浅析剪力墙结构中端柱的设计计算

浅析剪力墙结构中端柱的设计计算

摘要：在PKPM中对剪力墙端柱的计算是采用柱模型，造成对同一结构构件采用不同的单元进行模拟，由于不同计算单元之间的模型化差异及相互的变形协调问题，常造成计算结果怪异。本文通过对带端柱剪力墙受力机理进行分析的基础上，指出采用墙、柱等效处理模型所存在的问题，说明了其在实际的结构设计中所存在的不合理之处，在此基础上，提供两种等效处理方法对带端柱的剪力墙进行结构计算。

关键词：剪力墙端柱结构计算

1.引言

剪力墙结构是高层建筑中常用的结构形式，可以根据建筑隔墙灵活布置，具有刚度大，能有效承受竖向和水平作用力，变形小等优点。在结构设计中，剪力墙端柱与框架-剪力墙结构中的边框柱是不同的。对于框架-剪力墙中的边框柱主要是与梁或暗梁形成闭合的边框，应按照框架柱进行计算，并符合框架柱的相关构造要求；剪力墙底部加强部位边框柱的箍筋宜沿全高加密。对于带端柱剪力墙结构中的端柱则是作为剪力墙的一部分，对剪力墙提供约束作用，并有利于提高剪力墙的平面外稳定性能。因此，对于带端柱的剪力墙结构中端柱应该满足剪力墙结构边缘构件的要求；但当端柱承受集中荷载时，其纵向钢筋、箍筋直径和间距还应满足框架柱的相关要求。

在PKPM建模中，结构设计人员通常对与剪力墙的端柱采用柱模型，以黄色显示，造成对同一结构构件采用不同的单元进行模拟，使结构竖向荷载往往主要集中在端柱上。在实际受力情况中，距离竖向作用点以下足够远处，由于混凝土结构对竖向荷载的应力扩散作用,其竖向荷载不完全由端柱自己承担，而由墙+柱全截面共同承担竖向荷载及由竖向荷载引起的弯矩。事实上，剪力墙端柱并非承担竖向荷载的主体。

图1竖向荷载应力扩散示意图

2.现有方法存在的主要问题

对于带端柱的剪力墙，结构设计人员为了能够很好地模拟有端柱剪力墙的平面外刚度，在建模时通常采用墙+柱模型进行结构计算。这种墙、柱分离式的等效处理方法，并不符合实际情况，主要存在以下几个方面的问题：

（1）造成实际模型中端柱+墙的总截面面积要大于带端柱剪力墙的全截面计算面积，存在面积

误差，这将直接影响带端柱剪力墙的抗剪承载力。另外，模型中剪力墙墙肢的长度要比实际的剪力墙墙肢长度小，加大了带端柱剪力墙的面内刚度计算误差，使计算结果偏于不安全。

（2）当采用墙、柱不同单元等效处理建模计算时，带端柱的剪力墙平面内侧向刚度由框架柱

的刚度和剪力墙的面内刚度共同组成；而剪力墙的面内刚度又与墙肢的有限元单元网格的划分有关，单元网格划分的越细，剪力墙的刚度越小，端柱所承担的内力值也就越大；反之，则剪力墙的刚度越大，端柱承担的内力值也就越少。另外，墙元和柱元之间的内力主要取决于剪力墙、端柱之间的变形协调。目前很难准确计算剪力墙与端之间的变形协调关系及混凝土对竖向荷载的应力扩散作用。这些因素都会造成实际模型与真实情况不相符的情况。

在结构设计中采用墙+柱分离的等效处理方法，常导致同一结构构件中端柱与剪力墙的计算压

应力水平差异很大。当不考虑结构构件的轴向变形时，往往会造成端柱承担绝大部分的竖向荷载，而剪力墙只承担很小一部分竖向荷载。在程序的计算结果文件中，出现端柱的配筋过大，计算不合理的情况。而当过多地考虑结构构件的轴向变形时，又会造成剪力墙所承担竖向荷载大于高于端柱所承担的竖向荷载，计算也不合理。

（3）当采用墙、柱分离的等效处理方法，容易使结构设计人员混淆端柱与框架柱的本质区别。

端柱作为剪力墙的一部分，只是形状像柱，但并不是柱。并且当建模时采用墙、柱分离的等效处理方法时，端柱的抗震等级是按照框架柱来确定的。而在框架-剪力墙结构中，框架柱的抗震等级一般不会高于剪力墙的抗震等级，会出现偏不安全的情况。因此，应该人工手动修改端柱的抗震等级，使其同剪力墙的抗震等级。

图2带端柱剪力墙示意图图3程序计算模型示意图

如：某18剪力墙结构，层高H=3000mm，地处6度抗震设防区域，场地类别为2类，地震分组为第一组，基本风压为0.45，地面粗糙度类别为B类。选取其中一片带端柱的剪力墙（截面尺寸）。当采用分离式建模时与实际情况的参数比较见表1：

表1

3.建议及结论

综上所述，对于带端柱的剪力墙结构，建模时可以采用以下两种等效处理方法：1）可直接按墙长，墙厚为计算，端柱在构造设计中考虑（边缘构件的配筋计算及墙的平面外稳定验算时，可考虑端柱的影响）。2）采用等效截面法计算复核，可直接按墙的等效截面宽度进行有端柱剪力墙的平面外稳定验算。此时，由于对端柱的有利作用考虑不足，其结果是偏于安全的。这两种等效处理方法可以有效地避免分离建模所造成的模型化差异和墙、柱间的变形协调问题。

参考文献

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