消防荷载楼板按弹性还是塑性计算_楼板开洞对地下室侧壁设计的影响

随着经济的飞速发展，城市建设日新月异，房屋建筑越建越高，地下室越建越深，其功能越来越复杂。对结构设计师来说，既要满足地下室复杂功能要求又要保证安全经济成为无法回避的重要工作内容。

地下室的繁杂功能致使各种竖向井道越来越多，比如楼电梯、车道、各种管道井等。为了最大限度地利用地下空间，各种井道往往被设置在地下室的边、角位置。结构设计师进行侧壁计算时一般以楼板作为支座，而井道开洞则取消了部分楼板，这会对侧壁的受力造成不利影响，设计师尝试通过一个简化的模型来分析如此开洞对侧壁受力的影响程度，并寻求可行的解决办法。

以下为某一已建五层地下室项目，因排风要求，需在贴近地下室侧壁处的楼板开洞(全五层通高设置)，洞口宽度3m，其将削弱该处楼板对地下室侧壁的支座作用。

图1 楼板开洞示意图(全5层通高开洞)

为了让结果更加直观、计算更加简单，设计师把侧壁放平当成板建立模型， 楼层板模拟成竖向墙体，中间设置3m宽的洞口，两侧各延伸15m以满足一般侧壁按单向板设计的条件，洞口边设置虚梁。荷载仅考虑水土压力，不计算自重、地震等作用。

图2 计算模型简图

使用YJK软件建立模型，因板面不能输入梯形荷载，在不需要精确计算的前提下，荷载进一步简化为均布荷载，荷载大小采用平均值。模型平面尺寸、侧壁厚度、以及水土压力的情况如下：

图3 模型平面尺寸

图4 地下室侧壁厚度

图5 水土压力值

计算采用YJK楼板有限元算法，网格按0.5m划分，同时考虑水土压力，分项系数取为1.35，得到如下弯矩计算结果Mxx(作用在与局部坐标系x轴垂直平面内，绕y轴旋转的单位宽度弯矩)和Myy(作用在与局部坐标系y轴垂直平面内，绕x轴旋转的单位宽度弯矩)，左侧为有管井洞口的情况，右侧为楼板不开洞的情况：

图6 楼板开洞时竖向弯矩Mxx VS 楼板不开开洞时竖向弯矩Mxx

图7 楼板开洞时水平向弯矩Myy VS 楼板不开开洞时水平向弯矩Myy

由计算结果可见，无论X向(墙高方向)还是Y向(墙宽方向)，局部弯矩的峰值大幅增加，常规的配筋方式和配筋量显然不能满足侧壁的承载力和正常使用要求。

最简单直接的解决办法当然是减小洞口尺寸，设计师尝试把洞口尺寸缩小到1m，得到计算结果如下：

图8 楼板洞口宽度1m时竖向弯矩Mxx

图9 楼板洞口宽度1m时水平向弯矩Myy

弯矩变化很明显，峰值大幅降低，弯矩等值线与不开洞时也非常接近，使得只需调整侧壁配筋方式和配筋量即可满足要求的解决方案具备可行性。

因此可以得出一个初步结论：紧贴侧壁的楼板开洞会对侧壁的内力造成显著的影响，影响的大小跟洞口尺寸大小紧密相关。

为了检验这个结果的准确性，设计师进一步采用Midas软件进行比较精确的计算作验证。

为便于计算对比，忽略地面堆载，地下室侧壁计算简图如下图：

图10 侧壁计算简图

楼板未开洞时，采用理正工具箱按连续梁模型(不计算构件自重，土和水按恒载输入，考虑1.35的分项系数组合值)计算得内力值如下：

图11 理正工具箱计算的弯矩及剪力设计值

用Midas Gen中的厚板单元(考虑厚度方向的剪切变形)来模拟侧壁构件，用流体压力荷载来模拟土和水的三角形线性荷载，网格划分尺寸为0.3m，开洞宽度为3m，考虑侧壁竖向自重，侧壁内力云图概况如图12及图13。

图12 弯矩Myy云图概况(侧壁竖向筋方向)

图13 弯矩Mxx云图概况(侧壁水平筋方向)

为验证有限元结果的可信度，截取洞口影响范围外的侧壁内力云图弯矩值，如下图14所示，负五层底板支座处弯矩为699KN.m/m(面受拉)，负五层跨中弯矩为-349KN.m/m(底受拉)，负四层楼板支座弯矩为687KN.m/m，负四层跨中弯矩为-343KN.m/m，负三层楼板支座弯矩为594KN.m/m，负三层跨中弯矩为-270KN.m/m，负二层楼板支座弯矩为751KN.m/m，其余层略。根据以上有限元结果及理正工具箱的连续梁结果，可以验证有限元模型分析结果准确。

图14 弯矩Myy(侧壁竖向筋方向)细部云图(开洞3m)

研究洞口附近侧壁内力竖向弯矩Myy的变化，以图15负五层为例，底板支座(洞口竖向投影区域)弯矩最大值为790KN.m/m，比未开洞时的弯矩增大13%；负四层楼板支座弯矩，在洞口端部发生应力集中，支座弯矩最大值为1325KN.m/m，比未开洞时弯矩增大93%，在约2.4m水平段影响范围内逐渐消散。故在侧壁竖向筋设计时，应复核其是否满足要求。

图15 负五层弯矩Myy(侧壁竖向筋方向)细部云图(开洞3m)

研究洞口附近侧壁内力水平向弯矩Mxx的变化，以图16负四层楼板支座、负三层楼板支座及负四层跨中为例，负四层楼板标高处，洞口中间水平向弯矩最大值为-344KN.m/m(底受拉)，比未开洞时的弯矩增大380%，在洞口端部发生应力集中，水平向支座弯矩最大值为1025KN.m/m，比未开洞时弯矩增大650%。故在侧壁水平筋设计时，应复核其是否满足要求。

图16 负四层弯矩Mxx(侧壁水平筋方向)细部云图(开洞3m)

当开洞宽度增大到4.5m，侧壁内力云图如图17及图18，开洞附近的弯矩设计值增加幅度更大。

图17 负五层弯矩Myy(侧壁竖向筋方向)细部云图(开洞4.5m)

图18 负四层弯矩Mxx(侧壁水平筋方向)细部云图(开洞4.5m)

对比洞口附近侧壁内力竖向弯矩Myy的变化，负四层楼板支座弯矩在洞口端部发生应力集中，支座弯矩最大值为1831KN.m/m，比没开洞时弯矩增大170%；对比洞口附近侧壁内力水平向弯矩Mxx的变化，负三层楼板标高附近处，洞口中间水平向弯矩最大值为-600KN.m/m(底受拉)，比没开洞时的弯矩增大700%，在洞口端部发生应力集中，水平向支座弯矩最大值为1727KN.m/m，比没开洞时弯矩增大1160%。

综上所述，YJK和Midas二者的计算结果的趋势基本一致，当侧壁位置处的楼板开洞时会对侧壁内力产生不利影响，洞口越大影响越大。因此当出现这种情况时不能忽略其影响，并应进行验算。

设计师认为解决这个问题最有效的方法当然是“消灭”这个洞口，将洞口移位或者缩小。值得注意的是，如果洞口仍然比较靠近侧壁，需要考虑洞口与侧壁之间的楼面结构是否具有足够的强度和刚度以支撑侧壁。

然而，调整洞口位置或大小常导致使用功能上付出的代价太高，因而只能另寻解决办法。既然问题的症结在于侧壁失去支座，那就再造一个支座，在洞口位置设置一条“梁”，可以根据实际条件选择设置在地下室的内侧或外侧。

总结：在侧壁处楼板开洞时会对侧壁内力产生不利影响，洞口越大影响越大。设计时应尽量避免在侧壁处楼板开洞。如无法避免，有条件时可在侧壁外加水平梁或竖向加支撑。如无条件加水平梁或竖向加支撑，要精确分析开洞影响，按分析结果配加强筋。

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