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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-09-08浏览：29次
摘要：本文就高层建筑结构设计中端部暗柱对剪力墙整体刚度的影响问题加以探讨,并建立了有限元计算模型，对剪力墙进行全程受力分析。针对四结点矩形单元，用MATLAB语言编写了剪力墙有限元分析程序。分析计算了风载作用下的剪力墙侧移和端部暗柱刚度不同的情况下剪力墙侧移，得到了剪力墙刚度对端部暗柱刚度变化的反应机理。本文分别应用该程序与简化计算法及通用有限元软件ANSYS对某十层高层建筑剪力墙结构体系进行有限元建模对比研究，分析结果吻合，结论得到相互印证。
关键词：高层建筑，剪力墙，暗柱，有限单元法
绪论
高层建筑结构要同时承受垂直荷载和水平荷载，还要抵抗地震作用。高层建筑设计不仅需要考虑较大的承载能力，而且还要有较大的刚度。所以高层建筑结构设计中，抗侧力结构的设计成为关键，即保证建筑物的侧向位移变形在允许的范围内。剪力墙是高层建筑结构中常用基本的抗侧力单元类型。本文主要针对端部暗柱对剪力墙整体刚度的影响问题加以探讨
本文通过某一工程实例，经过简单计算，设计计算程序，建立有限元分析计算模型，分别对端部暗柱对剪力墙的整体刚度的影响进行了研究，并将结果进行对比研究，得出结论。
1高层建筑剪力墙的简化计算
由于本文研究的问题是端部暗柱对剪力墙刚度的影响，剪力墙的开洞大小不是研究的主要内容，所以在这一节仅介绍最简单的剪力墙——整体墙的简化计算方法，以利于更好的分析暗柱的作用。
1.1整体墙的计算
计算整体墙位移时，可按整体悬臂墙的计算公式进行，但要考虑洞口截面面积及刚度的削弱，按以下公式取值。
等效截面面积取无洞截面的横截面面积乘以洞口削弱系数
（2-1）
式中：为剪力墙截面的毛面积；为剪力墙洞口总立面面积；为剪力墙立面总墙面面积。
等效惯性矩取有洞与无洞截面惯性矩沿竖向的加权平均值
（2-2）
式中：为剪力墙沿竖向各段的惯性矩，有洞口是扣除洞口的影响；为各段相应的高度。
此外，计算位移时。由于截面比较宽，宜考虑剪切变形的影响。在三种常见的荷载作用下，考虑弯曲和剪切变形后的顶点位移公式为
（2-3）
为剪切弹性模量；为剪应力不均匀系数，矩形截面=1.2。
1.2工程实例
某10层双肢剪力墙，墙肢和连梁尺寸如图2-2所示。
混凝土强度等级为C20，承受图示倒三角形荷载，
窗户高1200mm，窗户间间距为1600mm用上述简化算法计算此整体墙的侧移。
解：顶点位移计算
图2-1工程实例简图
2高层建筑剪力墙——端部暗柱MATLAB分析
2.1计算模型的建立
编写程序，对1.2节某十层高层建筑结构体系建模如下：
（1）问题定义：本文研究的结构类型为弹性力学平面应力问题，分析类型为静力分析，分析内容为整体墙在倒三角风荷载作用下的侧移及端部暗柱对剪力墙刚度的影响。
（2）几何模型建立：根据1.2节工程实例，对楼层的墙体，窗洞，荷载（风荷载为倒三角形式）等简化处理。
（3）单元选择：计算单元类型采用平面二次矩形单元，材料为C20混凝土，弹性模量E=2.55×104N/m2，泊松比=0.1667
（4）网格划分：网格划分是建立有限元模型的中心工作，给出结构x方向与y方向的单元数，本程序具有自动划分网格的功能。对窗洞部分程序进行挖去处理，不计入总刚度矩阵。
（5）按照结构设计规范，暗柱的截面面积宽度宜取在1.5b～2b范围内（b为墙的厚度），本文算例取一个单元的宽度300mm为暗柱的宽度。
（6）边界条件的处理：通过分网生成的网格组合体定义了结点和单元数据，它并不是完整的有限元模型，因此还不能直接用于计算。在编制程序中对此问题进行了处理，结构的结点与单元编码顺序都为从左到右，从上到下，基础约束在解方程中采用划行划列法处理。
图2-1MATLAB网格划分
2.2MATLAB计算结果及分析
应用有限元编制程序对1.2节工程实例进行位移计算：
网格划分x方向为24个单元，y方向为70个单元。楼层高28000mm，宽7200mm,C20混凝土的弹性模量E=2.55104N/mm2,泊松比=0.1667,将倒三角荷载等效为各楼层结点荷载。墙体两侧都加一暗柱，每个暗柱的宽度为300mm。
取最左侧顶端的横向位移值列表如下：
表2-1顶点位移
暗柱刚度比E1：E 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
顶点位移 4.2191 3.4702 2.9610 2.5918 2.3116
由上表可以看出暗柱对墙的整体刚度影响很大。
另写一个函数循环调用上述程序，用以计算暗柱与墙体刚度比不同时墙顶点的位移，刚度比和位移比如图2-2所示：
图2-2暗柱刚度变化于墙整体刚度关系图
3ANSYS计算结果及分析
为了更好的分析暗桩对墙体的影响，应用有限元软件ANSYS，通过建模分析，得出了暗柱刚度不同时剪力墙的Y方向上的应力值。如图所示：
图3-1E1=1.0E墙的横向应力云图 图3-2E1=2.0E墙的横向应力云图
图3-3E1=3.0E墙的横向应力云图
把以上图中的最大应力绘制成表：
表3-1底层应力最大值表
暗柱刚度比
E1：E 1.0 2.0 3.0
底层应力最大值（103Pa） 285.823 531.014 664.396
由上表可以看出，随着暗柱刚度的增大，底层的应力集中越来越严重。
4结论
根据上述分析与计算，可以得到下列结论：
（1）本文对高层建筑剪力墙结构侧移利用有限单元法进行了计算，并可计算加端部暗柱的剪力墙的侧移。通过与ANSYS计算结果进行对照分析，有限元计算结果与ANSYS计算结果吻合很好，在可接受的范围之内，说明本文的计算结果可靠，可以满足实际工程的需求。
（2）暗柱可增强剪力墙抗侧移能力，但不能过分增加其刚度，在暗柱于墙体刚度比达到2.8时，墙整体刚度的增长略微变缓。
（3）暗柱可增强剪力墙抗侧移能力，但它会造成了底层暗柱的应力激增，容易引起墙体破坏。
参考文献
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《高层建筑剪力墙力学性能的研究》
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