剪力墙平面外搭梁处暗柱核算的探讨

剪力墙平面外搭梁处暗柱核算的探讨

徐佩

陕西省建筑设计研究院（集团）有限公司，西安 710018

[摘要]剪力墙或框架—剪力墙结构体系中，剪力墙是关键的抗侧力构件、竖向承重构件。在结构设计中，合理布置剪力墙及梁、板结构是至关重要的环节。合理的布置才能使结构受力合理、传力明确、经济合理。越来越追求建筑使用品质的当下，由于建筑使用功能的限制，在设计中梁搭于剪力墙平面外在所难免。然而梁搭墙外的结构复核计算容易被忽视，且规范对此处的核算方法涉及不深、不明确，市面上也没有直接使用的软件。现对该问题进行探讨、核算，以便引导相关设计工作。

[关键词]剪力墙；暗柱；平面外

1. 规范规定

剪力墙平面内刚度及承载力大，而平面外刚度及承载力都很小。当剪力墙与平面外方向的大梁连接时，会使墙肢平面外承受弯矩。当梁截面高大于约2倍墙厚时，刚性连接梁的梁端弯矩将使剪力墙平面外产生较大的弯矩。此时，应采取措施以保证剪力墙平面外安全。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）（后面简称“高规”）第7.1.6条：当剪力墙或核心筒墙肢与其平面外相交的楼面梁刚接时，可沿楼面梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙、扶壁柱或在墙内设置暗柱，并应符合下列规定：

（1）设置沿楼面梁轴线方向与梁相连的剪力墙时，墙的厚度不宜小于梁的截面宽度；

（2）设置扶壁柱时，其截面宽度不应小于梁宽，其截面高度可计入墙厚；

（3）墙内设置暗柱时，暗柱的截面高度可取墙的厚度，暗柱的截面宽度可取梁宽加2倍墙厚；

（4）应通过计算确定暗柱或扶壁柱的纵向钢筋（或型钢），纵向钢筋的总配筋率不宜小于表1的规定。

暗柱、扶壁柱纵向钢筋的构造配筋率 表1

注：采用400MPa、335MPa级钢筋时，表中数值宜分别增加0.05和0.10

此处，《高规》明确了梁刚接于剪力墙平面外的构造要求。再将暗柱、扶壁柱的纵向钢筋构造配筋率要求与《高规》6.4.3条对框架柱的纵向受力钢筋最小配筋率进行比较发现，暗柱、扶壁柱与框架柱的中柱、边柱纵向钢筋配筋率是一致的。

对《高规》提出的构造措施中1、2均对建筑布置有一定的影响；而按其构造措施4则增加施工难度。构造措施3——设置暗柱是一个对建筑影响最小的措施。因此，本文章仅针对该措施进行探讨。

2. 一般处理办法

由于《高规》针对墙平面外搭梁需要处理的前提是梁端刚接，故而在结构设计计算时将梁端约束定义为“铰接”。此时结构计算下的梁端弯矩为“0”，消除了梁端弯矩转动对墙肢的影响，也不需要在梁端设置暗柱等构造措施。但是，这是计算层面的控制。结构实际受力状态还需要加以处理以与计算假定相符，否则将导致实际受力与计算不匹配，进而造成梁端开裂、墙面开裂等现象，甚至引发安全隐患或事故。

参考文献[2]，对梁端节点铰接处理做法：变截面梁——减小梁端截面，降低梁端弯矩转动对墙的影响（如图1所示）。

图1 梁端变截面做法

作者认为，是否应该考虑对梁端墙体加以结构构造措施，重点应该是在于梁与墙的截面刚度相对关系。而不能一味的以梁截面高度草率控制端部计算方式是铰接还是固结。

在梁截面高度较大时，结构设计计算时不能点铰；或者在考虑结构经济性位移角（十分接近规范限值），不对梁端进行铰接定义，以增强结构侧移刚度。此时，由于目前设计软件并没有对此处剪力墙暗柱给出相应的内力分析及配筋计算，设计师们一般都是按照《高规》表7.1.6（本文表1）中暗柱的构造配筋率进行设计处理，而并未根据规范要求进行计算复核。

3. 梁端暗柱复核方法

参考文献[3]，根据A.K.H. Kwant用壳元模拟剪力墙（在墙顶布置有暗梁），从有限元分析结果可以发现在梁墙节点处剪力墙沿墙高方向的竖向条带和沿墙宽度方向的横向条带的应力和平面外的变形都比较大。因此可以将剪力墙简化为一个“等效框架”。这个“等效框架”由暗梁及暗柱组成。经大量分析统计，剪力墙所受平面外弯矩=暗柱弯矩+暗梁扭矩。但暗梁扭矩所占比重小于5%。因此，A.K.H. Kwant认为剪力墙所受的平面外弯矩完全由暗柱承担。

参考文献[4]，将梁端弯矩分配给上下层暗柱进行按压弯构件计算复核。

综上所述，对暗柱按《高规》要求的截面以压弯构件进行受力分析、配筋设计。

4. 软件的干预与验证

目前市面上的结构设计软件，尚不具有对剪力墙平面外搭梁处暗柱分析核算的功能。中国建筑科学研究院有限公司研发的结构设计软件PKPM，其SATWE模块下有“补充验算”功能。其中设有“墙补充验算——梁墙搭接局部设计”。该模块在验算墙外暗柱时，暗柱的内力选取于整体结构内力分析计算。经过与软件研发部相关技术人员沟通，得知暗柱内力计算原则如下：

（1）剪力墙在梁端网格节点处将被梁端处的一个“墙元”（墙网格线两个节点之间算作一个墙元）切分为两个“墙元”；

（2）暗柱跨越两个“墙元”。暗柱内力以其截面高度占墙元长度的比例分配；

（3）暗柱以压弯构件进行截面设计；

（4）暗柱根据《高规》7.1.6的构造要求控制配筋结果。

因此，若不对结构模型进行干预，暗柱的内力将会因暗柱范围外的墙分配而减小，导致暗柱计算配筋较低，甚至在构造配筋以内。为此，根据模块对暗柱的计算原理，依据《高规》7.1.6条——暗柱截面尺寸要求，人为在暗柱边界增设网格节点。即将暗柱边界与梁节点两侧的墙元一致，进而避免暗柱范围墙元内力被分配。

下面，我们以一个简单的结构实例进行比对验算结果。此结构为高层住宅楼顶部屋面。剪力墙厚200mm；屋面板为120mm厚，其屋面做法自重取4.5KN/m²，活荷载为0.5 KN/m²。混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400，结构平面布置图见图2，内力包络图见图3、图4。

图2 结构平面布置图

图3 结构梁弯矩包络图

图4 结构梁剪力包络图

由于该结构为顶层，故梁端内力均由暗柱承担。现以A处暗柱进行核算比对。

对梁端节点A处进行了人工干预，即在梁节点两侧根据暗柱尺寸增设网格节点，而内力相近的C节点未进行干预处理（详见图9）。暗柱平面外配筋结果见表2。

图9 网格干预处理

A、C节点处墙平面外配筋计算结果 表2

可见，A处暗柱控制弯矩为35.2802KN·m，基本符合结构内力平衡。不干预处理的情况下，C处暗柱弯矩由于软件按暗柱截面宽度与墙元长度比例分配，比梁端弯矩小很多，导致暗柱的配筋结果差异很大。A、C两处应该配筋一致的两个暗柱，不同处理办法的配筋结果却相差近一倍。

5. 结论

由上述分析核算结果，可见当剪力墙平面外搭设结构梁后，梁端弯矩对墙平面外承载力影响较大。若梁端未加以构造处理以降低对剪力墙平面外的受弯影响，需注意平面外梁对梁端暗柱配筋进行复核计算。设计师必须加强该问题的认识，并进行核算，以免造成结构安全隐患或引发梁端墙体开裂。

参考文献

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2] 朱丙寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[3] A.K.H. Kwant，Q.L. Tian，Y.K. Cheung. Stochastic response analysis of visco-elastic slit shear walls[J].  STRUCTURAL ENGINEERING AND MECHANICS，1998.

[4] 魏利金.建筑结构施工图设计与审图常遇问题及对策[M].北京：中国电力出版社，2011.

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