改造项目中剪力墙新开洞口影响效应分析

0 引言

随着我国经济水平的不断发展，国内数量众多的老建筑物，其建筑功能已经无法满足当下的现实需求，于是出现了大量针对老建筑的加固改造项目。在一些项目的改造过程中，会经常出现如下情形：一些已有建筑的剪力墙，可能会限制建筑或机电方面的功能需求，需要结构工程师在已有的剪力墙上新开洞口。通常，结构工程师出于保护原有结构的目的，不会同意此类型的改造要求；但在一些特殊情况下，如核心筒消防疏散宽度不够、暖通管道需要穿越等等，这种开洞需求似乎又无法避免。

对于此类型的改造，国内目前尚未有规范进行明确的规定说明。本文将以上海某科技大厦改造项目为背景，对不同位置、不同数量、不同尺寸的剪力墙新开洞口进行对比分析，以结构的整体指标变化（周期、位移角、位移比）作为判断依据，通过横向、纵向对比，尝试获取一些有用的规律。

1 工程概况

上海某科技大厦位于上海浦东新区金桥地块，东临今皖路，北至今沪路，始建于2007年，地上12层、地下1层，结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构。项目占地面积6 661m2，总建筑面积25 726m2，其中地上19 983m2，地下5 743m2。原建筑使用功能为教学科研和办公。

本次改造过程中，业主和建筑师均提出要求，希望可以在原来的核心筒剪力墙上新开洞口，以开辟一个新的人流疏散通道，并供暖通管道穿越。于是，在项目改造的方案阶段，笔者对不同位置、不同数量、不同尺寸的剪力墙新开洞口进行了分析计算，下面将详细叙述。

2 剪力墙开洞分类

对于框架-剪力墙结构，结构抗侧刚度的主要来源是剪力墙，通过剪力墙提供的抗侧刚度，保证结构在地震、风荷载作用下满足变形要求。另外，剪力墙需传递结构的竖向荷载。在本项目中，左右两个核心筒完全对称，功能亦完全对称，且开洞的需求是整栋大楼从上到下。因此，设置了如图1所示的不同可能开洞位置来对比。开洞后墙身及墙体暗柱区的承载力设计及承载力加固不在本文讨论范围，本文仅讨论不同的开洞对结构总体指标[1-3]的影响。假定E、F两个位置（左右均对称）均位于核心筒剪力墙上，并在不同位置分别假定不同宽度的洞口（表1）。

3 周期的对比分析

本章节将比较分析剪力墙开洞后对于结构自振周期的影响。

3.1 仅一处开洞

3.1.1 纵向分析比较

首先进行纵向分析比较，即比较相同位置、不同洞宽的影响（表2、3）。

由表2可知，在位置E处剪力墙开洞后，随着洞口宽度的加大，其周期变化为0.41%～3.39%。

由表3可知，在位置F处剪力墙开洞后，随着洞口宽度的加大，其周期变化为0.30%～2.57%。

综合分析表2、3，在只有一处开洞的前提下，可得出如下结论：①无论位置在E或F，洞口的有无对周期的影响不大（基本＜3%）；②无论位置在何处（E/F），改变洞口宽度（2～3m）对周期的影响不大（基本＜3%）。

3.1.2 横向分析比较

接着进行横向分析比较，即比较同一洞口宽度下，不同开洞位置的影响。洞口宽度为2.0m、2.5m、3.0m时的对比数据分别见表4～6。

图1 剪力墙开洞位置编号

表1 剪力墙开洞编号及含义

表2 模型E1～E3的周期对比数据

表3 模型F1～F3的周期对比数据

从表4～6可知，同一洞口宽度下（2.0m、2.5m或3.0m），不同的开洞位置对周期的影响有微小差异，但差异值基本＜3%。

综合表2～6，在核心筒剪力墙上，当只设置一处开洞时（洞宽2～3m），对原有结构的影响有限，工程意义上对整体结构的影响可以忽略。

3.2 同时存在两处开洞

模型假定情况见表7，计算结果如表8所示。

由表8可知，当原始结构在核心筒墙体上设置2处剪力墙留洞时，其周期产生了较明显的变化（3个模型的变化幅度均超过3%）。

4 层间位移角的对比分析

本节比较剪力墙开洞对于结构最大层间位移角的影响。最大层间位移角的变化主要反映了地震作用与结构抗侧刚度的共同影响。

4.1 仅一处开洞

模型的假定情况如表1。我们来比较同一位置不同开洞宽度对层间位移角的影响（表9、10）。

从表9可知，在位置E处剪力墙开洞后，随着洞口宽度的加大，其层间位移角的变化幅度为4.23%～7.89%；说明在位置E处，开洞模型对结构的层间位移产生了较大影响（超过3%）。

从表10可知，在位置F处剪力墙开洞后，随着洞口宽度的加大，其层间位移角变化幅度为0.72%～1.97%。这说明在位置F处，洞口宽度不同时的层间位移角区别不大。

综合表9、10，在只有一处开洞的前提下，根据开洞位置的不同，开洞后对原有结构造成的层间位移角变化也不同，但总体而言影响不大，需要根据具体情况计算后进行具体分析。在本算例中，位置E处的开洞对结构造成了较大影响；而位置F处的开洞则影响较小。

4.2 同时存在两处开洞

模型的假定情况如表7，计算结果如表11所示。

从表11可知，当原始结构在核心筒墙体上同时设置2处剪力墙留洞时，其层间位移角产生了较明显的变化（3个模型的变化幅度均远超3%）。

5 位移比的对比分析

本节比较剪力墙开洞对于结构位移比的影响。位移比指标主要反映结构的偏心及平面规则性。

5.1 仅一处开洞

模型的假定情况仍如表1。比较同一位置不同开洞宽度的影响，结果如表12、13所示。

综合分析表12、13，在核心筒剪力墙只有一处开洞的前提下，不同洞口宽度对其结构位移比的影响非常微小。

5.2 同时存在两处开洞

模型的假定情况仍如表7，计算结果如表14所示。

由表14可知，当原始结构在核心筒墙体上设置2处剪力墙留洞时，其位移比的变化比较微小（＜3%）。

6 分析总结

本算例为框架-剪力墙结构，剪力墙的布置较为典型：墙体对称分布在建筑两侧，形成两个对称的核心筒。

表4 模型E1、F1的周期对比数据（洞口宽度2.0m）

表5 模型E2、F2的周期对比数据（洞口宽度2.5m）

表6 模型E3、F3的周期对比数据（洞口宽度3.0m）

表7 同时存在两处开洞时模型编号

表8 模型E1F1、 E2F2、 E3F3的周期对比数据

表9 模型E1～E3的层间位移角对比数据

表10 模型F1～F3的层间位移角对比数据

表11 模型E1F1、 E2F2、 E3F3的位移角数据

表12 模型E1～E3的位移比对比数据

表13 模型F1～F3的位移比对比数据

（1）周期、位移角、位移比等指标揭示的规律具有互相验证性。

（2）建筑内部围合成核心筒的剪力墙只有一处开洞时（洞宽2～3m）：周期、位移比指标显示，在墙肢长度的中间位置新增一处洞口的影响较小（＜3%）；位移角指标显示，少数敏感位置的开洞可能会明显增大层间位移角，而多数位置的一处开洞则影响较小（＜3%）。总体而言，在芯筒剪力墙上进行一处开洞时，其影响较小，可根据项目实际情况找出影响最小的位置进行合理开洞。

（3）建筑内部围合成核心筒的剪力墙，两处开洞时（洞宽2～3m）：周期、位移角指标显示，同时存在的两处开洞会造成明显变化（明显超过3%）；位移比指标则显示，芯筒上的两处开洞对位移比影响较小（明显＜3%）。总体而言，在芯筒剪力墙上进行两处开洞时，其影响无法忽略，应慎重选择并根据具体情况具体分析。

表14 模型E1F1、 E2F2、 E3F3位移比对比数据

7 结语

本文以实际工程项目为背景，通过设置不同的开洞方案，以结构的整体指标——即周期、位移角、位移比指标为判断依据，探讨不同类型剪力墙后开洞的影响效应。经过分析计算，初步掌握了不同类型剪力墙开洞的影响效应的一般性规律。不足之处是，本项目中剪力墙的布置方式较为简单，算例的设置无法覆盖更全面的情况，如建筑角部剪力墙的开洞、单片带边框的剪力墙开洞等情形尚未能涉及，此部分的研究工作有待进一步进行。

参考文献：

[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.