安青元 （福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 前言

在平時(shí)工程實(shí)踐過程中，對(duì)于PKPM軟件建模階段，剪力墻約束邊緣構(gòu)件的端柱大都是按框架柱輸入，然后剪力墻直接建到框架柱的節(jié)點(diǎn)上，雖然建模方便很多，但柱子和剪力墻重疊的部分，程序在計(jì)算的時(shí)候會(huì)重復(fù)計(jì)算豎向構(gòu)件。同時(shí)SATWE程序采用的方法并不符合平截面假定，它采用墻、柱分離計(jì)算，顯然是近似計(jì)算的。這樣是否導(dǎo)致軸壓比比真實(shí)的小了，剛度比真實(shí)的大了；特別是端柱很大的時(shí)候，是否偏于不安全，以及對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)的影響有多大等等。文章采用了兩種不同的建模方式以及兩個(gè)不同的有限元計(jì)算軟件，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，并結(jié)合一個(gè)工程實(shí)例來探討以上這些問題以提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。

1 工程概況

本工程位于山東省沂源縣，為圖書、藝術(shù)樓的二期工程，由單棟建筑組成，建筑高度為18m，建筑平面為橢圓形，中部結(jié)構(gòu)只有一跨，最大跨度約為38m，采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土梁，為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，主體結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻體系，結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。本工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計(jì)的地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地類別為II類。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 分析模型及方案選擇

以下著重對(duì)中部?jī)筛?8m跨度的帶翼墻的端柱(DZ1)進(jìn)行整體計(jì)算分析。整個(gè)工程的有限元模型見圖2。

圖2 整體有限元模型及分析對(duì)象模型

首先在PKPM軟件中對(duì)帶翼墻的端柱DZ1采用兩種不同的方式進(jìn)行建模。第一種：端柱按柱子輸入，以這種方式輸入，計(jì)算時(shí)端柱按桿元計(jì)算；第二種：端柱按剪力墻輸入，以這種方式輸入，計(jì)算時(shí)端柱按墻元計(jì)算。兩種輸入方式的具體模型見圖3。

其次還采用佳構(gòu)有限元通用軟件STRAT進(jìn)行兩種方式的建模，并把計(jì)算結(jié)果與PKPM-SATWE的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。

圖3 剪力墻暗柱模型

STRAT軟件是大型通用有限元軟件，可以直接建立任意復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，能進(jìn)行各種有限元計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析比較

3.1 結(jié)構(gòu)周期及周期比分析對(duì)比

程序SATWE與STRAT在不同建模方式下結(jié)構(gòu)整體周期及周期比見表1。

整體周期及周期比 表1

從表1可以看出，兩種建模方式對(duì)結(jié)構(gòu)的整體周期以及周期比的影響很小。按柱輸入時(shí)結(jié)構(gòu)整體周期會(huì)比按墻輸入時(shí)略小。

STRAT的計(jì)算結(jié)果基本上與SATWE的一致。

3.2 結(jié)構(gòu)層間位移角分析對(duì)比

程序SATWE與STRAT在不同建模方式下結(jié)構(gòu)整體周期及周期比見表2。

最大層間位移角 表2

從表2可以看出，兩種建模方式對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角的影響很小。端柱按柱輸入時(shí)結(jié)構(gòu)在X和Y兩個(gè)方向的最大層間位移角比按墻輸入時(shí)略小。

3.3 結(jié)構(gòu)層剛度比分析對(duì)比

程序SATWE在不同的建模方式下結(jié)構(gòu)的層剛度比見表3。

層剛度比 表3

從表3可以看出，無論是X向還是Y向，按柱輸入時(shí)層剛度比都比按墻輸入時(shí)大。這說明，按柱輸入時(shí)相應(yīng)提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，因此從這點(diǎn)來看，按墻輸入比較偏于安全。

3.4 墻柱內(nèi)力及配筋分析對(duì)比

帶翼墻的端柱DZ1在不同建模方式下的柱底軸力見表4。

墻柱軸力（KN） 表4

通過表4的比較可以看出，按柱輸入時(shí)，端柱和翼墻的頂部分擔(dān)的軸力明顯比按墻輸入時(shí)大。

帶翼墻的端柱DZ1在不同建模方式下的配筋簡(jiǎn)圖見圖4。

圖4 端柱配筋簡(jiǎn)圖

通過圖4可以看出，端柱按柱輸入時(shí)配筋要比按墻輸入時(shí)大很多。

以上兩種情況是由于端柱按柱輸入時(shí)，端柱的剛度增大，所承擔(dān)的軸力和彎矩也相應(yīng)增大，所以端柱配筋較大。

同時(shí)，在抗震組合工況下，端柱按柱子輸入時(shí)，DZ1所分擔(dān)的軸力小，因此軸壓比也小。對(duì)于Q1來說，此時(shí)計(jì)算軸壓比所采用的截面積沒有扣除柱與墻重疊的部分，因此截面積偏大，計(jì)算所得的軸壓比偏小。端柱尺寸越大，Q1所計(jì)算的軸壓比偏小越多。所以對(duì)于這種情況，在設(shè)計(jì)過程中軸壓比不要控制得太緊。

3.5 梁端內(nèi)力分析對(duì)比

兩種不同的建模方式下，預(yù)應(yīng)力梁兩端內(nèi)力見表5。

梁端內(nèi)力 表5

通過表5的比較可以看出，無論是梁端彎矩，還是梁端剪力，端柱按柱輸入時(shí)比按墻輸入時(shí)大。究其原因，是由于端柱按柱輸入時(shí)，柱子和剪力墻重疊的部分，程序在計(jì)算的時(shí)候會(huì)重復(fù)計(jì)算豎向構(gòu)件，增加了端柱的剛度，從而影響梁端內(nèi)力的變化。隨著端柱尺寸越大，翼墻越短，對(duì)梁端內(nèi)力的影響就越大。

同時(shí)，對(duì)于端柱尺寸較大的情況，與之連接的梁對(duì)端柱的作用主要發(fā)生在梁所在的平面內(nèi)，因此，對(duì)于這種情況，端柱按柱輸入比較符合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)時(shí)更偏于安全。

4 結(jié)論及建議

綜上所述，按柱子輸入計(jì)算時(shí)，剪力墻軸向力和軸壓比等不符合剪力墻的實(shí)際情況，計(jì)算得到的層間位移偏小，層剛度較大，配筋較大，軸壓比偏小，不過兩種情況對(duì)總體指標(biāo)都有較好的控制，影響不大。

因此在設(shè)計(jì)過程中建議當(dāng)采用按柱子輸入時(shí)，特別是對(duì)于比較大的端柱，要注意適當(dāng)加大端柱的配筋，同時(shí)還要注意軸壓比的控制，不宜控制得太緊。同時(shí)，按柱輸入時(shí)，端柱的抗震等級(jí)要和剪力墻一致，如果出現(xiàn)異常配筋，也可以按剪力墻進(jìn)行復(fù)核。