一、概述
剪力墙结构近年来大量应用于住宅项目中，得到了大多数人的认可。然而，在设计过程中，由于建筑平、立面洞口设置的需要，往往会使普通的长墙变为短肢，角部用于抗扭的剪力墙被削弱等现象出现。笔者在设计过程中发现，连梁的建模方式恰当与否，竟能够在一定程度上改变结构的整体计算结果。结构在地震作用下，经过适当设计的连梁能够起到耗散地震能量，降低墙体反应的特征，从而改进墙肢的受力特性，延缓墙肢的破坏。
本文通过对比传统的两种建模方式的优势和不足，提出了一种改进型的混合建模方式。此种方式能够有效的改善结构的整体计算结果。
二.两种建模方式的理论差异
通常，使用PKPM进行结构设计，对于连梁的处理方式通常有以下两种：
1．传统的处理方式：
（1）按梁输入：连梁按照框架梁的输入方式，在整体结构计算中，作为空间梁单元参与整体结构计算，最后按照框架梁的方式配筋。
（2）墙开洞方式：在剪力墙上开洞，洞上的墙肢作为剪力墙的一部分，通过连接两端的墙肢形成连梁，这也是连梁的定义。此时，连梁会作为剪力墙的一部分，按照壳元的方式参与整体结构计算，最后按照剪力墙墙梁的方式绘制施工图。
2．建模方式的差异：
（1）输入方法的差异
按梁输入的建模方式中，需要先布置剪力墙，然后在墙肢之间以框架梁的方式布置框架梁，之后在前处理特殊构件中将其定义为连梁。这样做的好处是显而易见的，因为此时连梁作为单独的结构构件，在前处理过程中，可以随时改变其属性（特殊梁，双连梁，铰接梁等）。而按墙开洞方式建立的连梁，先要根据规范要求，布置整片剪力墙，而后根据楼层高度，窗台高度等洞口高度来定义连梁高度和跨度，此时，在洞口上方会形成墙梁。此墙梁作为整片剪力墙的一部分，不能作为独立的受力构件，所以不能修改其属性。
（2）导荷载的差异
按梁输入的建模方式，梁两端为网格节点，故此单独的梁可以作为独立构件施加诸如均布荷载，集中荷载，三角形荷载等单独分布于梁上的荷载。而按墙开洞的建模方式，由于连梁是依附于整片墙的，故梁两端并没有网格节点，此时，墙梁不能作为单独的受力构件承担荷载，而SATWE程序在计算过程中，会将布置在墙上的各种荷载，等效成均布荷载施加于整片墙上（其中也包括连梁）。
（3）属性定义的差异
按梁输入的建模方式，此单独梁构件能够在SATWE前处理，特殊构件补充定义中进行单独的特殊属性的定义。例如可以将其选中，定义为连梁，此时该梁就具有规范中规定的所有的连梁属性，如程序可以按照连梁的内力调整方式，对其进行在地震作用下的刚度折减等操作。而按墙开洞方式建模的墙梁，由于其不能作为单独的受力构件，因此不能对其进行除连梁以外的任何属性上的变化（如梁端定义铰等）。
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（4）有限元处理方式的差异
按梁输入的建模方式，梁是按照空间杆单元参与了结构的整体计算。在处理梁的杆单元和墙的壳单元的连接方式时，程序会通过增加罚单元来近似模拟沿梁高方向的梁、墙的变形协调，但此种处理方式并非能够使其完全协调。所以，变形协调的程度和合理性取决于罚单元的选择。按墙开洞的建模方式中，墙梁作为剪力墙的一部分，和剪力墙一起按照四节点等参壳元进行单元剖分和内力计算，如果梁、墙相交处单元形式相同，则墙梁在梁、墙交接处的变形协调[1]。
（5）数值计算的差异
框架梁内力计算时，程序将构件沿长度方向等分为13个截面，在每个截面上，程序根据内力计算所需的配筋面积和规范规定的最小配筋率选出较大值，作为配筋面积，传给配筋设计程序[1]。而按墙开洞方式得到的墙梁，在计算配筋面积时，程序将墙梁按照框架梁处理，钢筋参数均与框架梁相同。因此，当最小配筋率其控制作用时，按墙开洞方式和按梁输入方式得到的配筋面积是相同的。因为配筋时，程序仅传给配筋设计程序九个截面中配筋面积的最大值。
（6）配筋方式的差异
按梁输入的建模方式，根据配筋程序得到的配筋面积选择主筋钢筋的根数、直径，并需满足规范中对框架梁的各种构造要求。对于梁支座负筋，程序通过比较从跨中到支座上铁配筋面积的较大值进行配筋设计；对于跨中下铁，程序从所有下铁配筋面积中选出最大值进行配筋设计。箍筋的配置依据计算结果，可以选择箍筋的肢数和形式，并满足规范对于框架梁的所有要求。梁的腹板高度大于450mm时，依据规范的相关要求配置腰筋。
按墙开洞方式的配筋程序不区分跨中与支座，程序按照对称配筋的方式对梁支座及跨中进行相同方式的配筋。此时，墙梁各个截面处配筋相同。箍筋的配置是根据计算要求，按照框架梁梁端箍筋加密的要求采用，但不能修改箍筋的肢数和间距。对于腰筋，一般采用剪力墙的水平钢筋作为连梁的腰筋，因此，对墙水平筋的设置决定着连梁腰筋的设计。此外，配筋方式上还有些细微的差异，如腰筋与箍筋（水平筋）的相对位置关系等。
结构整体刚度较大也体现在连梁超筋数量较多，因结构刚度较大会吸收较多的地震力，地震剪力较大会导致连梁的截面剪压比不足。
基于以上建模方式对比发现的不足，本文提出了一种梁-墙混合建模方式，即在按墙开洞模型的基础上，在连梁容易超筋的位置采用按梁输入的建模方式，通过软件内部处理为梁元的计算模式，这样能够部分的减小该构件的刚度，而结构整体的刚度也会因为部分采用梁元的计算模式而部分降低，这种处理方式对于以上的几种计算结果的不满足能够得到很好的解决。
计算结果表明，采用单一的按梁输入或按墙开洞的建模方式，连梁超筋适量在15个以上，占到本层连梁数量的20%；采用混合建模后，连梁超筋的数量下降为5个以内，仅占本层连梁数量的5%左右，通过采用双连梁或《全国技措》中的配筋方式，便能得到很好的处理。
以上的分析表明，混合建模方式，能够调整结构的整体刚度，进而能够影响结构的周期，位移比等规范控制的参数，是一种值得推广的建模方法。而且，该方法特别适用于原有计算结果略超规范要求的情况下。通过采用此种办法，可以消除结构的超限数量，能够得到审图单位的认可。
参考文献：
[1]中国建筑科学研究院pkpm cad工程部.多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）SATWE2010版用户手册及技术条件[M].北京：中国建筑科学研究院pkpm cad工程部，2010
[2]高层建筑混凝土结构技术规程（JG3-2010）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010
作者简介：张跃华（1985-05），男，汉族，籍贯：山西忻州，当前职称：工程师，学历：硕士
论文作者:张跃华1,李慧杰2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/16
标签：方式论文; 建模论文; 开洞论文; 荷载论文; 结构论文; 构件论文; 程序论文; 《基层建设》2018年第3期论文;