薄弱处）出现楼板的开裂或局部破坏，因此对薄弱部分的楼板应进行加大板厚和加强配筋的设计，达到抗震设防三水准的要求[1]。

1 工程实例
工程实例为上海外高桥物流园区二期3#地块商检查验场地及配套用房，建于上海外高桥物流园区。

配套用房为地下一层，地上八层的建筑。

地下一层为汽车停车库，层高3.550m；地上一层层高3.900m，二层层高3.600m，三至八层层高3.500m，室内外高差0.600m，建筑面积16746.20m2。

建筑长57.300m，宽42.700m，建筑总高29.100m。

该工程结构的设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g，场地特征周期为0.9s，结构阻尼比为0.05。

场地类别属上海IV类。

基本风压为0.55KN/m2。

采用框架結构，抗震等级为二级。

基础采用筏板+桩基础的形式，桩型为预应力混凝土管樁。

由于该建筑楼、屋面板多处开大洞，具体表示如下：
①二层由于建筑报检大厅上空，楼板开大洞，有效楼板宽度为该层楼板典型
宽度的40%，小于该层楼板典型宽度的50%，开洞面积占楼面面积的28%；②四、五、七层由于建筑陈列中庭上空，开洞面积占楼面面积的16%；③八层由于建筑陈列中庭上空及大会议室上空，开洞面积占楼面面积的38%，大于该层楼面面积的30%。

④屋面层由于建筑设置玻璃顶棚，开洞面积占楼面面积的20%。

因此，该建筑属于平面不规则类型，为一项结构超限。

2 结构分析
由于该项目房屋总高度为29.1m，为高层结构，故配套用房属于平面不规则的超限高层建筑。

根据建设部第111号令、建质[2010]109号文件、沪建[2003]702号文件的要求，应对该楼进行超限高层初步设计抗震设防专项审查。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第3.6.6条第3款的要求，对于该超限工程，我采用了两个不同的、适合于结构实际受力情况的有限元计算分析程序，采用了振型分解反应谱法对结构进行了多遇地震作用下的整体分析。

具体如下：
①SATWE—高层建筑结构空间有限元分析与计算软件（中国建筑科学研究院编制）；②PMSAP—特殊多高层建筑结构有限元分析与计算软件（中国建筑科学研究院编制）。

分别采用SATWE和PMSAP进行了整体分析计算，取前18个振型，考虑双向地震作用及扭转耦联作用，采用CQC法计算扭转与平动振动的偶联反应，以反映扭转效应的动力增大作用。

在抗震计算时，按规范进行活荷载折减，地震作用方向分别取沿各抗侧力构件方向。

主要计算结果整理分析如下：
2.1 振型分析
前3个振型的结构自振特性基本参数列于表1。

两个程序都表明了第一、第二振型都是以平动分量为主，第三振型则以扭转分量为主。

并且以扭转为主的第三周期与以平动为主的第一周期的比值不超过0.90，满足规范要求。

2.2 剪重比
表2给出了SATWE和PMSAP计算所得出的基底地震力与建筑物总重量之比值，满足规范要求。

2.3 水平位移反应
SATWE的计算结果最大值是1/589，PMSAP的计算结果是1/566，均能满足抗震规范要求的地震作用下1/550的限值。

扭转放大效应SATWE 计算结果为1.17和1.18、PMSAP的计算结果为1.06和1.08，均小于抗震规范中1.5扭转的限值，亦小于1.2倍的扭转不规则判别的限值。

2.4 轴压比
两个程序都显示了计算结果在适用范围以内。

地下一层框架柱的最大轴压比为0.72，满足规范要求。

2.5 弹塑性变形分析
根据《建筑抗震设计规范》，对结构进行了弹塑性变形分析，均满足现行规范要求。

2.6 综合评价
按照《建筑抗震设计规范》精神，该工程的结构体系存在着平面不规则的情况，这可能会形成结构在地震作用下的薄弱部位。

我充分地认识到了这一点，对该工程进行了详细的分析计算。

通过计算结果的分析比对，我们得到了结论如下：
（1）结构体系是合理的。

计算分析的结果表明，本工程的结构具有较好的抗震性能。

弹性分析、弹塑性变形分析的结果都说明，结构设计完全满足现行设计规范对超限高层结构设计的各项指标要求。

（2）SATWE 、PMSAP两个程序的计算结果，尽管在数值上略有区别，但其规律性是一致的。

都显示了第三周期是一階扭转周期，而且在前三个振型中，平动和扭转振动之间基本上没有耦联发生。

尽管如此，分析中还是采用CQC法计算了扭转与平动振动的偶联反应，以充分反映高阶振型中的扭转效应动力增大作用。

以扭转为主的第三周期与以平动为主的第一周期的比值控制在0.90以内，因此扭转分量对整个结构的水平位移反应的作用是很小的。

该建筑不属于扭转不规则的范畴。

3 楼板应力分析
根据该项目的超限高层建筑初步设计抗震审查报告的要求，须对该楼的第二、八层进行多遇地震下楼板应力分析，控制楼板的主拉应力在多遇地震下小于混凝土抗拉强度标准值，基本烈度地震下板内钢筋不屈服。

对于超限高层建筑结构的楼板进行设防烈度下的应力分析，是保证结构达到小震不坏、中震可修、大震不倒的三水准目标的重要措施。

因此我利用ANSYS软件进行分析，得到如下应力计算结果。

3.1 重力荷载代表值作用下楼板应力分布
二层楼板的主拉应力最大值为 4.45MPa，八层楼板的主应力最大值为3.38MPa，均分布在该层的边沿和角落处。

3.2 多遇地震及重力荷载组合作用下楼板应力分布
由于楼板的应力最大值仅出现在楼板的局部区域，考虑将二层和八层楼板分
块。

（1）根据应力分析结果，二层楼板最大应力为10971.9KPa，现楼板配筋为Φ16@100双层双向，板厚为140mm，钢筋满足最大应力下的配筋要求。

As=10.9719x1000x140/400=3840mm2
（2）根据应力分析结果，八层楼板最大应力为8105.97KPa，现楼板配筋为Φ14@100双层双向，板厚为140mm，钢筋满足最大应力下的配筋要求。

As=8.10597x1000x140/400=2837mm2
（3）楼板应力均由钢筋来承担，混凝土应力小于ft，因此本次设计满足楼板应力的分析结果[3]。

4 结束语
对于平面复杂结构我们要严格控制各项计算指标，确保以扭转为主的第三周期与以平动为主的第一周期的比值控制在0.90以內，确保有效质量系数达到90%以上，周期比、剪重比、轴压比均符合规范要求。

并加强楼板配筋，和洞口周围梁柱的刚度和配筋，加强抗震构造措施。

平面复杂结构只要采取有针对性的合理的构造措施和计算措施，结构设计能达到抗震设防“小震不坏、中震可修、大震不倒”的目标，确保结构的安全性。

参考文献
[1] GB50223-2008.建筑工程抗震设防分类标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[2] GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社2010.。