剪力墙端柱在不同的建模方式下对结构的影响

安青元 （福建省建筑设计研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 前言

在平时工程实践过程中，对于PKPM软件建模阶段，剪力墙约束边缘构件的端柱大都是按框架柱输入，然后剪力墙直接建到框架柱的节点上，虽然建模方便很多，但柱子和剪力墙重叠的部分，程序在计算的时候会重复计算竖向构件。同时SATWE程序采用的方法并不符合平截面假定，它采用墙、柱分离计算，显然是近似计算的。这样是否导致轴压比比真实的小了，刚度比真实的大了；特别是端柱很大的时候，是否偏于不安全，以及对整个结构的整体指标的影响有多大等等。文章采用了两种不同的建模方式以及两个不同的有限元计算软件，对计算结果进行比较分析，并结合一个工程实例来探讨以上这些问题以提出相应的设计建议。

1 工程概况

本工程位于山东省沂源县，为图书、艺术楼的二期工程，由单栋建筑组成，建筑高度为18m，建筑平面为椭圆形，中部结构只有一跨，最大跨度约为38m，采用现浇预应力混凝土梁，为提高结构的抗震性能，主体结构采用框架剪力墙体系，结构布置图见图1。本工程结构安全等级为二级，结构设计基准期为50年。抗震设防烈度为7度（0.10g），设计的地震分组为第三组，建筑场地类别为II类。

图1 结构平面布置图

2 分析模型及方案选择

以下着重对中部两根38m跨度的带翼墙的端柱(DZ1)进行整体计算分析。整个工程的有限元模型见图2。

图2 整体有限元模型及分析对象模型

首先在PKPM软件中对带翼墙的端柱DZ1采用两种不同的方式进行建模。第一种：端柱按柱子输入，以这种方式输入，计算时端柱按杆元计算；第二种：端柱按剪力墙输入，以这种方式输入，计算时端柱按墙元计算。两种输入方式的具体模型见图3。

其次还采用佳构有限元通用软件STRAT进行两种方式的建模，并把计算结果与PKPM-SATWE的计算结果进行分析比较。

图3 剪力墙暗柱模型

STRAT软件是大型通用有限元软件，可以直接建立任意复杂的空间结构计算模型，能进行各种有限元计算。

3 计算结果分析比较

3.1 结构周期及周期比分析对比

程序SATWE与STRAT在不同建模方式下结构整体周期及周期比见表1。

整体周期及周期比 表1

从表1可以看出，两种建模方式对结构的整体周期以及周期比的影响很小。按柱输入时结构整体周期会比按墙输入时略小。

STRAT的计算结果基本上与SATWE的一致。

3.2 结构层间位移角分析对比

程序SATWE与STRAT在不同建模方式下结构整体周期及周期比见表2。

最大层间位移角 表2

从表2可以看出，两种建模方式对结构层间位移角的影响很小。端柱按柱输入时结构在X和Y两个方向的最大层间位移角比按墙输入时略小。

3.3 结构层刚度比分析对比

程序SATWE在不同的建模方式下结构的层刚度比见表3。

层刚度比 表3

从表3可以看出，无论是X向还是Y向，按柱输入时层刚度比都比按墙输入时大。这说明，按柱输入时相应提高了结构的整体刚度，因此从这点来看，按墙输入比较偏于安全。

3.4 墙柱内力及配筋分析对比

带翼墙的端柱DZ1在不同建模方式下的柱底轴力见表4。

墙柱轴力（KN） 表4

通过表4的比较可以看出，按柱输入时，端柱和翼墙的顶部分担的轴力明显比按墙输入时大。

带翼墙的端柱DZ1在不同建模方式下的配筋简图见图4。

图4 端柱配筋简图

通过图4可以看出，端柱按柱输入时配筋要比按墙输入时大很多。

以上两种情况是由于端柱按柱输入时，端柱的刚度增大，所承担的轴力和弯矩也相应增大，所以端柱配筋较大。

同时，在抗震组合工况下，端柱按柱子输入时，DZ1所分担的轴力小，因此轴压比也小。对于Q1来说，此时计算轴压比所采用的截面积没有扣除柱与墙重叠的部分，因此截面积偏大，计算所得的轴压比偏小。端柱尺寸越大，Q1所计算的轴压比偏小越多。所以对于这种情况，在设计过程中轴压比不要控制得太紧。

3.5 梁端内力分析对比

两种不同的建模方式下，预应力梁两端内力见表5。

梁端内力 表5

通过表5的比较可以看出，无论是梁端弯矩，还是梁端剪力，端柱按柱输入时比按墙输入时大。究其原因，是由于端柱按柱输入时，柱子和剪力墙重叠的部分，程序在计算的时候会重复计算竖向构件，增加了端柱的刚度，从而影响梁端内力的变化。随着端柱尺寸越大，翼墙越短，对梁端内力的影响就越大。

同时，对于端柱尺寸较大的情况，与之连接的梁对端柱的作用主要发生在梁所在的平面内，因此，对于这种情况，端柱按柱输入比较符合实际情况，设计时更偏于安全。

4 结论及建议

综上所述，按柱子输入计算时，剪力墙轴向力和轴压比等不符合剪力墙的实际情况，计算得到的层间位移偏小，层刚度较大，配筋较大，轴压比偏小，不过两种情况对总体指标都有较好的控制，影响不大。

因此在设计过程中建议当采用按柱子输入时，特别是对于比较大的端柱，要注意适当加大端柱的配筋，同时还要注意轴压比的控制，不宜控制得太紧。同时，按柱输入时，端柱的抗震等级要和剪力墙一致，如果出现异常配筋，也可以按剪力墙进行复核。