某工程结构转换大梁上部剪力墙受力分析徐晓晨

徐晓晨

摘要：本论文从某工程结构设计过程中SATWE计算中出现剪力墙剪压比较大的情况出发，发现剪力的突变是由转换梁变形造成，然后采用ETABS软件，建立整体结构模型进行分析；采用ANSYS软件进行局部精确分析。量化分析了各种软件计算的差异，判定了正确的计算假定。通过对比各模型剪力墙根部剪力，得出一定结论，并进行引申讨论。本论文对工程结构设计中转换梁上部剪力墙设计具有一定参考价值。

关键词：有限元分析；剪力墙；转换梁

一、概述

近期在一个带转换梁结构的设计中，发觉某大跨转换梁上的两片剪力墙剪压比特别大。见图1三维示意图，建筑正立面底层，变形最大的梁及其上的两片剪力墙。转换梁跨度为9800，截面为1100x900（建筑需要控制梁高，故做宽扁梁），剪力墙墙厚200。

经SATWE分析计算，该部位与转换大梁连接的底层（第一层）剪力墙，墙肢控制内力较大且剪压比超限。超限情况如图2所示。各工况下转换大梁上部剪力墙的内力如表1所示。

由表1可见，第一层的这两片X向墙肢在恒载和Y向地震工况下的剪力很大,。左侧墙体恒活工况达到1714，居然大于地震工况剪力552的3倍；另一个奇怪情况是，应位置的第二层、第三层墙肢的恒活内力明显减小，似乎有一个突变。

图1转换结构三维示意图（恒载工况下底部结构变形情况）

一般情况，剪力墙是抗侧构件，在地震作用工况才会产生较大的剪力。查阅了该结构其它几片墙肢，一般地震作用工况的剪力是恒活工况的8~10倍。因此有必要对该大跨部位做深入分析。

二、SATWE计算分析

我们再仔细分析表1可见，两片墙肢恒载与活载工况的符号是不同的，说明剪力反向；而X向地震工况的剪力同号，说明方向相同。

结合图1的变形示意，问题迎刃而解。由于转换梁跨度大，在较大的竖向荷载下产生了显著竖向变形，相对挠度达到3.16mm（恒载工况，弹性扰度）。这一变形使两片剪力墙相对倚靠，第一层剪力墙在洞口两侧明显有拉伸变形，产生了相对的剪力。这完全符合结构力学分析的结果。而第二层剪力墙，相对于第一层的竖向变形较小。这一对剪力就明显减小了。因此，这个“异常”的剪力及上下层剪力的突变都是转换梁变形造成的。这应该是一个“二次效应”。

三、有限元分析模型

前面找到了剪力“异常”产生的原因，那SATWE软件计算得到的这一对剪力的数值是否精确？这个剪力直接决定了剪力墙的厚度，影响了该范围的建筑布置。

根据SATWE软件的说明，梁、墙柱的计算分析考虑了整体变形协调，但是墙柱仅与梁的中和轴变形协调。墙柱实际应该与梁的上表面变形协调，这可能存在计算误差。为此，有必要采用其它软件做一个计算比较。

本次计算采用ETABS和ANSYS软件进行有限元分析。分析的参数由Satwe模型提取，由于这一变形主要影响恒活工况，故仅分析恒载工况下的内力。

采用ETABS软件，建立整体结构模型进行分析。采用杆单元模拟梁、柱，壳单元模拟剪力墙，转换大梁分别采用杆单元和壳单元进行模拟。考虑到转换大梁所在位置为楼梯间，周边与其相连的楼板较少，采用刚性隔板假定可能会过大的估计构件水平向的刚度，因而在杆单元和壳单元模型的基础上，分别采用刚性隔板和准刚性隔板进行对比分析。

采用ANSYS软件进行局部精确分析。取转换大梁及上部两层剪力墙为分析单元，模型如图2所示。转换大梁中的钢筋采用Beam188模拟，混凝土采用Solid65模拟，实常数设置为无筋；钢筋混凝土剪力墙采用Solid65模拟，剪力墙中的钢筋通过在混凝土单元Solid65单元中设置配筋率模拟。为进行对比分析，分别形成不考虑混凝土开裂和考虑混凝土开裂的模型进行计算。

由此，形成分析模型如下：

1）ETABS-杆-刚性模型：整体模型，转换大梁采用杆单元，刚性隔板假定；

2）ETABS-壳-刚性模型：整体模型，转换大梁采用壳单元，刚性隔板假定；

3）ETABS-杆-准刚性模型：整体模型，转换大梁采用杆单元，准刚性隔板假定；

4）ETABS-壳-准刚性模型：整体模型，转换大梁采用壳单元，准刚性隔板假定；

5）Ansys-Nocrack模型：局部结构模型，不考虑转换大梁和剪力墙混凝土的开裂；

6）Ansys-Crack模型：局部结构模型，考虑转换大梁和剪力墙混凝土的开裂。

图2Ansys计算模型示意图

图3混凝土单元开裂情况

图4塑性应变矢量图

图5修改模型三维示意图

四、有限元软件计算分析

1.墙肢内力对比

各模型剪力墙根部剪力对比如表2所示。通过对比可得到以下结论：

1）通过分析得到的各模型中，第一层剪力墙两片墙肢的底部剪力均较大，符号相反，且与相应位置的上层墙肢相比有明显的突变；

2）ETABS刚性隔板模型与Satwe模型（采用刚性隔板假定）结果相当，ETABS-杆-刚性模型分析结果更保守；

3）ETABS准刚性隔板模型中，二层剪力墙剪力显著增加，这是由于考虑构件水平向变形后，两片剪力墙水平向相对变形，而洞口上方的梁阻碍变形的增加，使墙内剪力增大；

4）Ansys模型与Etabs准刚性隔板模型结果相当；

5）Ansys-Crack模型的墙肢剪力更大，这是由于考虑混凝土开裂后，转换大梁的挠度增加，使了剪力墙内部的剪切应变增大。

2.变形及剪应力分布对比

通过对比各模型剪力墙根部剪力，可得到以下结论：

1）各模型剪力分布情况相近，第一层剪力墙端部剪应力最大，二层剪力墙在洞口上端剪力较大；

2）ETABS刚性隔板模型中，剪应力在楼层连接处存在突变而不连续，与实际情况不符。

3.混凝土开裂情况

Ansys-Crack模型分析得到的混凝土开裂情况如图3所示，单元塑性应变矢量图如图4所示。由图可见：

（1）转换大梁近支座部位产生了大梁的斜裂缝，混凝土受剪破坏严重；

（2）转换大梁跨中底部混凝土受拉发生开裂，承担的拉力转而由底部钢筋承担；

（3）第一层剪力墙左侧墙肢与转换大梁间发生开裂。除开裂部位外，剪力墙其他部位均以主压应变为主（黑色矢量代表主拉应变，蓝色矢量代表主压应变）。

五、各软件分析结果小结

通过对比分析，得到以下结论：

1）Satwe模型（采用刚性隔板假定）与ETABS刚性隔板模型得到的剪力墙内力一致；

2）Ansys模型与ETABS准刚性隔板模型得到的剪力墙内力一致；

3）准刚性隔板模型接近实际情况，因此采用Satwe进行分析计算宜采用准刚性隔板假定。

4）各软件计算数值有差异，但差异不是很大，工程设计可以接受。

六、结构设计的引申讨论

以上我们分析讨论了大跨转换梁上一对剪力墙的剪压比“异常”及楼层剪力突变的问题，找到了原因。进而又量化分析了各种软件计算的差异，判定了正确的计算假定。以下我们再分析一下如何相对有效地解决上述问题，以及做一些引申讨论。

1）一般我们遇到剪压比超限，往往采用加厚剪力墙的方式解决。我们仅加厚底层的剪力墙进行了计算比较，结果见表3：（仅考虑恒载工况）：

这个方法对抗震是很有利的，但需要牺牲部分空间高度。增大转换梁刚度最好的方法还是减小转换梁跨度。

3）此外，对于两片剪力墙之间的连梁，受力也有特殊性，其承受了额外的轴压力。

即当转换梁变形时，两片剪力墙有相互靠近的趋势，中间的连梁则抵抗这一趋势，于是产生了轴压力。

我们平时设计一般不关注梁轴力，SATWE计算时，只有该梁两侧均为洞口或板厚均为零时，才体现这一轴力的效应。具体数据见表5（抗震工况）：

根据计算连梁轴压力折算至截面的压应力大约是4~5MPa。对于连梁，剪切破坏是控制工况，所以连梁的额外轴压力是有利荷载，不同模型的连梁配筋也体现了这一点。但是，如果该梁的破坏工况是弯曲破坏，那轴压力可能就是不利荷载，必须考虑。

4）连梁的轴压力大多是有益的，软件忽略对结构是增加了安全度。但是，如果这个轴力是轴拉力哪？软件忽略就可能造成工程隐患。

对此，我们修改了模型，人为模拟了产生轴拉力的状况。见图5。

在大跨转换梁中间加了一个支座，减短了两片剪力墙的长度。这样当转换梁变形后，两片剪力墙有一个分离的趋势，对连梁即产生一个轴拉力。连梁内力值见表6。

此时，连梁轴拉力设计值为186kN，折算至截面的拉应力大约是1.5MPa，大致相当于混凝土轴拉设计值。由SATWE的配筋输出结果可见，考虑轴拉力后，配筋加大了。

一般情况，由于楼板与梁共同作用，结构存在轴力对梁的安全影响不大，我们多能忽略。而在特殊的情况下，这可能是一个结构的危险点所在。我们必须仔细分析，保证结构模型与实际的吻合，不能遗漏或忽略构件的不利内力。