陈武江
茂名市城建设计院525000
摘要：本文对高层建筑剪力墙结构设计方法进行了分析，并结合工程案例探讨了软土地基常规简化方法的不足以及采用共同分析方法的必要性。
关键词：剪力墙；结构设计；软土地基；高层建筑
剪力墙结构以其整体性好、侧向刚度大、承载力高、抗震性能好等优点，在高层建筑结构设计中获得广泛应用[1]。但在软土地基上应用剪力墙结构会遇到一些问题。由于软土地基承载力较低，建筑物受到荷载作用后容易发生不均匀沉降，而地基的不均匀沉降会引起上部结构内力重分布，进而使建筑物受到过大的附加内力及附加变形影响，最终可能导致结构破坏，例如著名的比萨斜塔就因为对这种情况考虑不足而成为危塔。通常，软土地基上的高层建筑主要采用桩筏基础，由于地基、基础和上部结构受力状态的复杂性，简化设计方法与实际情况可能存在较大偏差，易造成工程浪费或者偏于不安全[2]。因此，本文对相关内容进行了探讨。
1高层建筑剪力墙结构设计方法
1.1剪力墙类型与简化处理
按洞口大小和分布特点，剪力墙分为整体墙、联肢墙和不规则开洞剪力墙三类。整体墙是指墙面洞口率不超过16%，并且孔洞之间的净距及孔洞至墙边的净距均大于孔洞边长，以致可以忽略洞口影响的剪力墙，这类剪力墙可按整体悬臂墙计算。联肢墙是指洞口较大且排列整齐的剪力墙，它们可以简化为由墙肢和连梁组成的平面杆系，并按结构力学方法进行近似计算。不规则开洞剪力墙是指洞口较大且排列不规则的剪力墙，这类剪力墙不能采用简化方法进行计算，只能借助平面有限元法进行分析[3]。根据《高层建筑混凝土结构设计规范》（JGJ3-2010）第7.1.1规定，对于剪力墙不规则洞口应作规则化处理，使其转化为联肢墙，再在洞口内填充轻质墙体成为错洞墙。因此，实际应用较多的是整体墙和联肢墙，而为了使剪力墙具有一定延性，防止脆性和剪切破坏，又需要开设一定的洞口，这样剪力墙一般都可以按联肢墙进行处理。
1.2短肢剪力墙的限制
按照墙肢截面高度（）与厚度（）之比，剪力墙可分为一般剪力墙（>8）、短肢剪力墙（8≥>4且≤300mm）、超短肢剪力墙（4≥>3）和柱形截面（≤3）。由于短肢剪力墙利于布置较大的窗洞口，而受到建设单位的欢迎，但是短肢剪力墙可能沿建筑高度方向出现较多楼层墙肢反弯点，受力情况不好，所以JGJ3-2010第7.1.8条对短肢墙进行了一定限制。但该条款对“短肢剪力墙较多”的概念定性不够清晰，符合“短肢剪力墙较多”至少有以下几点[4]：（1）从截面面积上说，短肢剪力墙占全部剪力墙面积的50%以上；（2）从承受荷载面积上看，短肢剪力墙占楼层面积的40%～50%以上；（3）短肢剪力墙布置过于集中，比如说集中在平面的一边或建筑的周边。出现“短肢剪力墙较多”较多情况时，房屋适用高度应适当降低，而降低的程度可依据工程经验确定，缺乏可靠设计经验时应按降低20%考虑。
1.3连梁设计
连梁是一种特殊的构件，主要承受弯矩和剪力。按照延性剪力墙的要求，连梁应避免剪切破坏，这就对跨高比提出了限制性要求。根据跨高比（），连梁分为超强连梁（≤1.5）、强连梁（1.5<≤2.5）、连梁（2.5<<5）和弱连梁（≥5）四种。连梁太强时，在侧向力作用下容易出现剪切裂缝；连梁很弱时趋向于框架梁。
1.4剪力墙结构设计原则
当墙肢与连梁组合成剪力墙结构体系时，应遵从“强墙肢弱连梁，强剪弱弯，底部加强，限制墙肢轴压比”原则。“强墙肢弱连梁”可以在地震作用下让连梁先屈服，以释放地震能量，所以配筋时不应为了保险而多配。“强剪弱弯”要求墙肢和连梁只能弯曲破坏而不能剪切破坏。对于墙肢，可通过增大底部加强部位截面组合的剪力计算值等方式，实现强剪弱弯；而对于连梁，通过增大与连梁弯矩设计值对应的梁端剪力的方法，实现强剪弱弯。“底部加强”是指对于弯曲型和弯剪型的剪力墙，墙肢塑性铰会在底部一定范围内形成，这个部位需要加强。加强的高度一般从地下室顶板算起，如果结构计算嵌固端位于底板以下应向下延伸至计算嵌固端处。建筑高度不大于24m时，按底部1层考虑；建筑高度大于24m时，按底部2层和墙体总高度的1/10之较大者取值。“限制墙肢轴压比”是为了保证抗震性能，当墙肢轴压比超过要求时应在墙肢两端设置约束条件。另外，对于跨高比小的强连梁应采取措施，使其成为延性构件。
2软土地基高层建筑剪力墙结构采用共同作用方法的必要性
2.1简化设计方法的不足
作为一个系统来说，设计时应将上部结构、基础、地基作为一个整体来考虑，但由于这样做的复杂性，所以简化计算时都将它们人为分割为三个部分，然后各自独立求解。上部结构视为底部嵌固于基础上的独立结构，再利用结构力学原理计算其内力。基础筏板既承受来自于上部结构的轴力和弯矩，也同时受到来自地基的反力，计算时假定地基反力呈直线分布，利用静力平衡关系求解筏板内力。最后按总荷载计算基底平均反力，又根据柔性基础荷载求出地基变形。这种简化设计的不足之处在于，计算结果与实际状态不符，因为上部结构与基础连接点的位移，基底与地基之间的变形，被完全忽略了。软弱地基压缩性较高，基础受力之后的不均匀变形较为显著，对上部结构产生较大的次应力，这就可能导致上部结构破坏。同时，将筏基按刚性处理的结果是偏于安全而不经济。当经过工程实践，发现筏基实际内力较计算内力小的多时，设计人员又会大幅度降低筏板刚度（如减小板厚），来发挥筏板材料的承载力，这样可能导致筏基变形过大，使工程偏于不安全。可见，常规简化计算方法用于软土地基剪力墙结构存在较明显的缺陷。
2.2共同作用分析方法
如上所述，将上部结构、基础和地基视为完整的系统更为合理，无论理论分析还是现场测试都表明这种分析方法更符合实际工作状态，因为在分析各部分受力状态时考虑了其他部分刚度的贡献，使得各部分接触点既满足静力平衡需要，也兼顾了变形协调，例如分析上部结构时考虑了软土地基不均匀沉降所引起的基础变形对上部结构的影响，反之分析基础结构时也考虑了上部结构和地基刚度的影响。虽然三者共同作用的机理不难理解，但要进行定量分析还是存在不少困难，目前主要通过现场实测、模型试验、理论分析以及实测结合模型试验几种方法实现，但也各有不足，比较起来理论分析中的数值法可利用现有的计算技术更易于实现，主要是采用有限元法进行分析。
在进行高层建筑-基础-地基共同作用分析时，地基模型主要有文克勒模型、弹性半空间模型、分层地基模型等，但是这些模型都有一定局限性，无法全面反映地基工作全貌，其实无论连续模型还是不连续模型，都无法得出统一、普适的结论，因此通过不同模型的补充和比较是非常有用的，还有地区经验对模型选择也有重要价值。筏基与地基共同作用分析只有文克勒地基上的筏板按照刚度统一计算方法得到筏板单元的地基刚度矩阵，而非文克勒地基与筏板共同作用地基模型尚无结果，目前只能采用筏板和地基支撑刚度分别计算的有限元法。上部结构-筏基-地基共同作用则可采用子结构法进行分析。
经过多年的理论研究和工程实践，对高层建筑-基础-地基共同作用机理形成了以下结论：（1）荷载作用下，高层建筑筏基接近线弹性地基上的刚性基础。（2）上部结构刚度只在一定程度上参与共同作用，其对基础平均沉降影响很小，但能有效减小基础的差异沉降，其对桩顶、基础内力重分布有影响。（3）地基弹性模量与基础平均沉降成反比关系。（4）基础底板应力大小主要与整个建筑结构形成过程有关系，受上部结构与桩筏基础共同作用影响，也与温度变化有关。（5）基底反力分布一般为抛物线形。
3软土地基高层建筑剪力墙结构共同作用设计方法应用
3.1工程概况
某高层住宅楼，地上17层，地下1层。地上部分层高3m，地下室层高3.6m。主体结构采用现浇剪力墙结构，地上部分200mm厚，地下部分250mm厚；楼板采用现浇钢筋混凝土板，板厚150mm。混凝土强度等级，地下1层和地上1～5层为C40，地上6～10层为C35，地上11～17层为C30。基础采用桩筏基础，桩为600mm钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长30m；基础梁800mm×400mm，筏板厚500mm。桩端持力层为粉质粘土层。
3.2建立有限元模型
假定土介质为线弹性水平成层半空间，每一层土均为均匀的弹性层。
桩为完全弹性并与土完全接触。不考虑地震时土的液化效应。结构部分不考虑竖向位移。不单独考虑钢筋作用，而是将其简化为整体模型。不考虑风荷载，主要考虑地震作用。以框架单元模拟梁和桩基，以薄壳单元模拟剪力墙和楼板，以中厚壳单元模拟筏板，以体单元模拟地基土。模型边界条件选择弹性阻尼边界，人工边界选择5倍建筑结构的底宽。
3.3高层建筑-基础-地基共同作用分析结果
采用PKPM和SAP2000软件进行分析。结果表明两种软件结果是相似的，由于PKPM偏重于实际应用，计算结果偏于保守。考虑上部结构-基础-地基共同作用后，上部结构水平位移明显增大，并且随着楼层增加，增大幅度越多，上部结构层间剪力减少了4.5%～15.5%，弯矩减少了14%～17.5%，这说明上部结构内力发生了重分布。按照土的弹性模量变化分析，土越软，基础相对挠度越大，因而软土地基应考虑上部结构-基础-地基共同作用。
4结语
剪力墙结构是高层建筑中常用的一种结构体系，但在软土地区应用情况比较复杂，由于软土地基承载力低，通常采用承载力强、适应性广的桩筏基础。高层建筑上部结构-基础-地基是一个有机整体，作为整体考虑非常复杂，所以实际工程设计主要采用简化方法，但是简化方法难以真实反映实际工作状态，无法准确把握经济性与安全性关系，从这个意义上说将上部结构-基础-地基作为整体分析是一种趋势，尽管这种方法目前还有待完善。
参考文献：
[1]周建国.高层建筑剪力墙结构设计的要点分析[J].山西建筑，2014.
[2]丘波.某高层办公楼上下部共同作用的有限元分析[D].太原：太原理工大学，2007.
[3]钱稼如，赵作周，叶列平.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[4]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ3-2010[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.