安青元 (福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,福建 福州 350001)
在平時工程實(shí)踐過程中,對于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)算的時候會重復(fù)計(jì)算豎向構(gòu)件。同時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候,是否偏于不安全,以及對整個結(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不同的有限元計(jì)算軟件,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析,并結(jié)合一個工程實(shí)例來探討以上這些問題以提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。
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)安全等級為二級,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年??拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)計(jì)的地震分組為第三組,建筑場地類別為II類。
圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖
以下著重對中部兩根38m跨度的帶翼墻的端柱(DZ1)進(jìn)行整體計(jì)算分析。整個工程的有限元模型見圖2。
圖2 整體有限元模型及分析對象模型
首先在PKPM軟件中對帶翼墻的端柱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。
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,兩種建模方式對結(jié)構(gòu)的整體周期以及周期比的影響很小。按柱輸入時結(jié)構(gòu)整體周期會比按墻輸入時略小。
STRAT的計(jì)算結(jié)果基本上與SATWE的一致。
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,兩種建模方式對結(jié)構(gòu)層間位移角的影響很小。端柱按柱輸入時結(jié)構(gòu)在X和Y兩個方向的最大層間位移角比按墻輸入時略小。
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,按柱輸入時層剛度比都比按墻輸入時大。這說明,按柱輸入時相應(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。
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,端柱和翼墻的頂部分擔(dān)的軸力明顯比按墻輸入時大。
帶翼墻的端柱DZ1在不同建模方式下的配筋簡圖見圖4。
圖4 端柱配筋簡圖
通過圖4可以看出,端柱按柱輸入時配筋要比按墻輸入時大很多。
以上兩種情況是由于端柱按柱輸入時,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,在抗震組合工況下,端柱按柱子輸入時,DZ1所分擔(dān)的軸力小,因此軸壓比也小。對于Q1來說,此時計(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。所以對于這種情況,在設(shè)計(jì)過程中軸壓比不要控制得太緊。
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,端柱按柱輸入時比按墻輸入時大。究其原因,是由于端柱按柱輸入時,柱子和剪力墻重疊的部分,程序在計(jì)算的時候會重復(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,對梁端內(nèi)力的影響就越大。
同時,對于端柱尺寸較大的情況,與之連接的梁對端柱的作用主要發(fā)生在梁所在的平面內(nèi),因此,對于這種情況,端柱按柱輸入比較符合實(shí)際情況,設(shè)計(jì)時更偏于安全。
綜上所述,按柱子輸入計(jì)算時,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,特別是對于比較大的端柱,要注意適當(dāng)加大端柱的配筋,同時還要注意軸壓比的控制,不宜控制得太緊。同時,按柱輸入時,端柱的抗震等級要和剪力墻一致,如果出現(xiàn)異常配筋,也可以按剪力墻進(jìn)行復(fù)核。