楼板局部开洞对框架结构受力性能影响分析

李文明，唐田雨，仲怀峰，王 鹏，张 帆（中建八局第三建设有限公司，上海 201206）

楼面开洞对结构受力，尤其是整体性能的影响不言而喻。随着城市老旧建筑更新加快，目前，既有建筑改造和加固的项目越来越多，如加装电梯、楼板局部开洞等。此时，结构加固设计人员就需要合理评估楼板开洞的影响，以便有针对性地采取有效的加固措施，保证建筑安全达到安全，经济的效果。

本文采用 SAP 2000 建立 3 个钢筋混凝土框架模型，探究楼板局部开洞、洞口边梁施加预应力对框架结构层间位移角和最大层间位移与层间平均位移比值的影响，对比分析不同模型中洞口边梁的内力和变形。

1 模型建立

框架模型为X方向 2 跨，柱距 6 m，Y方向 2 跨，柱距6 m，模型共两层，每层层高均为 3 m，如图 1 所示。柱底支撑条件取固定端。模型 1 结构楼板不开洞。模型 2 在首层顶板局部开洞，如图 2 所示。模型 3 在模型 2 的基础上，对洞口边梁E施加预应力，洞口边梁中的预应力筋采用中强度预应力钢丝，公称直径 9 mm，极限强度标准值取1 270 N/mm2，预应力筋的张拉控制应力取 50 kN，满足GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）中关于预应力筋张拉控制应力的规定。

图1 框架模型示意

图2 梁中预应力筋布置示意图

1.1 几何及材料特性

梁、柱截面及材料参数如表 1 所示。

表1 梁、柱参数表

1.2 荷载及工况

模型中的荷载除结构的自重外，首层顶板和 2 F 顶板上均布恒载分别取 1.5 kN/m2和 3.0 kN/m2，均布活载分别取3.0 kN/m2和 0.5 kN/m2；首层顶板外圈梁上的墙体恒载取值7.0 kN/m，2 F 顶板外框架梁上女儿墙恒载取值 3.0 kN/m。

地震烈度按照 7 度（0.10g）考虑，设计地震分组为第一组，Ⅲ 类场地，考虑X和Y方向的地震。基本风压按照 0.5 kN/m2考虑，地面粗糙度B，考虑X和Y方向风荷载。考虑风荷载时，墙面利用薄壳单元模拟，并设置质量和面内面外刚度为 0，作为风荷载的作用面。荷载工况和分项系数表如表 2 所示。其中，预应力的分项系数根据 GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，按照预应力有利考虑取值 1.0。

表2 荷载工况及分项系数表

2 计算结果分析

2.1 层间位移

模型在不同荷载工况下的层间位移角计算结果汇总如图3、图 4 所示。

图3 沿 X 向的层间位移角

图4 沿 Y 向的层间位移角

图 3 表明，楼板开洞使X向的首层及 2 F 层间位移角减小，与开洞模型相比，对洞口边梁施加预应力不影响沿X向的层间位移角。图 4 显示，楼板开洞使Y向的首层及 2 F 层间位移角增大，与开洞模型相比，对洞口边梁施加预应力不影响沿Y向的层间位移角。

模型在各工况下的最大层间位移与平均层间位移比值的计算结果如图 5、图 6 所示。

图5 沿 X 向的层间位移比值

图6 沿 Y 向的层间位移比值

由图 5 可知，楼板开洞使X向层间位移比值增大，对洞口边梁施加预应力使得X向层间位移比值增大。这说明楼板开洞和对洞口边梁施加预应力均会加剧框架结构的扭转效应，且洞口边梁施加预应力使扭转效应更加明显。图 6 的结果表明这个结论同样适用于Y向。

2.2 开洞板周边梁内力和变形分析

为分析楼面局部开洞对周边构件的影响，现以洞口周边的 5 根梁 A、B、C、D、E 为研究对象（见图 2），探究不同模型中梁剪力、弯矩和挠度的差异。以工况 2 的计算结果为研究对象，洞口边 5 根梁的剪力、弯矩和绝对挠度数据如表 3 所示，I、J 分别为梁的两端端点。

表3 梁端剪力、弯矩和梁绝对挠度对比表

由表 3 可知，其剪力对比表明，楼板开洞使梁 A、B、C、D、E 的梁端剪力减小。与开洞模型相比，梁 E 施加预应力基本不影响梁 A、B、C 的梁端剪力，而使梁 D、E 的梁端剪力减小。弯矩对比表明，楼板开洞使梁 A、B、C、D 的梁上正、负弯矩和梁 E 上的正弯矩减小，而梁 E 上的负弯矩基本不受影响。与开洞模型相比，梁 E 施加预应力基本不影响梁 A、B、C 的梁上正、负弯矩，而使梁 D、E 的梁上正、负弯矩减小。绝对挠度对比表明，楼板开洞使梁 A、B、C、D、E 的绝对挠度减小。与开洞模型相比，梁 E 施加预应力基本不影响梁 A、B、C 的绝对挠度，但使梁 D 的绝对挠度增大较多，使梁 E 的绝对挠度略微减小。

3 结 语

采用 SAP 2000 分别建立 3 个钢筋混凝土框架模型，分别为结构不开洞模型、首层顶板局部开洞模型、首层顶板局部开洞/洞边梁施加预应力模型。主要结论如下。

（1）与开洞模型相比，对洞口边梁施加预应力不影响结构两个方向的层间位移角。

（2）楼板开洞和对洞口边梁施加预应力均会加剧框架结构的扭转效应，而且洞口边梁施加预应力使扭转效应更加明显。

（3）与开洞模型相比，梁 E 施加预应力使梁 D、E 的梁端剪力和梁上正、负弯矩，梁 E 的绝对挠度均减小，而使梁D 的绝对挠度增大。