结构模型中短墙用柱模拟和墙模拟结果对比

冯发阳

中国建筑科学研究院有限公司北京构力科技有限公司 北京 100013

[摘要] 在剪力墙结构设计过程中，常常遇到长度较短的短墙，这种短墙目前有两种模拟方式，一种是按照墙建模，一种是按照柱建模，本文针对这两种模拟方式的结果进行对比，以发现二者的差异。

[关键词] 剪力墙；二道防线调整；内力；配筋；

1 问题的提出

某剪力墙结构，如图位置有长度是400mm的短墙，当采用柱模拟短墙的时候，以第6层为例，相连梁梁端配筋差异大，柱模拟的梁端有超筋，这是什么原因？补充描述：柱子通高截面为500*400，短墙厚300mm（长200mm）。

图1 柱与短墙模拟对比超筋位置

在其他条件均一致的前提下，程序中对于一字型短墙默认为短肢墙，按柱进行配筋设计，对比两模型相同位置的梁，构件信息，以6层图示位置梁为例，构件信息对比如下：

1.

图2 构件信息对比图

图3 配筋对比图（图左是柱模拟）

图4 配筋控制工况组合

可以看到，首先梁在计算模型的长度上有差别，由于柱的尺寸比短墙墙厚（墙长）大，所以柱模拟时梁的长度稍短些，超筋位置位于端部即与框架柱相连的一端，同一组合号，但是内力确是差距很大，仔细对比构件信息发现，柱模拟模型中，如图5，柱的二道防线调整系数为2，墙的虽然是按照柱的形式配筋设计，但仍属于剪力墙构件，不在二道防线的调整范围。

图5 构件信息调整信息对比（图左是柱模拟）

2 二道防线介绍

《抗规》6.2.13-1、《高规》8.1.4提出了二道防线的概念：“侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架-抗震墙结构和框架-核心筒结构，任一层框架部分承担的剪力值，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框架-抗震墙结构、框架-核心筒结构计算的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。”

条文说明：“框架-剪力墙结构在水平地震作用下，框架部分计算所得的剪力-般都较小。按多道防线的概念设计要求，墙体是第一道防线，在设防地震、罕遇地震下先于框架破坏，由于塑性内力重分布，框架部分按侧向刚度分配的剪力会比多遇地震下加大，为保证作为第二道防线的框架具有一定的抗侧力能力，需要对框架承担的剪力予以适当的调整。”

图6 高规8.1.4条文

其中《高规》8.1.4-2提到需要调整每根框架柱和与之相连框架梁的剪力及端部弯矩标准值，也就是与地震相关的工况，梁端均需要调整，构件信息中输出的各工况内力中已是调整后的内力标准值，在结果的内力中查看各个地震工况下调整前调整后的内力值，可以清晰的发现柱模拟建模，与柱相连的梁端弯矩乘以调整系数2，剪力乘以调整系数2.2（2*1.1，1.1为地震组合剪力调整系数），如下图：

图7 柱与短墙构件信息对比

图8 超筋梁调整前Y向地震下弯矩对比

图9 超筋梁调整后Y向地震下弯矩对比

图10 超筋梁调整前Y向地震下剪力对比

图11 超筋梁调整后Y向地震下剪力对比

在取消二道防线定义之后重新计算，柱模拟短墙的模型此处梁端不再超限。

由短墙建模和由柱模拟短墙建模，两者差异的来源主要是由于柱与墙的力学模型不同，处理方式也不同，从而导致结构周期、位移、刚度、内力调整等方面产生较大影响，形成整体差异。下面将两个模型进行统一，将柱子模型中模拟的柱截面尺寸更改为300*400，与短墙保持一致；

3 结果对比

3.1结构的周期、位移角、刚度及刚度比等差异

关于周期：以前三周期为对比依据，柱子模拟的模型周期比短墙模型的周期要长；如下图；

图12 周期对比

关于位移角：以X、Y地震和风荷载工况位移角为例，柱子模型的位移角稍大于短墙模型，如图13；

图13 地震工况下位移角对比

关于刚度极刚度比：柱子模型的两个主轴方向的[楼层剪力/层间位移]刚度要小于短墙模型，如图14；

图14 [楼层剪力/层间位移]刚度对比

从以上对比可以看出，短墙建模分析结果展示的结构抗侧刚度要大于相同截面柱模拟建模的结构抗侧刚度。

3.2 内力标准值差异

恒载下轴力柱模拟的构件的数值稍大于短墙的，但短墙周围的墙的轴力要稍大于柱周围墙的轴力，如图15，分析其位移，恒载下柱位移大于短墙的，也由于内力重分布的影响所产生的结果。

图15 恒载下轴力对比

图16 恒载下z向位移对比

X、Y向地震下，构件剪力标准值如图17，柱的地震剪力要小于短墙的，因相同截面柱刚度略小于短墙，所以按刚度分配的地震剪力会有如此结果。

图17 地震工况下调整前X向剪力对比

图18 地震工况下调整前Y向剪力对比

从以上简单对比可以看出，影响构件内力标准值的决定性因素是刚度，柱模拟短墙，其刚度有所减弱。

3.3 内力计算调整差异

无论采用哪种建模方式，程序都会根据构件属性进行相应的调整，分别查看两构件的构件信息，如图19，在调整系数方面，柱构件执行地震组合内力调整，弯矩放大系数1.1，剪力放大系数1.21（柱端弯矩放大1.1×柱端剪力放大1.1，抗规6.2.5），墙构件执行地震组合内力调整，弯矩不执行放大，剪力放大1.2（高规7.2.6）。

图19 不同模拟下的调整系数对比

4 总结与建议

通过上述几项的对比，发现短墙用柱模型时，程序进行结构分析时，相同截面的柱刚度略小于墙刚度，进而影响结构的整体效应，此外不同属性构件，程序会进行不同方向的调整，柱构件按照强柱弱梁调整，墙构件按照强剪弱弯调整。如图22，其配筋计算以及各项验算也不一样，柱构件进行节点核心区验算，墙构件进行稳定验算等。

图20.构件信息计算对比

程序中对于墙构件，采用壳元模拟，会存在网格划分，而对于网格的精度目前是控制在0.3m及以上的尺寸，再小的网格有可能会失真，所以对于小于或者逼近程序限值的短墙构件可以考虑采用柱构件进行配筋计算。

参 考 文 献

[1] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京，中国建筑工业出版社，2010

[2] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3] GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S].北京：中国计划出版社，2012