剪力墙端柱(框剪边框柱)设计思考
小智审图2020-08-19

剪力墙是设计师日常设计中经常遇到的结构构件,是结构中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载(重力)的墙体,作用是防止结构剪切(受剪)破坏,又称抗震墙。

在实际设计工作中,常常会遇到因计算要求或构造要求需要在剪力墙端部一定长度加厚墙体形成端部类似框架柱的情况,最常见的是规范中剪力墙结构章节中关于端柱和框架剪力墙章节中关于边框柱的规定。笔者也在最近的设计中遇到审图老师提出关于剪力墙端部设置柱子的配筋问题。那么,剪力墙端柱和边框柱该如何定义,有哪些具体的设计要求呢?笔者从以下几点简单做了梳理。

规范的出处及意图分析

| 剪力墙端柱

《抗规》6.4.5条和《高规》7.2.15条均在剪力墙边缘构件处规定了端柱的设置要求:

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由规范正文可知,端柱属于剪力墙边缘构件的一种,属于墙体的一部分。我们知道,设置边缘构件的目的在于提高剪力墙墙体的延性和塑性变形能力,在相同的轴压力作用下,设置端柱的剪力墙的受压区高度小于一字型剪力墙,因此,设置端柱的主要目的是用来约束墙体并提高墙体的稳定性能。

| 剪力墙边框柱

《抗规》6.5.1条和《高规》8.2.2条处均规定了边框柱的设置要求,以《高规》为例,其规定如下:

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由此可见,剪力墙的边框柱是框架剪力墙结构的专属概念,抗规的条文说明指出,框架剪力墙中的剪力墙是作为结构抗震的第一道防线,因此需要比一般剪力墙有所加强。框剪剪力墙通常有两种布置方式,一种是与框架柱分开,墙的两端没有柱,这与一般意义上的剪力墙没有太大区别;另一种是将剪力墙嵌入框架内,有端柱,有框架梁,形成带边框的剪力墙。

由规范的规定可知:剪力墙的边框柱一般是与框剪结构中的框架柱对应的,在框架轴线上,一般宜设置与框架柱匹配的边框柱,这一是建筑平面布置的需要,一般框架轴线上都会有截面高度较高且宽度大于墙厚的框架梁,在剪力墙端部设置边框柱从而将框架梁搭在框架柱(即边框柱)上显然是合适的;一般情况下,框架轴线上一般具备设置边框的条件;此外,框剪结构中剪力墙的数量较剪力墙结构少,且或是分散,或是集中布置于中部区域,其重要性比剪力墙结构中的墙体高得多,有必要加强其整体性。带边框剪力墙的典型平面示意如下图:

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端柱与边框柱的设计区别

| 二者与框架柱的关系

从规范对于二者的定义及上文分析的二者用途可知,毫无疑问,剪力墙边框柱截面宜与其他框架柱相同,且其配筋应满足框架柱的相关要求,边框的设置要求如下:

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而作为剪力墙边缘构件的端柱或者框剪结构中一般剪力墙端柱,规范对于其截面统一以边缘构件的形式给出:

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由上面右图约束边缘构件的端柱,其截面尺寸是根据墙厚定义的,由此可进一步说明端柱是剪力墙的一部分,其配筋也是满足剪力墙边缘构件配筋,在一般情况下,不需要满足框架柱的截面和配筋要求。

但需要特别注意的是,《抗规》6.4.5小注对于端柱的说明:当端柱承受集中荷载时,其纵向钢筋,箍筋直径和间距应满足柱的相应要求,具体原因详见2.3节关于带端柱墙体计算模型的思考。

| 抗震等级

理清了端柱和边框柱的设置原理,我们不难得出结论,对于端柱,其本身就属于剪力墙的一部分,其抗震等级当然就是剪力墙的抗震等级。但对于边框柱,很多小伙伴(包括我自己)在设计时就有点拿不准了,那么边框柱的抗震等级到底时按照框架柱还是剪力墙取值呢?朱炳寅在《建筑结构设计问答于分析》中指出,剪力墙的端柱(包括边框柱)均为剪力墙的一部分,只不过形状像柱,但不是柱,是墙,它的存在是对于墙体起到约束作用。因此,对于剪力墙边框柱,笔者认为,既要满足框架柱的抗震等级,也要满足剪力墙的抗震等级。然而,对于一般的框架剪力墙结构而言,剪力墙作为第一道防线的抗震等级均高于框架,因此,将边框柱的抗震等级按照剪力墙取值是安全且合理的。

| 关于剪力墙端柱计算模型的思考

当前,我们在结构设计时,当剪力墙设置了端柱时,通常模型输入时是在墙轴线上按照剪力墙输入,在端部节点上按照框架柱输入,计算软件在计算时也是按照墙元和柱元进行分开计算,但这种处理方法显然是不合理的,具体原因在以下几点:

1、端柱均应为剪力墙的一部分,人为的在计算上将端柱与剪力墙分开,显然与实际不符。

2、对于有端柱的剪力墙,当端柱有很大的集中荷载(通常为上部有框架柱向下传力),此时的端柱受力特性与框架柱很接近,这也就解释了2.1节提到的规范小注要求,但依据圣维南原理,集中力并非框架柱自己承受,而是以接近45度的扩散角传到相邻墙体上,由整个墙体共同承担(详见下图),而程序这种柱墙分离的处理方法,人为放大了端柱承受的集中力,从而导致剪力墙的设计结果可能偏于不安全。

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3、对于抗震等级的错误定义。

当模型采用柱、墙分离的方式建模计算时,程序将端柱的抗震等级默认为按框架柱取值,从上文的分析中,我们得知,这对于端柱的计算在某些情况下显然也是偏不安全的。

当柱、墙分离的计算结果出现怪异时,笔者通过查阅规范及其他相关资料,认为可采取以下几种处理方法:

a 采用在端柱和相邻墙体间开洞,实际不开洞,将模型变成端柱+墙+短连梁的形式,可避免怪异的计算结果。

b 按照实际的柱、墙尺寸计算或采用等效截面法将端柱截面等效为剪力墙,必要时应手动复合,具体详见下图:

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小  结

1、剪力墙的端柱和边框柱(边框柱其实是端柱的一种),均应为剪力墙的一部分,其设计计算均应将柱和墙作为整体计算。

2.作为剪力墙边缘构件时,端柱的截面和配筋不要求按照框架柱,仅当端柱承受集中荷载时,才同时满足框架柱的要求;而作为加强框剪结构的边框柱则不同,其截面和配筋均应满足框架柱的要求。

3、端柱的抗震等级均应同墙,尤其注意框剪结构中,墙体的抗震等级一般较高,往往需手动修改边框柱的抗震等级。

4、对于带端柱的剪力墙,当采用柱、墙分离的计算模型时,一定注意设计结果的复核。

以上就是笔者在工作中对于剪力墙端柱设计的一些小思考,有不足处还请多多指正!


参考资料:

[1] 百度百科

[2] 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析.

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文章来源于微信公众号【非解构】 ,作者结构吴彦祖,本文已获转载权

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