劉同焰 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

框架剪力墻結(jié)構(gòu)是由框架和剪力墻兩部分組成，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于框架和剪力墻自身的側(cè)向剛度差異較大，因此需要考慮二者的協(xié)同工作。在常規(guī)的工程設(shè)計過程中，對于軟件建模方式，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻端柱有兩種建模方式：一是端柱按框架柱輸入，剪力墻墻身直接布置到框架柱的節(jié)點上，這種建模方式操作方便；二是端柱按照墻輸入，即在端柱部位建立三個節(jié)點，將端柱當(dāng)作厚墻輸入和墻身聯(lián)成一體。兩種建模方法的計算結(jié)果肯定不同，有時會差異較大。本文對此提出一些探討性意見和設(shè)計建議。

2 剪力墻端柱

應(yīng)該明確，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻端柱是剪力墻的一部分，端柱本質(zhì)是墻，設(shè)置剪力墻端柱的根本目的是為了對剪力墻提供有效的約束作用，從而增加剪力墻的平面外穩(wěn)定性和平面內(nèi)的延性。當(dāng)平面外有框架梁落到剪力墻的端柱上時，端柱還需要承擔(dān)框架梁傳來的水平力，豎向力由端柱和墻身共同承擔(dān)。在平面內(nèi)框架剪力墻結(jié)構(gòu)中兩端設(shè)置的邊框柱主要是與框架梁或剪力墻暗梁形成閉合的邊框，這時的端柱也起著框架柱的作用?；诖?，結(jié)構(gòu)設(shè)計時建議端柱分別按照框架柱進(jìn)行建模計算和厚墻建模計算，并應(yīng)同時符合框架柱的相關(guān)構(gòu)造要求及剪力墻的構(gòu)造要求。

3 理論分析

結(jié)構(gòu)建模當(dāng)端柱按照框架柱輸入時，框架柱和剪力墻重疊的部分軟件在計算的時候程序會重復(fù)計算，計算出來的結(jié)果可能會存在下列問題：①計算軸壓比會小于實際軸壓比，降低結(jié)構(gòu)的實際延性，導(dǎo)致建筑抵抗地震力等水平力作用下的抗變形能力有所降低，重疊越多越顯著；②抗剪計算時，重疊部分也重復(fù)計算了，這樣計算抗剪能力會大于實際承載能力；③按照力學(xué)方法計算的剛度時，EI=EЁ（IC+ACX2+IW+AWX2）,X 為各柱或墻到樓層形心的距離。因為端柱劃到框架柱的范疇，墻的剛度要減小，對于少墻方向，情況非常明顯，這樣計算出來的整幢建筑的剪切剛度會小于實際剛度，結(jié)構(gòu)自振周期長于實際周期，計算地震力小于實際的地震力。多墻方向可能因為重疊區(qū)域增多，計算可能會增大；④導(dǎo)致端柱承擔(dān)的水平力納入框架柱的范疇，使得純框架柱計算承擔(dān)的地震力大于實際承擔(dān)的地震力，甚至可能會使得純框架柱承擔(dān)的地震力小于規(guī)范規(guī)定的最小值，框架失去二道防線的能力。結(jié)構(gòu)建模當(dāng)端柱按照墻體輸入時，軟件計算認(rèn)為端柱和墻身形成一體，重疊部分軟件在計算的時候程序不會重復(fù)計算，這樣計算出來的軸壓比會比較接近實際軸壓比。剪切剛度計算時，端柱納入墻體計算，因為在水平力作用下的端柱變形符合柱的剪切變形特征，墻體變形特征符合彎曲變形特征，而實際變形要保持一致，因此計算的剪切剛度會大于實際剛度。結(jié)構(gòu)自振周期會小于實際周期，計算地震力會大于實際地震力，尤其是在剪力墻比較少的方向情況更明顯。當(dāng)計算地震力小于規(guī)范規(guī)定最小值時，影響地震力調(diào)整系數(shù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全。為了解決這個問題，軟件計算結(jié)構(gòu)自振周期時采用規(guī)范給予的計算公式T1=1.7ψT。頂點位移UT計算時按照規(guī)范給予的方法計算結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，兩種建模方法剛度計算結(jié)果不會差別太大，因而周期計算結(jié)果相差不大。

4 工程實例模型計算結(jié)果分析對比

4.1 工程概況

某星級酒店項目，位于安徽省某市，總用地面積43731.6m2，總建筑面積85020.29m2，總體上呈四合院式布局，中間為景觀內(nèi)庭院。北側(cè)主樓地下1層、地上11層，建筑高度為44.10m，建筑面積為32755m2，其中地上建筑面積為29107m2，地下建筑面積為3648m2，主要功能為辦公＋客房。主體結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑安全等級為Ⅱ級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度區(qū)第二組，設(shè)計基本地震加速度是0.10g，場地類別三類，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，基本雪壓為 0.40 kN/m2，地面粗糙度為B類，設(shè)計使用年限50年，框架抗震等級Ⅲ級，剪力墻抗震等級Ⅱ級，基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。其標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如下圖所示。

標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

4.2 結(jié)構(gòu)模型分析及方案選擇

本工程結(jié)構(gòu)模型計算采用盈建科YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，剪力墻端柱采取兩種不同方式進(jìn)行建模，模型1是剪力墻端柱按常規(guī)框架柱輸入，軟件計算時框架柱按桿單元計算，模型2是剪力墻端柱按墻單元輸入，軟件計算時按墻元計算。程序在不同的建模方式下模型剛度和剛重比計算結(jié)果對比如表1所示。

表1中剛度參數(shù)選取是其中7層計算結(jié)果，Ratx1、Raty1 表示 X、Y方向本層塔側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者；RJX1、RJY1表示結(jié)構(gòu)總體坐標(biāo)系中塔的側(cè)移剛度和扭轉(zhuǎn)剛度(剪切剛度)，少墻方向二者差別很大；RJX3、RJY3表示結(jié)構(gòu)總體坐標(biāo)系中塔的側(cè)移剛度和扭轉(zhuǎn)剛度(規(guī)范給予的計算方法，地震剪力與地震層間位移的比)，從表1中可以看出，模型1（按柱輸入）地震作用下側(cè)移剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、Y向剪切剛度均比模型2（按墻輸入）計算結(jié)果相差很小。

另外，周期比、剪重比及位移角計算結(jié)果對比如表2所示。

從表2中可以看出，上表計算剛度時是按照規(guī)范給予的公式計算的，因為剛度差別很小，所以兩種建模方式各參數(shù)角計算結(jié)果差異很小。

兩種建模方法7層軸壓比如表3所示。

從表3中可以看出端柱按照柱建模的計算軸壓比小于按照墻建模的軸壓比。

4.3 結(jié)構(gòu)模型計算結(jié)果對比

從上述模型計算結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，因為軟件計算各項參數(shù)時結(jié)構(gòu)剛度是按照規(guī)范給予公式計算的。所以，兩種不同輸入模型對結(jié)構(gòu)整體參數(shù)指標(biāo)影響不大，可以根據(jù)自己的習(xí)慣建模，但當(dāng)某項參數(shù)接近規(guī)范限值時，應(yīng)分別按照兩種方法建模計算，兩種模型結(jié)果均要滿足規(guī)范限值要求。

剛度計算結(jié)果對比 表1

地震作用時剪重比、周期比、位移角及剛重比計算結(jié)果對比 表2

軸壓比計算結(jié)果對比 表3

5 結(jié)論

框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻端部設(shè)置端柱時，程序建議按墻＋柱模型輸入計算，原因是對墻平面外剛度的考慮，而這種墻采用墻元模型、端柱采用柱模型，會造成同一結(jié)構(gòu)里的構(gòu)件采用不同計算單元進(jìn)行模擬計算，由于不同的計算單元會產(chǎn)生模型化差異以及相互影響的變形協(xié)調(diào)問題，會導(dǎo)致計算結(jié)果差異較大，因此，應(yīng)注意以下幾個問題：

①對于帶端柱的剪力墻，程序計算時重復(fù)考慮了二者重疊的區(qū)域，導(dǎo)致豎向構(gòu)件面積計算誤差，這會影響剪力墻的抗剪承載力和軸壓比的計算，而且剪力墻墻肢截面長度越小，其計算誤差相對就會越大，計算越偏于不安全；

②端柱按框架柱輸入模型，計算框架柱承擔(dān)的剪力Vf會大于實際承載力，影響到Vf≧0.2V0的調(diào)整，從而導(dǎo)致計算結(jié)果不合理，甚至不安全；

③當(dāng)程序按墻＋柱的方式輸入模型時，容易忽視一個問題，即軟件默認(rèn)端柱的抗震等級按框架柱來定義，而工程設(shè)計通常涉及到的框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的抗震等級往往大于或等于框架的抗震等級，這樣就有可能會定義錯端柱的抗震等級，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計偏不安全，因此，這種情況下應(yīng)人工調(diào)整剪力墻端柱的抗震等級，避免出現(xiàn)設(shè)計錯誤；

④當(dāng)某項參數(shù)接近規(guī)范限值時，應(yīng)將端柱按照墻建模復(fù)算，結(jié)果應(yīng)滿足規(guī)范要求。