劉同焰 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)過(guò)程中，對(duì)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(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)，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(jì)算結(jié)果肯定不同，有時(shí)會(huì)差異較大。本文對(duì)此提出一些探討性意見(jiàn)和設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)，端柱還需要承擔(dān)框架梁傳來(lái)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(shí)的端柱也起著框架柱的作用?；诖耍Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)建議端柱分別按照框架柱進(jìn)行建模計(jì)算和厚墻建模計(jì)算，并應(yīng)同時(shí)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(shí)，框架柱和剪力墻重疊的部分軟件在計(jì)算的時(shí)候程序會(huì)重復(fù)計(jì)算，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果可能會(huì)存在下列問(wèn)題：①計(jì)算軸壓比會(huì)小于實(shí)際軸壓比，降低結(jié)構(gòu)的實(shí)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(jì)算時(shí)，重疊部分也重復(fù)計(jì)算了，這樣計(jì)算抗剪能力會(huì)大于實(shí)際承載能力；③按照力學(xué)方法計(jì)算的剛度時(shí)，EI=EЁ（IC+ACX2+IW+AWX2）,X 為各柱或墻到樓層形心的距離。因?yàn)槎酥鶆澋娇蚣苤姆懂?，墻的剛度要減小，對(duì)于少墻方向，情況非常明顯，這樣計(jì)算出來(lái)的整幢建筑的剪切剛度會(huì)小于實(shí)際剛度，結(jié)構(gòu)自振周期長(zhǎng)于實(shí)際周期，計(jì)算地震力小于實(shí)際的地震力。多墻方向可能因?yàn)橹丿B區(qū)域增多，計(jì)算可能會(huì)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(jì)算承擔(dān)的地震力大于實(shí)際承擔(dān)的地震力，甚至可能會(huì)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(shí)，軟件計(jì)算認(rèn)為端柱和墻身形成一體，重疊部分軟件在計(jì)算的時(shí)候程序不會(huì)重復(fù)計(jì)算，這樣計(jì)算出來(lái)的軸壓比會(huì)比較接近實(shí)際軸壓比。剪切剛度計(jì)算時(shí)，端柱納入墻體計(jì)算，因?yàn)樵谒搅ψ饔孟碌亩酥冃畏现募羟凶冃翁卣?，墻體變形特征符合彎曲變形特征，而實(shí)際變形要保持一致，因此計(jì)算的剪切剛度會(huì)大于實(shí)際剛度。結(jié)構(gòu)自振周期會(huì)小于實(shí)際周期，計(jì)算地震力會(huì)大于實(shí)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(jì)算地震力小于規(guī)范規(guī)定最小值時(shí)，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(gè)問(wèn)題，軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)自振周期時(shí)采用規(guī)范給予的計(jì)算公式T1=1.7ψT。頂點(diǎn)位移UT計(jì)算時(shí)按照規(guī)范給予的方法計(jì)算結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，兩種建模方法剛度計(jì)算結(jié)果不會(huì)差別太大，因而周期計(jì)算結(jié)果相差不大。

4 工程實(shí)例模型計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比

4.1 工程概況

某星級(jí)酒店項(xiàng)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(jí)為Ⅱ級(jí)，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(jì)基本地震加速度是0.10g，場(chǎng)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(jì)使用年限50年，框架抗震等級(jí)Ⅲ級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)Ⅱ級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。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(jì)算采用盈建科YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算時(shí)框架柱按桿單元計(jì)算，模型2是剪力墻端柱按墻單元輸入，軟件計(jì)算時(shí)按墻元計(jì)算。程序在不同的建模方式下模型剛度和剛重比計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1中剛度參數(shù)選取是其中7層計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果相差很小。

另外，周期比、剪重比及位移角計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。

從表2中可以看出，上表計(jì)算剛度時(shí)是按照規(guī)范給予的公式計(jì)算的，因?yàn)閯偠炔顒e很小，所以兩種建模方式各參數(shù)角計(jì)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(jì)算軸壓比小于按照墻建模的軸壓比。

4.3 結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從上述模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檐浖?jì)算各項(xiàng)參數(shù)時(shí)結(jié)構(gòu)剛度是按照規(guī)范給予公式計(jì)算的。所以，兩種不同輸入模型對(duì)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(xiàng)參數(shù)接近規(guī)范限值時(shí)，應(yīng)分別按照兩種方法建模計(jì)算，兩種模型結(jié)果均要滿足規(guī)范限值要求。

剛度計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表1

地震作用時(shí)剪重比、周期比、位移角及剛重比計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表2

軸壓比計(jì)算結(jié)果對(duì)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(shí)，程序建議按墻＋柱模型輸入計(jì)算，原因是對(duì)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(huì)造成同一結(jié)構(gòu)里的構(gòu)件采用不同計(jì)算單元進(jìn)行模擬計(jì)算，由于不同的計(jì)算單元會(huì)產(chǎn)生模型化差異以及相互影響的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差異較大，因此，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

①對(duì)于帶端柱的剪力墻，程序計(jì)算時(shí)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(jì)算誤差，這會(huì)影響剪力墻的抗剪承載力和軸壓比的計(jì)算，而且剪力墻墻肢截面長(zhǎng)度越小，其計(jì)算誤差相對(duì)就會(huì)越大，計(jì)算越偏于不安全；

②端柱按框架柱輸入模型，計(jì)算框架柱承擔(dān)的剪力Vf會(huì)大于實(shí)際承載力，影響到Vf≧0.2V0的調(diào)整，從而導(dǎo)致計(jì)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(shí)，容易忽視一個(gè)問(wèn)題，即軟件默認(rèn)端柱的抗震等級(jí)按框架柱來(lái)定義，而工程設(shè)計(jì)通常涉及到的框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻的抗震等級(jí)往往大于或等于框架的抗震等級(jí)，這樣就有可能會(huì)定義錯(cuò)端柱的抗震等級(jí)，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；

④當(dāng)某項(xiàng)參數(shù)接近規(guī)范限值時(shí)，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。