設(shè)置異形端柱剪力墻配筋設(shè)計(jì)方法探討

潘杰 黃冬梅 熊后元

【摘 要】??剪力墻結(jié)構(gòu)體系在當(dāng)前大量的住宅項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。在抗震設(shè)防高烈度地區(qū)為滿足小震水平地震作用下規(guī)范抗側(cè)剛度設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，經(jīng)常采用在剪力墻結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置端柱的方式來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)效率。由于建筑使用功能的要求，端柱在某方向截面尺寸不能過(guò)大，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用如L形、T形、Z形等異形端柱。現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的計(jì)算軟件中，采用殼單元模擬異形端柱剪力墻，無(wú)法準(zhǔn)確考慮墻肢截面形狀特征對(duì)配筋計(jì)算結(jié)果的影響。文章以某實(shí)際工程為例，通過(guò)多種方法對(duì)比驗(yàn)證分析，提出對(duì)帶端柱墻肢補(bǔ)充實(shí)體單元精細(xì)化分析，并進(jìn)行配筋包絡(luò)設(shè)計(jì)，可保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

【關(guān)鍵詞】異形端柱; 實(shí)體單元; 包絡(luò)設(shè)計(jì); 有限元

抗震設(shè)防高烈度地區(qū)整體結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的層間位移角是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵控制指標(biāo)。對(duì)側(cè)移變形曲線特征為彎曲型的剪力墻結(jié)構(gòu)，為滿足多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性層間位移角的規(guī)范限值要求，通常會(huì)采取在建筑周邊距離中性軸較遠(yuǎn)端墻體上增設(shè)端柱的方式，來(lái)增大結(jié)構(gòu)平面的抗彎慣性矩，提高整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)效率[1]。有時(shí)由于端柱某方向截面尺寸過(guò)大，影響建筑使用功能，實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用如L形、T形、Z形等異形端柱。

當(dāng)前應(yīng)用較普遍的常規(guī)計(jì)算軟件中，對(duì)墻柱采用直接疊加的計(jì)算處理方法，各自采用不同的計(jì)算假定，框架柱采用桿單元，墻身采用殼單元，無(wú)法準(zhǔn)確的將端柱與墻身作為整體構(gòu)件進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，端柱與墻身重疊部分的結(jié)構(gòu)剛度也有重復(fù)計(jì)算問(wèn)題，造成帶端柱剪力墻配筋計(jì)算結(jié)果不合理，因此設(shè)計(jì)時(shí)建議優(yōu)先采用殼單元模擬端柱的計(jì)算模型，即將端柱按等截面翼緣墻肢輸入的計(jì)算模型。

現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的計(jì)算軟件如PKPM、YJK系列，對(duì)采用殼單元方式模擬的端柱配筋計(jì)算時(shí)，會(huì)將端柱與其相連墻身采用等效墻厚的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法考慮異形端柱墻肢截面形狀特征對(duì)配筋計(jì)算結(jié)果的影響。本文將以某實(shí)際工程為例，探討設(shè)置異形端柱剪力墻的合理計(jì)算模型及配筋計(jì)算方法，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于云南省昆明市宜良縣，上部主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土全落地剪力墻結(jié)構(gòu)， 建筑使用功能為高層住宅，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面詳見(jiàn)圖1。本工程地下室為1層，上部建筑共有26層，其中1層層高為3.6 m，以上各層層高均為3 m，房屋高度為78.9 m，屬于A級(jí)高度高層建筑。地下室結(jié)構(gòu)相關(guān)抗震構(gòu)造要求滿足GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第6.1.14條相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)嵌固部位為地下室結(jié)構(gòu)頂板。

本項(xiàng)目上部建筑平面非矩形，結(jié)構(gòu)橫向采用等效面寬進(jìn)行計(jì)算其高寬比約為6.14，大于JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]第3.3.2條規(guī)定的最大適用高寬比5的設(shè)計(jì)限值要求。本工程所在場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度0.3g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.24，特征周期Tg=0.65 s，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，主體結(jié)構(gòu)為高烈度地區(qū)大高寬比板式高層住宅建筑。為保證建筑內(nèi)部使用功能品質(zhì)，合理控制內(nèi)部剪力墻數(shù)量及厚度，提高抗側(cè)力構(gòu)件的工作效率，通過(guò)多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案綜合對(duì)比，最終選擇在建筑橫向外圍墻肢端部增設(shè)L形端柱（端柱各邊截面長(zhǎng)寬比不大于4）的結(jié)構(gòu)方案提高墻肢抗側(cè)效率，來(lái)有效控制整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)限制要求，具體結(jié)構(gòu)布置方案如圖1所示。

2 設(shè)置異形端柱墻肢配筋設(shè)計(jì)方法的研究

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)平面中設(shè)置L形端柱部位的墻肢為整體結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵抗側(cè)力構(gòu)件，為保證主體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)安全，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)L型端柱墻肢補(bǔ)充采用YJK軟件中的實(shí)體單元進(jìn)行分析，盡可能準(zhǔn)確模擬構(gòu)件形狀特征對(duì)配筋設(shè)計(jì)的影響。現(xiàn)以上述圖1中結(jié)構(gòu)橫向1軸處墻肢為例，其實(shí)體單元?jiǎng)澐钟?jì)算模型如圖2所示。

同時(shí)采用YJK軟件分別對(duì)設(shè)置L型端柱墻肢采用殼單元及實(shí)體單元兩種模擬方式，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)控制指標(biāo)對(duì)比分析，具體結(jié)果如表1所示。

由表1中對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，兩種不同模擬方式中整體結(jié)構(gòu)其主要抗震設(shè)計(jì)控制指標(biāo)基本相同。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比觀察，發(fā)現(xiàn)兩種不同計(jì)算模型中多數(shù)設(shè)置端柱墻肢其配筋結(jié)果均存在不同程度差異，為保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)安全，建議施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)設(shè)置端柱墻肢的配筋按兩種模型計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 利用Xtract通用截面分析軟件對(duì)設(shè)置端柱典型墻肢配筋補(bǔ)充驗(yàn)算分析

現(xiàn)對(duì)圖1中1軸處設(shè)置L形端柱的典型墻肢1及墻肢2進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)證分析。利用Xtract通用截面分析軟件，根據(jù)墻肢構(gòu)件實(shí)際截面形狀、實(shí)配鋼筋大小及其排布位置，繪制墻肢的PMM曲線，驗(yàn)證采用上述兩種模型包絡(luò)值進(jìn)行墻肢配筋計(jì)算方法的可靠性。XTRACT軟件程序計(jì)算時(shí)采用平截面假定及纖維單元模型，驗(yàn)算時(shí)砼及鋼筋材料本構(gòu)關(guān)系均采用GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]（以下簡(jiǎn)稱混凝土規(guī)范）附錄C中的設(shè)計(jì)規(guī)定，材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值。墻肢1、墻肢2其截面特征、PMx（繞X軸）、PMy（繞Y軸）曲線及計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖3～圖8。

由上述設(shè)置L形端柱典型墻肢的PM曲線分析結(jié)果可見(jiàn)，各最不利荷載工況效應(yīng)值均位于墻肢PM包絡(luò)曲線以內(nèi)，說(shuō)明采用兩種不同模擬單元計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值進(jìn)行構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)，可保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

4 利用Midas FEA通用有限元分析軟件對(duì)設(shè)置端柱典型墻肢進(jìn)行實(shí)體單元非線性靜力分析

利用Midas FEA通用有限元軟件對(duì)上述墻肢1進(jìn)行實(shí)體單元非線性靜力分析，模型中縱筋按實(shí)配鋼筋大小及位置進(jìn)行建模，混凝土及鋼筋材料本構(gòu)關(guān)系按混凝土規(guī)范[4]附錄C中的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)考慮材料非線性。模型中不考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移，混凝土、鋼筋考慮節(jié)點(diǎn)耦合。實(shí)體單元上施加的荷載為從YJK軟件分析結(jié)果中提取的最不利荷載工況值，墻肢實(shí)體單元模型及分析結(jié)果如圖9～圖12所示。

由墻肢縱筋應(yīng)力分布圖可見(jiàn)，縱筋最大應(yīng)力約110 MPa小于本工程墻肢縱筋材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360 MPa，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，且結(jié)構(gòu)安全性存在一定富余度，表明采用上述兩種不同計(jì)算模型的配筋包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，可保證設(shè)置異形端柱墻肢的結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某實(shí)際工程中帶L形端柱墻肢配筋設(shè)計(jì)方法的對(duì)比驗(yàn)證分析可知，采用殼單元與實(shí)體單元計(jì)算模型的包絡(luò)結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件抗彎承載力設(shè)計(jì)，可保證其配筋設(shè)計(jì)安全。因此，建議對(duì)設(shè)置L形、T形、Z形等異形截面端柱的剪力墻或截面尺寸較大的矩形端柱剪力墻，其配筋設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)充實(shí)體單元計(jì)算模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，以考慮端柱截面形狀特征對(duì)墻肢配筋計(jì)算結(jié)果的影響。同時(shí)考慮到截面不規(guī)則性對(duì)構(gòu)件受力的不利影響，實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)建議適當(dāng)提高此類構(gòu)件的設(shè)計(jì)富余度。

參考文獻(xiàn)

[1] 伍承彥，張文華等. 高烈度地區(qū)大高寬比超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震性能分析[J].廣東土木與建筑，2018（1）：23-27.

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