设置异形端柱剪力墙配筋设计方法探讨

潘杰 黄冬梅 熊后元

【摘 要】  剪力墙结构体系在当前大量的住宅项目中得到广泛应用。在抗震设防高烈度地区为满足小震水平地震作用下规范抗侧剛度设计指标要求，经常采用在剪力墙结构周边设置端柱的方式来提高结构抗侧效率。由于建筑使用功能的要求，端柱在某方向截面尺寸不能过大，设计时会采用如L形、T形、Z形等异形端柱。现阶段结构设计常用的计算软件中，采用壳单元模拟异形端柱剪力墙，无法准确考虑墙肢截面形状特征对配筋计算结果的影响。文章以某实际工程为例，通过多种方法对比验证分析，提出对带端柱墙肢补充实体单元精细化分析，并进行配筋包络设计，可保证结构设计安全。

【关键词】异形端柱; 实体单元; 包络设计; 有限元

抗震设防高烈度地区整体结构在水平地震作用下的层间位移角是结构抗震设计中的一项关键控制指标。对侧移变形曲线特征为弯曲型的剪力墙结构，为满足多遇地震作用下结构弹性层间位移角的规范限值要求，通常会采取在建筑周边距离中性轴较远端墙体上增设端柱的方式，来增大结构平面的抗弯惯性矩，提高整体结构抗侧效率[1]。有时由于端柱某方向截面尺寸过大，影响建筑使用功能，实际工程设计时会采用如L形、T形、Z形等异形端柱。

当前应用较普遍的常规计算软件中，对墙柱采用直接叠加的计算处理方法，各自采用不同的计算假定，框架柱采用杆单元，墙身采用壳单元，无法准确的将端柱与墙身作为整体构件进行抗震设计，端柱与墙身重叠部分的结构刚度也有重复计算问题，造成带端柱剪力墙配筋计算结果不合理，因此设计时建议优先采用壳单元模拟端柱的计算模型，即将端柱按等截面翼缘墙肢输入的计算模型。

现阶段结构设计常用的计算软件如PKPM、YJK系列，对采用壳单元方式模拟的端柱配筋计算时，会将端柱与其相连墙身采用等效墙厚的方式进行设计，无法考虑异形端柱墙肢截面形状特征对配筋计算结果的影响。本文将以某实际工程为例，探讨设置异形端柱剪力墙的合理计算模型及配筋计算方法，以保证结构设计安全。

1 工程概况

本项目位于云南省昆明市宜良县，上部主体结构采用钢筋混凝土全落地剪力墙结构， 建筑使用功能为高层住宅，结构标准层平面详见图1。本工程地下室为1层，上部建筑共有26层，其中1层层高为3.6 m，以上各层层高均为3 m，房屋高度为78.9 m，属于A级高度高层建筑。地下室结构相关抗震构造要求满足GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[2]第6.1.14条相关设计规定，上部结构嵌固部位为地下室结构顶板。

本项目上部建筑平面非矩形，结构横向采用等效面宽进行计算其高宽比约为6.14，大于JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]第3.3.2条规定的最大适用高宽比5的设计限值要求。本工程所在场地抗震设防烈度为8度0.3g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类，多遇地震下水平地震影响系数最大值αmax=0.24，特征周期Tg=0.65 s，抗震设防类别为标准设防类，结构设计使用年限为50年，主体结构为高烈度地区大高宽比板式高层住宅建筑。为保证建筑内部使用功能品质，合理控制内部剪力墙数量及厚度，提高抗侧力构件的工作效率，通过多种结构设计方案综合对比，最终选择在建筑横向外围墙肢端部增设L形端柱（端柱各边截面长宽比不大于4）的结构方案提高墙肢抗侧效率，来有效控制整体结构抗侧刚度满足规范设计限制要求，具体结构布置方案如图1所示。

2 设置异形端柱墙肢配筋设计方法的研究

本项目结构平面中设置L形端柱部位的墙肢为整体结构中的关键抗侧力构件，为保证主体结构的抗震设计安全，设计时对L型端柱墙肢补充采用YJK软件中的实体单元进行分析，尽可能准确模拟构件形状特征对配筋设计的影响。现以上述图1中结构横向1轴处墙肢为例，其实体单元划分计算模型如图2所示。

同时采用YJK软件分别对设置L型端柱墙肢采用壳单元及实体单元两种模拟方式，进行整体结构抗震设计控制指标对比分析，具体结果如表1所示。

由表1中对比结果可见，两种不同模拟方式中整体结构其主要抗震设计控制指标基本相同。通过进一步对比观察，发现两种不同计算模型中多数设置端柱墙肢其配筋结果均存在不同程度差异，为保证结构构件的抗震设计安全，建议施工图设计时，对设置端柱墙肢的配筋按两种模型计算结果的包络值进行设计。

3 利用Xtract通用截面分析软件对设置端柱典型墙肢配筋补充验算分析

现对图1中1轴处设置L形端柱的典型墙肢1及墙肢2进行抗弯承载力验证分析。利用Xtract通用截面分析软件，根据墙肢构件实际截面形状、实配钢筋大小及其排布位置，绘制墙肢的PMM曲线，验证采用上述两种模型包络值进行墙肢配筋计算方法的可靠性。XTRACT软件程序计算时采用平截面假定及纤维单元模型，验算时砼及钢筋材料本构关系均采用GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[4]（以下简称混凝土规范）附录C中的设计规定，材料强度采用设计值。墙肢1、墙肢2其截面特征、PMx（绕X轴）、PMy（绕Y轴）曲线及计算结果详见图3～图8。

由上述设置L形端柱典型墙肢的PM曲线分析结果可见，各最不利荷载工况效应值均位于墙肢PM包络曲线以内，说明采用两种不同模拟单元计算结果的包络值进行构件配筋设计，可保证结构设计安全。

4 利用Midas FEA通用有限元分析软件对设置端柱典型墙肢进行实体单元非线性静力分析

利用Midas FEA通用有限元软件对上述墙肢1进行实体单元非线性静力分析，模型中纵筋按实配钢筋大小及位置进行建模，混凝土及钢筋材料本构关系按混凝土规范[4]附录C中的设计要求进行设置，同时考虑材料非线性。模型中不考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移，混凝土、钢筋考虑节点耦合。实体单元上施加的荷载为从YJK软件分析结果中提取的最不利荷载工况值，墙肢实体单元模型及分析结果如图9～图12所示。

由墙肢纵筋应力分布图可见，纵筋最大应力约110 MPa小于本工程墙肢纵筋材料强度设计值360 MPa，满足规范设计要求，且结构安全性存在一定富余度，表明采用上述两种不同计算模型的配筋包络值进行设计，可保证设置异形端柱墙肢的结构安全。

5 结论

通过对某实际工程中带L形端柱墙肢配筋设计方法的对比验证分析可知，采用壳单元与实体单元计算模型的包络结果进行构件抗弯承载力设计，可保证其配筋设计安全。因此，建议对设置L形、T形、Z形等异形截面端柱的剪力墙或截面尺寸较大的矩形端柱剪力墙，其配筋设计时补充实体单元计算模型进行包络设计，以考虑端柱截面形状特征对墙肢配筋计算结果的影响。同时考虑到截面不规则性对构件受力的不利影响，实际工程设计时建议适当提高此类构件的设计富余度。

参考文献

[1] 伍承彦，张文华等. 高烈度地区大高宽比超高层住宅结构设计及抗震性能分析[J].广东土木与建筑，2018（1）：23-27.

[2] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S]（2016年版）.

[3] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程 [S].

[4] GB50010-2010 （2015年版）混凝土结构设计规范[S].

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