框架-剪力墻結構中剪力墻端柱設計與思考

連宏剛

（甘肅省建設設計咨詢集團有限公司， 甘肅 蘭州 730050）

1 剪力墻端柱

框架-剪力墻結構中剪力墻端柱是非常重要的一部分結構構件，其本質是一面墻，是墻的邊緣構件。其在整體的結構中起到了對于剪力墻進行有效約束的作用，對于剪力墻的整體性和平面外穩定性上有明顯的提高作用，也是對于整體結構的有效保證。當墻體平面外有框架梁布置在剪力墻的端柱上時，也就需要端柱承擔框架梁傳遞來的一部分水平作用，而另外一部分的豎向力則由端柱和墻體本身來共同承擔的。在帶邊框剪力墻的兩端設計中，需要進行邊框的閉合設計工作，端柱也就起到了一部分的框架柱的名義作用。因此帶端柱剪力墻不是剪力墻和框架柱的簡單疊加，軟件中對柱墻采用直接疊加的方式混淆了端柱與框架柱的本質區別。因此在平時的設計過程中，一方面就需要端柱按照框架柱相關性質和相關的規范要求進行有效的分析計算和設計，另一方面也需要按照剪力墻邊緣構件的相關性質和相關規范的要求進行分析計算和設計。

2 理論分析

2.1 當建模時端柱結構按照框架柱輸入時，框架柱和剪力墻的重疊部分需要在計算過程中進行全方位的分析，但是在實際的設計過程中還會出現了一系列的問題：第一，計算程序默認端柱的抗震等級同框架的，而在框架-剪力墻結構中，框架的抗震等級一般不會高于剪力墻的，此時若不人工修改端柱抗震等級，則會導致計算結果偏不安全。第二，軸壓比校核時，軸壓比限值偏高，這就在實際的控制過程中產生了實際延性偏低的情況，也使得構件在抗震能力方面和抗變形方面有所影響。第三，在進行剪力計算的過程中，如果出現了大面積重疊的現象，后續的計算過程中抗剪能力也會受到影響，大于實際的承載能力，出現了計算方面的偏差。第四，由于柱和墻各自采用不同的計算假定，會導致同一構件內端柱與墻肢的計算壓應力差別較大，框架柱計算承受豎向力偏大，從而造成帶端柱墻體豎向力大部分由端柱承擔，端柱配筋過大。第五，按照高規附錄E計算的等效剪切剛度會偏小于實際剛度值，此時會影響到結構不考慮偶然偏心時的自振周期偏大于實際的自振周期值，導致計算的地震作用效應略小于實際值，設計結果偏不安全。第六，程序計算輸出的對應于地震標準值下框架承擔的地震剪力偏大，影響0.2V0調整，且地震力按剛度分配過程中，框架部分計算承擔地震力大于實際的情況，而這種計算的直接結果就是將原本的二道防線的基本能力喪失，也就對于整體結構產生了嚴重的影響。第七，帶端柱剪力墻構件中端柱與剪力墻的計算壓應力水平區別很大，當不計結構構件的軸向變形時，經常會導致端柱承擔絕大部分的豎向荷載,而剪力墻只承擔很小一部分的豎向荷載。在軟件輸出的計算結果文件中，往往會出現端柱的配筋過大，計算不合理的情況。而當過多地考慮結構構件的軸向變形時，又會造成剪力墻所承擔豎向荷載超過端柱所承擔的豎向荷載，計算也不合理。

2.2 當建模時端柱結構按照墻元進行輸入時，軟件中默認端柱和墻身形成了統一的整體，其重疊部分不會重復計算，其計算軸壓比與實際是比較接近的，其變形特征也更接近于實際情況。而在剪切剛度的計算過程中，水平力的作用下會造成了剪切剛度偏大于實際情況的現象。

3 工程實例模型計算結果分析對比

3.1 工程概況

本次的建設項目是位于甘肅省蘭州新區的某個一類高層公共建筑項目，框架-剪力墻結構，地上十一層，地下一層，室內外高差0.1m,建筑高度：52.60m，該項目建筑基底面積為1389.48m2，建筑面積12986.85m2，地下一層為車庫，一層除門廳外均為商鋪（層高4.5m），二-十層均為辦公室（層高4.8m），十一層為辦公室、排煙機房及送風機房（層高4.8m）。地上結構嵌固部位在一層地下室頂板。

抗震設防烈度：7度，設計基本地震加速度值：0.15g，水平地震影響系數最大值：0.12，場地類別：Ⅱ類，設計地震分組：第三組，特征周期值0.45s。為滿足建筑立面效果及地下停車位要求，布置了四段帶端柱剪力墻，其中某計算單元結構平面布置如下圖。

3.2 結構模型分析及方案選擇

本次建模計算利用了北京盈建科YJK結構設計軟件系統，在建模計算的過程中相關參數如下所示。分為了模型1和模型2兩種進行對比，兩種模型的各個方面的參數上有所不同，模型1剪力墻端柱按框架柱輸入而模型2端柱按墻單元輸入的方式進行，兩種模型示意圖如下：

按照以上兩種方式輸入模型進行建模計算，程序上的結果輸出參數對比如下：

剛度計算結果對比表1

3.3 結構模型計算結果對比

根據以上的結果進行了全方面的對比分析工作，因為軟件計算的各項參數剛度是按照規范進行的，在不同模型的輸入過程中結構整體的控制參數差異并不大。但就單個構件來說，端柱按墻單元輸入更能模擬出實際情況，其計算結果更準確。若控制參數結果接近了規范規定的極限范圍時，應將兩種方法進行對比，必要時補充采用等效墻厚法計算，采用包絡設計以確保結構安全可靠。

4 結論

框架-剪力墻結構的剪力墻端柱設計過程中，程序建模時端柱按墻輸入的模型計算方式相對而言更符合實際情況，其整體結構的控制參數差異不大，其單個構件抗震等級、軸壓比限值等參數的控制上更準確，且后續施工圖繪制過程中更具優勢。但出于端柱的特殊性，我們常規設計需采用兩種模型包絡設計的思想，在兩種模型的差異比較大的情況下，應該在以下幾個方面進行分析工作：

4.1 端柱剪力墻的設計計算中應該格外關注模型中墻柱重疊部分的分析工作，這部分軟件計算時桿元和墻單元構件剛度取值不同、計算假定不同，很容易導致程序計算混亂，因此需要我們反復分析盡量減少構件在計算過程中出現這一系列誤差，必要時采用別的模型方式補充分析，提升設計工作的安全性與準確性。

4.2 當程序按墻+柱的方式進行模型參數的輸入和計算過程中，很容易忽略其中默認端柱的問題，軟件默認按照相應的框架進行柱的定義，端柱抗震等級、軸壓比限值等很有可能定義錯誤導致設計的結果偏不安全，因此在設計中就需要進行必要的控制參數調整，避免出現設計錯誤。

4.3 程序按墻+柱的方式進行模型參數的輸入和計算過程中，需要著重進行剪力與承載能力的分析，并與端柱按墻元模型計算結果進行比對分析，在參數差異比較大的情況下也需要進行有效的調整工作，保證設計的安全性和準確性。

4.4 實際設計中，若計算結果明顯不合理時，也可采取等效墻厚法手算復核。

4.5 除了計算分析外，還應依據規范規程相關要求加強其抗震構造措施：端柱型約束邊緣構件的箍筋應全高加密，端柱型構造邊緣構件的配箍應滿足相應墻體抗震等級框架柱的構造要求。