框架-剪力墙结构中剪力墙端柱设计与思考

连宏刚

（甘肃省建设设计咨询集团有限公司， 甘肃 兰州 730050）

1 剪力墙端柱

框架-剪力墙结构中剪力墙端柱是非常重要的一部分结构构件，其本质是一面墙，是墙的边缘构件。其在整体的结构中起到了对于剪力墙进行有效约束的作用，对于剪力墙的整体性和平面外稳定性上有明显的提高作用，也是对于整体结构的有效保证。当墙体平面外有框架梁布置在剪力墙的端柱上时，也就需要端柱承担框架梁传递来的一部分水平作用，而另外一部分的竖向力则由端柱和墙体本身来共同承担的。在带边框剪力墙的两端设计中，需要进行边框的闭合设计工作，端柱也就起到了一部分的框架柱的名义作用。因此带端柱剪力墙不是剪力墙和框架柱的简单叠加，软件中对柱墙采用直接叠加的方式混淆了端柱与框架柱的本质区别。因此在平时的设计过程中，一方面就需要端柱按照框架柱相关性质和相关的规范要求进行有效的分析计算和设计，另一方面也需要按照剪力墙边缘构件的相关性质和相关规范的要求进行分析计算和设计。

2 理论分析

2.1 当建模时端柱结构按照框架柱输入时，框架柱和剪力墙的重叠部分需要在计算过程中进行全方位的分析，但是在实际的设计过程中还会出现了一系列的问题：第一，计算程序默认端柱的抗震等级同框架的，而在框架-剪力墙结构中，框架的抗震等级一般不会高于剪力墙的，此时若不人工修改端柱抗震等级，则会导致计算结果偏不安全。第二，轴压比校核时，轴压比限值偏高，这就在实际的控制过程中产生了实际延性偏低的情况，也使得构件在抗震能力方面和抗变形方面有所影响。第三，在进行剪力计算的过程中，如果出现了大面积重叠的现象，后续的计算过程中抗剪能力也会受到影响，大于实际的承载能力，出现了计算方面的偏差。第四，由于柱和墙各自采用不同的计算假定，会导致同一构件内端柱与墙肢的计算压应力差别较大，框架柱计算承受竖向力偏大，从而造成带端柱墙体竖向力大部分由端柱承担，端柱配筋过大。第五，按照高规附录E计算的等效剪切刚度会偏小于实际刚度值，此时会影响到结构不考虑偶然偏心时的自振周期偏大于实际的自振周期值，导致计算的地震作用效应略小于实际值，设计结果偏不安全。第六，程序计算输出的对应于地震标准值下框架承担的地震剪力偏大，影响0.2V0调整，且地震力按刚度分配过程中，框架部分计算承担地震力大于实际的情况，而这种计算的直接结果就是将原本的二道防线的基本能力丧失，也就对于整体结构产生了严重的影响。第七，带端柱剪力墙构件中端柱与剪力墙的计算压应力水平区别很大，当不计结构构件的轴向变形时，经常会导致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的竖向荷载。在软件输出的计算结果文件中，往往会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超过端柱所承担的竖向荷载，计算也不合理。

2.2 当建模时端柱结构按照墙元进行输入时，软件中默认端柱和墙身形成了统一的整体，其重叠部分不会重复计算，其计算轴压比与实际是比较接近的，其变形特征也更接近于实际情况。而在剪切刚度的计算过程中，水平力的作用下会造成了剪切刚度偏大于实际情况的现象。

3 工程实例模型计算结果分析对比

3.1 工程概况

本次的建设项目是位于甘肃省兰州新区的某个一类高层公共建筑项目，框架-剪力墙结构，地上十一层，地下一层，室内外高差0.1m,建筑高度：52.60m，该项目建筑基底面积为1389.48m2，建筑面积12986.85m2，地下一层为车库，一层除门厅外均为商铺（层高4.5m），二-十层均为办公室（层高4.8m），十一层为办公室、排烟机房及送风机房（层高4.8m）。地上结构嵌固部位在一层地下室顶板。

抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度值：0.15g，水平地震影响系数最大值：0.12，场地类别：Ⅱ类，设计地震分组：第三组，特征周期值0.45s。为满足建筑立面效果及地下停车位要求，布置了四段带端柱剪力墙，其中某计算单元结构平面布置如下图。

3.2 结构模型分析及方案选择

本次建模计算利用了北京盈建科YJK结构设计软件系统，在建模计算的过程中相关参数如下所示。分为了模型1和模型2两种进行对比，两种模型的各个方面的参数上有所不同，模型1剪力墙端柱按框架柱输入而模型2端柱按墙单元输入的方式进行，两种模型示意图如下：

按照以上两种方式输入模型进行建模计算，程序上的结果输出参数对比如下：

刚度计算结果对比表1

3.3 结构模型计算结果对比

根据以上的结果进行了全方面的对比分析工作，因为软件计算的各项参数刚度是按照规范进行的，在不同模型的输入过程中结构整体的控制参数差异并不大。但就单个构件来说，端柱按墙单元输入更能模拟出实际情况，其计算结果更准确。若控制参数结果接近了规范规定的极限范围时，应将两种方法进行对比，必要时补充采用等效墙厚法计算，采用包络设计以确保结构安全可靠。

4 结论

框架-剪力墙结构的剪力墙端柱设计过程中，程序建模时端柱按墙输入的模型计算方式相对而言更符合实际情况，其整体结构的控制参数差异不大，其单个构件抗震等级、轴压比限值等参数的控制上更准确，且后续施工图绘制过程中更具优势。但出于端柱的特殊性，我们常规设计需采用两种模型包络设计的思想，在两种模型的差异比较大的情况下，应该在以下几个方面进行分析工作：

4.1 端柱剪力墙的设计计算中应该格外关注模型中墙柱重叠部分的分析工作，这部分软件计算时杆元和墙单元构件刚度取值不同、计算假定不同，很容易导致程序计算混乱，因此需要我们反复分析尽量减少构件在计算过程中出现这一系列误差，必要时采用别的模型方式补充分析，提升设计工作的安全性与准确性。

4.2 当程序按墙+柱的方式进行模型参数的输入和计算过程中，很容易忽略其中默认端柱的问题，软件默认按照相应的框架进行柱的定义，端柱抗震等级、轴压比限值等很有可能定义错误导致设计的结果偏不安全，因此在设计中就需要进行必要的控制参数调整，避免出现设计错误。

4.3 程序按墙+柱的方式进行模型参数的输入和计算过程中，需要着重进行剪力与承载能力的分析，并与端柱按墙元模型计算结果进行比对分析，在参数差异比较大的情况下也需要进行有效的调整工作，保证设计的安全性和准确性。

4.4 实际设计中，若计算结果明显不合理时，也可采取等效墙厚法手算复核。

4.5 除了计算分析外，还应依据规范规程相关要求加强其抗震构造措施：端柱型约束边缘构件的箍筋应全高加密，端柱型构造边缘构件的配箍应满足相应墙体抗震等级框架柱的构造要求。