茂名市城建設計院 525000

摘要：本文對高層建筑剪力墻結構設計方法進行了分析，并結合工程案例探討了軟土地基常規(guī)簡化方法的不足以及采用共同分析方法的必要性。

關鍵詞：剪力墻；結構設計；軟土地基；高層建筑

剪力墻結構以其整體性好、側向剛度大、承載力高、抗震性能好等優(yōu)點，在高層建筑結構設計中獲得廣泛應用[1]。但在軟土地基上應用剪力墻結構會遇到一些問題。由于軟土地基承載力較低，建筑物受到荷載作用后容易發(fā)生不均勻沉降，而地基的不均勻沉降會引起上部結構內力重分布，進而使建筑物受到過大的附加內力及附加變形影響，最終可能導致結構破壞，例如著名的比薩斜塔就因為對這種情況考慮不足而成為危塔。通常，軟土地基上的高層建筑主要采用樁筏基礎，由于地基、基礎和上部結構受力狀態(tài)的復雜性，簡化設計方法與實際情況可能存在較大偏差，易造成工程浪費或者偏于不安全[2]。因此，本文對相關內容進行了探討。

1 高層建筑剪力墻結構設計方法

1.1 剪力墻類型與簡化處理

按洞口大小和分布特點，剪力墻分為整體墻、聯(lián)肢墻和不規(guī)則開洞剪力墻三類。整體墻是指墻面洞口率不超過16%，并且孔洞之間的凈距及孔洞至墻邊的凈距均大于孔洞邊長，以致可以忽略洞口影響的剪力墻，這類剪力墻可按整體懸臂墻計算。聯(lián)肢墻是指洞口較大且排列整齊的剪力墻，它們可以簡化為由墻肢和連梁組成的平面桿系，并按結構力學方法進行近似計算。不規(guī)則開洞剪力墻是指洞口較大且排列不規(guī)則的剪力墻，這類剪力墻不能采用簡化方法進行計算，只能借助平面有限元法進行分析[3]。根據(jù)《高層建筑混凝土結構設計規(guī)范》（JGJ 3-2010）第7.1.1規(guī)定，對于剪力墻不規(guī)則洞口應作規(guī)則化處理，使其轉化為聯(lián)肢墻，再在洞口內填充輕質墻體成為錯洞墻。因此，實際應用較多的是整體墻和聯(lián)肢墻，而為了使剪力墻具有一定延性，防止脆性和剪切破壞，又需要開設一定的洞口，這樣剪力墻一般都可以按聯(lián)肢墻進行處理。

1.2 短肢剪力墻的限制

按照墻肢截面高度（）與厚度（）之比，剪力墻可分為一般剪力墻（>8）、短肢剪力墻（8≥>4且≤300mm）、超短肢剪力墻（4≥>3）和柱形截面（≤3）。由于短肢剪力墻利于布置較大的窗洞口，而受到建設單位的歡迎，但是短肢剪力墻可能沿建筑高度方向出現(xiàn)較多樓層墻肢反彎點，受力情況不好，所以JGJ 3-2010第7.1.8條對短肢墻進行了一定限制。但該條款對“短肢剪力墻較多”的概念定性不夠清晰，符合“短肢剪力墻較多”至少有以下幾點[4]：（1）從截面面積上說，短肢剪力墻占全部剪力墻面積的50%以上；（2）從承受荷載面積上看，短肢剪力墻占樓層面積的40%～50%以上；（3）短肢剪力墻布置過于集中，比如說集中在平面的一邊或建筑的周邊。出現(xiàn)“短肢剪力墻較多”較多情況時，房屋適用高度應適當降低，而降低的程度可依據(jù)工程經(jīng)驗確定，缺乏可靠設計經(jīng)驗時應按降低20%考慮。

1.3 連梁設計

連梁是一種特殊的構件，主要承受彎矩和剪力。按照延性剪力墻的要求，連梁應避免剪切破壞，這就對跨高比提出了限制性要求。根據(jù)跨高比（），連梁分為超強連梁（≤1.5）、強連梁（1.5<≤2.5）、連梁（2.5<<5）和弱連梁（≥5）四種。連梁太強時，在側向力作用下容易出現(xiàn)剪切裂縫；連梁很弱時趨向于框架梁。

1.4 剪力墻結構設計原則

當墻肢與連梁組合成剪力墻結構體系時，應遵從“強墻肢弱連梁，強剪弱彎，底部加強，限制墻肢軸壓比”原則?！皬妷χ踹B梁”可以在地震作用下讓連梁先屈服，以釋放地震能量，所以配筋時不應為了保險而多配?！皬娂羧鯊潯币髩χ瓦B梁只能彎曲破壞而不能剪切破壞。對于墻肢，可通過增大底部加強部位截面組合的剪力計算值等方式，實現(xiàn)強剪弱彎；而對于連梁，通過增大與連梁彎矩設計值對應的梁端剪力的方法，實現(xiàn)強剪弱彎?！暗撞考訌姟笔侵笇τ趶澢秃蛷澕粜偷募袅?，墻肢塑性鉸會在底部一定范圍內形成，這個部位需要加強。加強的高度一般從地下室頂板算起，如果結構計算嵌固端位于底板以下應向下延伸至計算嵌固端處。建筑高度不大于24m時，按底部1層考慮；建筑高度大于24m時，按底部2層和墻體總高度的1/10之較大者取值。“限制墻肢軸壓比”是為了保證抗震性能，當墻肢軸壓比超過要求時應在墻肢兩端設置約束條件。另外，對于跨高比小的強連梁應采取措施，使其成為延性構件。

2 軟土地基高層建筑剪力墻結構采用共同作用方法的必要性

2.1簡化設計方法的不足

作為一個系統(tǒng)來說，設計時應將上部結構、基礎、地基作為一個整體來考慮，但由于這樣做的復雜性，所以簡化計算時都將它們人為分割為三個部分，然后各自獨立求解。上部結構視為底部嵌固于基礎上的獨立結構，再利用結構力學原理計算其內力。基礎筏板既承受來自于上部結構的軸力和彎矩，也同時受到來自地基的反力，計算時假定地基反力呈直線分布，利用靜力平衡關系求解筏板內力。最后按總荷載計算基底平均反力，又根據(jù)柔性基礎荷載求出地基變形。這種簡化設計的不足之處在于，計算結果與實際狀態(tài)不符，因為上部結構與基礎連接點的位移，基底與地基之間的變形，被完全忽略了。軟弱地基壓縮性較高，基礎受力之后的不均勻變形較為顯著，對上部結構產(chǎn)生較大的次應力，這就可能導致上部結構破壞。同時，將筏基按剛性處理的結果是偏于安全而不經(jīng)濟。當經(jīng)過工程實踐，發(fā)現(xiàn)筏基實際內力較計算內力小的多時，設計人員又會大幅度降低筏板剛度（如減小板厚），來發(fā)揮筏板材料的承載力，這樣可能導致筏基變形過大，使工程偏于不安全?？梢?，常規(guī)簡化計算方法用于軟土地基剪力墻結構存在較明顯的缺陷。

2.2共同作用分析方法

如上所述，將上部結構、基礎和地基視為完整的系統(tǒng)更為合理，無論理論分析還是現(xiàn)場測試都表明這種分析方法更符合實際工作狀態(tài)，因為在分析各部分受力狀態(tài)時考慮了其他部分剛度的貢獻，使得各部分接觸點既滿足靜力平衡需要，也兼顧了變形協(xié)調，例如分析上部結構時考慮了軟土地基不均勻沉降所引起的基礎變形對上部結構的影響，反之分析基礎結構時也考慮了上部結構和地基剛度的影響。雖然三者共同作用的機理不難理解，但要進行定量分析還是存在不少困難，目前主要通過現(xiàn)場實測、模型試驗、理論分析以及實測結合模型試驗幾種方法實現(xiàn)，但也各有不足，比較起來理論分析中的數(shù)值法可利用現(xiàn)有的計算技術更易于實現(xiàn)，主要是采用有限元法進行分析。

在進行高層建筑-基礎-地基共同作用分析時，地基模型主要有文克勒模型、彈性半空間模型、分層地基模型等，但是這些模型都有一定局限性，無法全面反映地基工作全貌，其實無論連續(xù)模型還是不連續(xù)模型，都無法得出統(tǒng)一、普適的結論，因此通過不同模型的補充和比較是非常有用的，還有地區(qū)經(jīng)驗對模型選擇也有重要價值。筏基與地基共同作用分析只有文克勒地基上的筏板按照剛度統(tǒng)一計算方法得到筏板單元的地基剛度矩陣，而非文克勒地基與筏板共同作用地基模型尚無結果，目前只能采用筏板和地基支撐剛度分別計算的有限元法。上部結構-筏基-地基共同作用則可采用子結構法進行分析。

經(jīng)過多年的理論研究和工程實踐，對高層建筑-基礎-地基共同作用機理形成了以下結論：（1）荷載作用下，高層建筑筏基接近線彈性地基上的剛性基礎。（2）上部結構剛度只在一定程度上參與共同作用，其對基礎平均沉降影響很小，但能有效減小基礎的差異沉降，其對樁頂、基礎內力重分布有影響。（3）地基彈性模量與基礎平均沉降成反比關系。（4）基礎底板應力大小主要與整個建筑結構形成過程有關系，受上部結構與樁筏基礎共同作用影響，也與溫度變化有關。（5）基底反力分布一般為拋物線形。

3 軟土地基高層建筑剪力墻結構共同作用設計方法應用

3.1 工程概況

某高層住宅樓，地上17層，地下1層。地上部分層高3m，地下室層高3.6m。主體結構采用現(xiàn)澆剪力墻結構，地上部分200mm厚，地下部分250mm厚；樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，板厚150mm?；炷翉姸鹊燃?，地下1層和地上1～5層為C40，地上6～10層為C35，地上11～17層為C30?；A采用樁筏基礎，樁為600mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長30m；基礎梁800mm×400 mm，筏板厚500mm。樁端持力層為粉質粘土層。

3.2 建立有限元模型

假定土介質為線彈性水平成層半空間，每一層土均為均勻的彈性層。樁為完全彈性并與土完全接觸。不考慮地震時土的液化效應。結構部分不考慮豎向位移。不單獨考慮鋼筋作用，而是將其簡化為整體模型。不考慮風荷載，主要考慮地震作用。以框架單元模擬梁和樁基，以薄殼單元模擬剪力墻和樓板，以中厚殼單元模擬筏板，以體單元模擬地基土。模型邊界條件選擇彈性阻尼邊界，人工邊界選擇5倍建筑結構的底寬。

3.3 高層建筑-基礎-地基共同作用分析結果

采用PKPM和SAP2000軟件進行分析。結果表明兩種軟件結果是相似的，由于PKPM偏重于實際應用，計算結果偏于保守?？紤]上部結構-基礎-地基共同作用后，上部結構水平位移明顯增大，并且隨著樓層增加，增大幅度越多，上部結構層間剪力減少了4.5%～15.5%，彎矩減少了14%～17.5%，這說明上部結構內力發(fā)生了重分布。按照土的彈性模量變化分析，土越軟，基礎相對撓度越大，因而軟土地基應考慮上部結構-基礎-地基共同作用。

4 結語

剪力墻結構是高層建筑中常用的一種結構體系，但在軟土地區(qū)應用情況比較復雜，由于軟土地基承載力低，通常采用承載力強、適應性廣的樁筏基礎。高層建筑上部結構-基礎-地基是一個有機整體，作為整體考慮非常復雜，所以實際工程設計主要采用簡化方法，但是簡化方法難以真實反映實際工作狀態(tài)，無法準確把握經(jīng)濟性與安全性關系，從這個意義上說將上部結構-基礎-地基作為整體分析是一種趨勢，盡管這種方法目前還有待完善。

參考文獻：

[1] 周建國.高層建筑剪力墻結構設計的要點分析[J].山西建筑，2014.

[2] 丘波.某高層辦公樓上下部共同作用的有限元分析[D].太原：太原理工大學，2007.

[3] 錢稼如，趙作周，葉列平.高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 朱炳寅.高層建筑混凝土結構技術規(guī)程應用與分析JGJ 3-2010 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.