剪力墻端柱在不同的建模方式下對結構的影響

安青元 （福建省建筑設計研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 前言

在平時工程實踐過程中，對于PKPM軟件建模階段，剪力墻約束邊緣構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點上，雖然建模方便很多，但柱子和剪力墻重疊的部分，程序在計算的時候會重復計算豎向構件。同時SATWE程序采用的方法并不符合平截面假定，它采用墻、柱分離計算，顯然是近似計算的。這樣是否導致軸壓比比真實的小了，剛度比真實的大了；特別是端柱很大的時候，是否偏于不安全，以及對整個結構的整體指標的影響有多大等等。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算軟件，對計算結果進行比較分析，并結合一個工程實例來探討以上這些問題以提出相應的設計建議。

1 工程概況

本工程位于山東省沂源縣，為圖書、藝術樓的二期工程，由單棟建筑組成，建筑高度為18m，建筑平面為橢圓形，中部結構只有一跨，最大跨度約為38m，采用現澆預應力混凝土梁，為提高結構的抗震性能，主體結構采用框架剪力墻體系，結構布置圖見圖1。本工程結構安全等級為二級，結構設計基準期為50年。抗震設防烈度為7度（0.10g），設計的地震分組為第三組，建筑場地類別為II類。

圖1 結構平面布置圖

2 分析模型及方案選擇

以下著重對中部兩根38m跨度的帶翼墻的端柱(DZ1)進行整體計算分析。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行建模。第一種：端柱按柱子輸入，以這種方式輸入，計算時端柱按桿元計算；第二種：端柱按剪力墻輸入，以這種方式輸入，計算時端柱按墻元計算。兩種輸入方式的具體模型見圖3。

其次還采用佳構有限元通用軟件STRAT進行兩種方式的建模，并把計算結果與PKPM-SATWE的計算結果進行分析比較。

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雜的空間結構計算模型，能進行各種有限元計算。

3 計算結果分析比較

3.1 結構周期及周期比分析對比

程序SATWE與STRAT在不同建模方式下結構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，兩種建模方式對結構的整體周期以及周期比的影響很小。按柱輸入時結構整體周期會比按墻輸入時略小。

STRAT的計算結果基本上與SATWE的一致。

3.2 結構層間位移角分析對比

程序SATWE與STRAT在不同建模方式下結構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，兩種建模方式對結構層間位移角的影響很小。端柱按柱輸入時結構在X和Y兩個方向的最大層間位移角比按墻輸入時略小。

3.3 結構層剛度比分析對比

程序SATWE在不同的建模方式下結構的層剛度比見表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，按柱輸入時相應提高了結構的整體剛度，因此從這點來看，按墻輸入比較偏于安全。

3.4 墻柱內力及配筋分析對比

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，端柱和翼墻的頂部分擔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，所承擔的軸力和彎矩也相應增大，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所分擔的軸力小，因此軸壓比也小。對于Q1來說，此時計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，計算所得的軸壓比偏小。端柱尺寸越大，Q1所計算的軸壓比偏小越多。所以對于這種情況，在設計過程中軸壓比不要控制得太緊。

3.5 梁端內力分析對比

兩種不同的建模方式下，預應力梁兩端內力見表5。

梁端內力 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，程序在計算的時候會重復計算豎向構件，增加了端柱的剛度，從而影響梁端內力的變化。隨著端柱尺寸越大，翼墻越短，對梁端內力的影響就越大。

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生在梁所在的平面內，因此，對于這種情況，端柱按柱輸入比較符合實際情況，設計時更偏于安全。

4 結論及建議

綜上所述，按柱子輸入計算時，剪力墻軸向力和軸壓比等不符合剪力墻的實際情況，計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都有較好的控制，影響不大。

因此在設計過程中建議當采用按柱子輸入時，特別是對于比較大的端柱，要注意適當加大端柱的配筋，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，如果出現異常配筋，也可以按剪力墻進行復核。