框架剪力墻結構中剪力墻端柱設計探析

劉同焰 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

框架剪力墻結構是由框架和剪力墻兩部分組成，在結構設計中，由于框架和剪力墻自身的側向剛度差異較大，因此需要考慮二者的協同工作。在常規的工程設計過程中，對于軟件建模方式，框架剪力墻結構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點，將端柱當作厚墻輸入和墻身聯成一體。兩種建模方法的計算結果肯定不同，有時會差異較大。本文對此提出一些探討性意見和設計建議。

2 剪力墻端柱

應該明確，框架剪力墻結構中剪力墻端柱是剪力墻的一部分，端柱本質是墻，設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定性和平面內的延性。當平面外有框架梁落到剪力墻的端柱上時，端柱還需要承擔框架梁傳來的水平力，豎向力由端柱和墻身共同承擔。在平面內框架剪力墻結構中兩端設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。基于此，結構設計時建議端柱分別按照框架柱進行建模計算和厚墻建模計算，并應同時符合框架柱的相關構造要求及剪力墻的構造要求。

3 理論分析

結構建模當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計算，計算出來的結果可能會存在下列問題：①計算軸壓比會小于實際軸壓比，降低結構的實際延性，導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，結構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域增多，計算可能會增大；④導致端柱承擔的水平力納入框架柱的范疇，使得純框架柱計算承擔的地震力大于實際承擔的地震力，甚至可能會使得純框架柱承擔的地震力小于規范規定的最小值，框架失去二道防線的能力。結構建模當端柱按照墻體輸入時，軟件計算認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。結構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。當計算地震力小于規范規定最小值時，影響地震力調整系數，導致結構不安全。為了解決這個問題，軟件計算結構自振周期時采用規范給予的計算公式T1=1.7ψT。頂點位移UT計算時按照規范給予的方法計算結構側向剛度，兩種建模方法剛度計算結果不會差別太大，因而周期計算結果相差不大。

4 工程實例模型計算結果分析對比

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，中間為景觀內庭院。北側主樓地下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。主體結構采用框架剪力墻結構，建筑安全等級為Ⅱ級，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度區第二組，設計基本地震加速度是0.10g，場地類別三類，基本風壓為0.45kN/m2，基本雪壓為 0.40 kN/m2，地面粗糙度為B類，設計使用年限50年，框架抗震等級Ⅲ級，剪力墻抗震等級Ⅱ級，基礎設計等級為甲級。其標準層結構平面布置圖如下圖所示。

標準層結構平面布置圖

4.2 結構模型分析及方案選擇

本工程結構模型計算采用盈建科YJK建筑結構設計軟件，剪力墻端柱采取兩種不同方式進行建模，模型1是剪力墻端柱按常規框架柱輸入，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果對比如表1所示。

表1中剛度參數選取是其中7層計算結果，Ratx1、Raty1 表示 X、Y方向本層塔側移剛度與上一層相應塔側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值中之較小者；RJX1、RJY1表示結構總體坐標系中塔的側移剛度和扭轉剛度(剪切剛度)，少墻方向二者差別很大；RJX3、RJY3表示結構總體坐標系中塔的側移剛度和扭轉剛度(規范給予的計算方法，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）地震作用下側移剛度、扭轉剛度、Y向剪切剛度均比模型2（按墻輸入）計算結果相差很小。

另外，周期比、剪重比及位移角計算結果對比如表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角計算結果差異很小。

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 結構模型計算結果對比

從上述模型計算結果對比可以發現，因為軟件計算各項參數時結構剛度是按照規范給予公式計算的。所以，兩種不同輸入模型對結構整體參數指標影響不大，可以根據自己的習慣建模，但當某項參數接近規范限值時，應分別按照兩種方法建模計算，兩種模型結果均要滿足規范限值要求。

剛度計算結果對比 表1

地震作用時剪重比、周期比、位移角及剛重比計算結果對比 表2

軸壓比計算結果對比 表3

5 結論

框架剪力墻結構中剪力墻端部設置端柱時，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，會造成同一結構里的構件采用不同計算單元進行模擬計算，由于不同的計算單元會產生模型化差異以及相互影響的變形協調問題，會導致計算結果差異較大，因此，應注意以下幾個問題：

①對于帶端柱的剪力墻，程序計算時重復考慮了二者重疊的區域，導致豎向構件面積計算誤差，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，計算框架柱承擔的剪力Vf會大于實際承載力，影響到Vf≧0.2V0的調整，從而導致計算結果不合理，甚至不安全；

③當程序按墻＋柱的方式輸入模型時，容易忽視一個問題，即軟件默認端柱的抗震等級按框架柱來定義，而工程設計通常涉及到的框剪結構中，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，出現結構設計偏不安全，因此，這種情況下應人工調整剪力墻端柱的抗震等級，避免出現設計錯誤；

④當某項參數接近規范限值時，應將端柱按照墻建模復算，結果應滿足規范要求。