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1、转换层上层剪力墙剪力超限引言 近几十年来，带转换层的高层建筑结构由于底部空间大，布置灵活方便，在国内得到了广泛的应用1。涌现出来带转换层的高层建筑形式多样，包括梁式转换、厚板转换、箱型转换、桁架转换、斜柱转换等多种形式，其中梁式转换层结构由于受力明确直接、结构转换层还能提供一定的建筑、设备利用空间，且抗震性能较其他形式的转换层更具优势，使其成为目前应用最广泛的转换结构，而梁式转换层上部通常为剪力墙体系2。 许多设计师在处理转换层结构时，常常碰到转换层上部剪力墙在竖向荷载作用下剪力偏大(抗剪承载力不满足要求)的情况，有设计师认为这是属于计算软件分析结果的失真，由于墙网格和转换梁的协调变形使得内力
2、存在不合理的突变现象，在实际工程中由于结构能够自我调节使这种突变力得以分散，在设计中碰到剪力超限可以酌情予以忽略，按照规范最大限值配筋即可。 本文就某实例工程在竖向荷载作用下剪力超限的墙肢为研究对象，采用ABAUQS、YJK、ETABS等有限元软件进行计算，并取出转换层及其上部四层，在ABAUQS建立全实体模型分析对比，探索单元类型是否是引起剪力突变的原因，并提供一种经济准确的计算模型，为设计人员提供参考。 1 工程概况 某工程为一栋两层地下室，上部33层，建筑高度106.9m的住宅楼。转换层位于地上二层，转换层及转换层以下一层为大开间的服务大厅。通过梁式转换，上部转换为剪力墙体系的一梯四户的
3、住宅。其中电梯及楼梯间剪力墙全部落地，形成核心筒（图1）。 该工程位于7度（0.1g）区，场地类别为类，设计地震分组为第一组，修正后的基本风压为0.4kN/m2，地面粗糙度为B类。 2 计算结果 通过YJK软件计算发现转换层上一层(第3自然层)，7号轴线上的剪力墙(墙肢1)剪力超限，输出提示信息如下： *(组合号:30) 截面不满足抗剪要求 V/b/h0=6.781/re*0.15*c*fc=4.08 砼规范11.7.3 在第30号组合中，剪力主要由恒载作用贡献，其值为1151.3kN远大于水平地震作用下的剪力306.6kN。而转换层以上第二层(第6自然层)该墙肢，在竖向恒载作用下的剪力骤然变
4、小，为88.4kN。同时，通过查看转换层以上几层其他墙肢竖向荷载（恒载、活载）作用下产生的剪力，均有突变现象。一般转换梁上第一层的剪力比上两层剪力大712倍，而且竖向荷载作用下的剪力有如下规律： (1)剪力墙落地时，不会有突变现象，上部剪力均比较均衡。 (2)当剪力墙位于转换梁跨中时，剪力突变现象不明显，完全位于转换梁跨中时没有突变现象，上部各层剪力墙剪力均衡。 (3)当剪力墙一端放置在硬支座(墙柱上)，另一端放置在软支座(转换梁上)时突变最较为明显。而且随着软支座越软(离跨中越近)表现得越显著。 (4)通过增加转换梁高度，提高抗弯刚度对减缓剪力突变只能在一定程度上缓解，作用效果非常有限。 将
5、模型导入ETABS、MIDAS中，三套软件对转换梁处理均采用壳单元，转换柱采用杆元。分析计算后，分别对比该墙肢的上下四层竖向荷载作用下产生的剪力如图2所示。对比计算结果，计算结果都吻合很好，转换梁上一层的剪力墙在恒载下产生的剪力均出现突变现象，且较上二层出现一个数量级上的增幅。 3单元影响分析 为研究竖向荷载作用下产生墙剪力偏大的是否是由于杆、壳单元不能很好地模拟实际三维情况，采用大型通用有限元软件ABAQUS建立不同单元类型模型进行分析。其中实体单元采用C3D20R，这样能有效的防止剪力自锁现象，避免模型在弯曲时过于刚硬，二次减缩积分的选取也能减少网格密度对结果的影响3。壳单元采用较为强健的
6、四边形减缩积分单元S4R4，梁单元采用考虑剪切变形的Timoshenko梁B32。为兼顾还原空间约束、减少多种因素间的相互干扰，分单片墙分析和整体空间分析，在整体空间分析中还采用建筑结构专用有限元软件YJK建模，能方便地建模、调整网格尺寸、转变计算简图，同时也对比YJK、ETABS与ABAQUS结果，验证其计算精度上是否满足要求。 1.1空间整体分析 选取某工程案例中转换层及转换层以上4层部分房间在ABAQUS中分别建立实体模型(a)、壳元墙和杆元梁柱模型(b)、壳元墙和实体转换层模型(c)。每片剪力墙上施加1200kN/m的均布荷载，对于实体单元在截面施加等效压强，每层楼板施加10kN/m2
7、的均布荷载，所有单元网格都采用0.1m的网格密度。三类模型应力云图如图3所示，图中可以看出三者的应力分布均比较接近，应力集中点均出现在墙与转换梁、连梁与墙肢的搭接处，由此可知单元类型对整体上的应力分布影响不大，但从最大应力上来看，杆单元模拟转换梁柱的模型最大应力值达到8.168109Pa，远大于实体模型2.762107Pa，说明杆壳之间的协调存在较大的应力集中。 在模型中取出中间跨和左跨上剪力较大的墙输出其面内剪力，并读取YJK、ETABS模型相应墙肢剪力如表1所示。 从图表中可以看出不同类型的单元在ABAQUS中均能得出比较接近的结果，且都存在剪力突变的情况。而在YJK和ETABS中的壳元(
8、转换梁)+杆元(框支柱)模型计算的墙肢剪力也和ABAQUS十分符合，说明采用壳元+杆元模型就能很好地模拟实体单元。 1.2单片墙分析 单片墙分析能最大程度上地排除其他因素的影响，通过采用不同的单元形式来模拟转换梁、柱及连梁来研究不同单元类型对竖向荷载作用下剪力突变是否有影响。也能查看各种单元之间存在的协调关系是否是造成这种剪力突变的原因。转换梁、柱分别采用实体单元、壳单元、杆单元，墙肢采用实体单元、壳单元，连梁采用实体单元、壳单元、杆单元，具体组合及模型编号见表2。有限元模型选取上述工程中剪力超限墙肢(墙肢1)，具体尺寸如图5所示，其中连梁上施加6kN/m的均布荷载，顶层墙上施加2000kN/
9、m的均布荷载，模拟上部楼层传递的竖向荷载。 选取每层右侧墙肢距楼层线0.5m处为路径，输出其Mise应力随路径实际距离变化如图6所示，其中全实体模型 (M1)与全壳单元模型(M2)有很好的吻合度，在转换梁上层的剪力墙处均存在比较大的应力变化，且越靠近支座处应力值越大。当在转换梁上第二层处时，墙肢的应力开始趋于平缓。三、四层时，基本成水平线且值非常接近。这说明无论是实体单元还是壳单元，在转换层上层处的墙肢都存在应力突变的情况，而上2层后，这种突变消失。这说明就计算模型单元选取而言，均存在应力突变的情况。 对比转换梁和墙肢采用不同类型单元时应力突变程度，将距转换梁上表面0.5m处的墙肢应力输出如图
10、7。从图中可以看出M1、M2和M3应力曲线最为平缓且非常接近， M3和M5应力曲线斜率较大，在墙肢外边缘出现比较大的应力集中现象，其中M1和M2均是同种单元类型，M3、M5存在两种类型单元的协调。说明对于不同类型的单元存在接触关系的处理问题，简单的共节点只能让接触的节点相互协调，而未接触的节点不会变形协调。为消除这种误差，在ABAQUS中对杆单元的柱与壳单元转换梁接触处采用点对面的Coupling，壳单元墙体与实体梁采用面对面的Tie。从M3_Tie和M5_Coupling曲线中可以看出，接触面经过处理后的Mise应力曲线有了明显的缓和，且和实体模型的曲线非常接近。 通过自由体切割输出各层墙肢
11、面内剪力如图8所示，从图中可以看出M1、M3-Tie、M4-C&T(实体梁和壳元用Tie，实体梁和杆元用Coupling)、M5-Couling模型各层剪力均比较接近，其中在转换梁上一层的面内剪力值相差不超过6%。全壳元模型(M2)在2层以上时和实体较近，但在转换梁上层处剪力会有一定的偏小，达到了18.8%，主要是由于在墙和梁接触处面处，截面变化不是像实际情况的跳跃扩截面，而是有一定角度斜扩，等同于在墙脚处有一定范围的加肋。这种加肋在一定程度上增加了墙的刚度，同时也增大了墙梁的相互作用，从而使得剪力有所减少。M7与M2对比是在M7中将连梁设置为铰接，这样在1层处剪力也有比较明显的减少，因为在单
12、片墙模型中水平方向的荷载平衡是通过连梁维持，铰接将会减少墙肢的约束，也就会使得剪力变小。M6和M6-刚度放大100倍是全部采用杆单元来模拟转换梁和柱，M6在1层时和实体结果接近但在2、3层值会偏大。转换梁刚度放大100倍是国内部分设计软件建议值，刚度增大后1层墙肢剪力会有大幅度的减少。 4结论 通过从某实例工程中转换梁上部剪力墙抗剪超限引发对转换梁上部剪力墙研究，探讨这种竖向荷载下的剪力突变是否由计算单元以及软件计算精度引起。分析总结该实例特点，采用不同单元类型从整体和墙面内两方面进行有限元分析得出如下结论： 1.在转换梁上设置剪力墙时，如果避免墙肢两端落在不同性质支座上，保持墙肢的水平对称和
13、竖向连贯，可以减少这种剪力影响。 2.转换梁上一层剪力墙在竖向荷载作用下剪力突变不是由单元类型（实体、壳、杆）选取引起，采用实体、壳、杆来模拟转换梁柱均存在这种剪力突变。 3.用实体单元、壳单元、杆单元模拟转换梁柱，上部剪力墙剪力基本吻合，误差不会超过5%，多款有限元软件分析结果符合很好。 4.就分析转换梁上层剪力墙而言，杆单元(转换梁)+杆单元(柱)模型能符合工程需要，但研究转换梁本身时还需商榷。实体模型能最真实地反映实际情况，但计算成本太高。壳单元(转换梁)+杆单元(柱)模型是最经济的选用模式，能很好地还原与其接触构件的边界条件，也能精准地分析梁本身的受力性能。 5.对转换梁刚度增大100倍的处理会使上部剪力墙在竖向荷载作用下的剪力偏少，这样会使得结果偏于不安全。参考： 1 傅学怡实用高层建筑结构设计中国建筑工业出版社 2010年8月 2 刘建伟框支剪力墙结构合理破坏机制及控制措施研究重庆大学博士学位论文 2011.5 3 庄茁，由小川，廖剑晖等. 基于ABAQUS的有限元分析和应用清华大学出版社北京 2009.1 4 Abaqus Analysis Users Manual
