軟土地基高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

茂名市城建設(shè)計(jì)院 525000

摘要：本文對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程案例探討了軟土地基常規(guī)簡(jiǎn)化方法的不足以及采用共同分析方法的必要性。

關(guān)鍵詞：剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；軟土地基；高層建筑

剪力墻結(jié)構(gòu)以其整體性好、側(cè)向剛度大、承載力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中獲得廣泛應(yīng)用[1]。但在軟土地基上應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)遇到一些問(wèn)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(huì)引起上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，進(jìn)而使建筑物受到過(guò)大的附加內(nèi)力及附加變形影響，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，例如著名的比薩斜塔就因?yàn)閷?duì)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(chǔ)，由于地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法與實(shí)際情況可能存在較大偏差，易造成工程浪費(fèi)或者偏于不安全[2]。因此，本文對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了探討。

1 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.1 剪力墻類(lèi)型與簡(jiǎn)化處理

按洞口大小和分布特點(diǎn)，剪力墻分為整體墻、聯(lián)肢墻和不規(guī)則開(kāi)洞剪力墻三類(lèi)。整體墻是指墻面洞口率不超過(guò)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(zhǎng)，以致可以忽略洞口影響的剪力墻，這類(lèi)剪力墻可按整體懸臂墻計(jì)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(jiǎn)化為由墻肢和連梁組成的平面桿系，并按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行近似計(jì)算。不規(guī)則開(kāi)洞剪力墻是指洞口較大且排列不規(guī)則的剪力墻，這類(lèi)剪力墻不能采用簡(jiǎn)化方法進(jìn)行計(jì)算，只能借助平面有限元法進(jìn)行分析[3]。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 3-2010）第7.1.1規(guī)定，對(duì)于剪力墻不規(guī)則洞口應(yīng)作規(guī)則化處理，使其轉(zhuǎn)化為聯(lián)肢墻，再在洞口內(nèi)填充輕質(zhì)墻體成為錯(cuò)洞墻。因此，實(shí)際應(yīng)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(kāi)設(shè)一定的洞口，這樣剪力墻一般都可以按聯(lián)肢墻進(jìn)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(shè)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(diǎn)，受力情況不好，所以JGJ 3-2010第7.1.8條對(duì)短肢墻進(jìn)行了一定限制。但該條款對(duì)“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(diǎn)[4]：（1）從截面面積上說(shuō)，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(guò)于集中，比如說(shuō)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(shí)，房屋適用高度應(yīng)適當(dāng)降低，而降低的程度可依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，缺乏可靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)時(shí)應(yīng)按降低20%考慮。

1.3 連梁設(shè)計(jì)

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

1.4 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

當(dāng)墻肢與連梁組合成剪力墻結(jié)構(gòu)體系時(shí)，應(yīng)遵從“強(qiáng)墻肢弱連梁，強(qiáng)剪弱彎，底部加強(qiáng)，限制墻肢軸壓比”原則?！皬?qiáng)墻肢弱連梁”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(shí)不應(yīng)為了保險(xiǎn)而多配。“強(qiáng)剪弱彎”要求墻肢和連梁只能彎曲破壞而不能剪切破壞。對(duì)于墻肢，可通過(guò)增大底部加強(qiáng)部位截面組合的剪力計(jì)算值等方式，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎；而對(duì)于連梁，通過(guò)增大與連梁彎矩設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)的梁端剪力的方法，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎。“底部加強(qiáng)”是指對(duì)于彎曲型和彎剪型的剪力墻，墻肢塑性鉸會(huì)在底部一定范圍內(nèi)形成，這個(gè)部位需要加強(qiáng)。加強(qiáng)的高度一般從地下室頂板算起，如果結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端位于底板以下應(yīng)向下延伸至計(jì)算嵌固端處。建筑高度不大于24m時(shí)，按底部1層考慮；建筑高度大于24m時(shí)，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(dāng)墻肢軸壓比超過(guò)要求時(shí)應(yīng)在墻肢兩端設(shè)置約束條件。另外，對(duì)于跨高比小的強(qiáng)連梁應(yīng)采取措施，使其成為延性構(gòu)件。

2 軟土地基高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)采用共同作用方法的必要性

2.1簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法的不足

作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基作為一個(gè)整體來(lái)考慮，但由于這樣做的復(fù)雜性，所以簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)都將它們?nèi)藶榉指顬槿齻€(gè)部分，然后各自獨(dú)立求解。上部結(jié)構(gòu)視為底部嵌固于基礎(chǔ)上的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，再利用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計(jì)算其內(nèi)力?；A(chǔ)筏板既承受來(lái)自于上部結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩，也同時(shí)受到來(lái)自地基的反力，計(jì)算時(shí)假定地基反力呈直線分布，利用靜力平衡關(guān)系求解筏板內(nèi)力。最后按總荷載計(jì)算基底平均反力，又根據(jù)柔性基礎(chǔ)荷載求出地基變形。這種簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的不足之處在于，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)不符，因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接點(diǎn)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(chǔ)受力之后的不均勻變形較為顯著，對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的次應(yīng)力，這就可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)，將筏基按剛性處理的結(jié)果是偏于安全而不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)筏基實(shí)際內(nèi)力較計(jì)算內(nèi)力小的多時(shí)，設(shè)計(jì)人員又會(huì)大幅度降低筏板剛度（如減小板厚），來(lái)發(fā)揮筏板材料的承載力，這樣可能導(dǎo)致筏基變形過(guò)大，使工程偏于不安全?？梢?jiàn)，常規(guī)簡(jiǎn)化計(jì)算方法用于軟土地基剪力墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基視為完整的系統(tǒng)更為合理，無(wú)論理論分析還是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試都表明這種分析方法更符合實(shí)際工作狀態(tài)，因?yàn)樵诜治龈鞑糠质芰顟B(tài)時(shí)考慮了其他部分剛度的貢獻(xiàn)，使得各部分接觸點(diǎn)既滿足靜力平衡需要，也兼顧了變形協(xié)調(diào)，例如分析上部結(jié)構(gòu)時(shí)考慮了軟土地基不均勻沉降所引起的基礎(chǔ)變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，反之分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)也考慮了上部結(jié)構(gòu)和地基剛度的影響。雖然三者共同作用的機(jī)理不難理解，但要進(jìn)行定量分析還是存在不少困難，目前主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)、理論分析以及實(shí)測(cè)結(jié)合模型試驗(yàn)幾種方法實(shí)現(xiàn)，但也各有不足，比較起來(lái)理論分析中的數(shù)值法可利用現(xiàn)有的計(jì)算技術(shù)更易于實(shí)現(xiàn)，主要是采用有限元法進(jìn)行分析。

在進(jìn)行高層建筑-基礎(chǔ)-地基共同作用分析時(shí)，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(wú)法全面反映地基工作全貌，其實(shí)無(wú)論連續(xù)模型還是不連續(xù)模型，都無(wú)法得出統(tǒng)一、普適的結(jié)論，因此通過(guò)不同模型的補(bǔ)充和比較是非常有用的，還有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)對(duì)模型選擇也有重要價(jià)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(jì)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(wú)結(jié)果，目前只能采用筏板和地基支撐剛度分別計(jì)算的有限元法。上部結(jié)構(gòu)-筏基-地基共同作用則可采用子結(jié)構(gòu)法進(jìn)行分析。

經(jīng)過(guò)多年的理論研究和工程實(shí)踐，對(duì)高層建筑-基礎(chǔ)-地基共同作用機(jī)理形成了以下結(jié)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(chǔ)。（2）上部結(jié)構(gòu)剛度只在一定程度上參與共同作用，其對(duì)基礎(chǔ)平均沉降影響很小，但能有效減小基礎(chǔ)的差異沉降，其對(duì)樁頂、基礎(chǔ)內(nèi)力重分布有影響。（3）地基彈性模量與基礎(chǔ)平均沉降成反比關(guān)系。（4）基礎(chǔ)底板應(yīng)力大小主要與整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)形成過(guò)程有關(guān)系，受上部結(jié)構(gòu)與樁筏基礎(chǔ)共同作用影響，也與溫度變化有關(guān)。（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(jié)構(gòu)共同作用設(shè)計(jì)方法應(yīng)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(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，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?qiáng)度等級(jí)，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(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，樁為600mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)30m；基礎(chǔ)梁800mm×400 mm，筏板厚500mm。樁端持力層為粉質(zhì)粘土層。

3.2 建立有限元模型

假定土介質(zhì)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(shí)土的液化效應(yīng)。結(jié)構(gòu)部分不考慮豎向位移。不單獨(dú)考慮鋼筋作用，而是將其簡(jiǎn)化為整體模型。不考慮風(fēng)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(jié)構(gòu)的底寬。

3.3 高層建筑-基礎(chǔ)-地基共同作用分析結(jié)果

采用PKPM和SAP2000軟件進(jìn)行分析。結(jié)果表明兩種軟件結(jié)果是相似的，由于PKPM偏重于實(shí)際應(yīng)用，計(jì)算結(jié)果偏于保守?？紤]上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用后，上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)層間剪力減少了4.5%～15.5%，彎矩減少了14%～17.5%，這說(shuō)明上部結(jié)構(gòu)內(nèi)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(chǔ)相對(duì)撓度越大，因而軟土地基應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用。

4 結(jié)語(yǔ)

剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑中常用的一種結(jié)構(gòu)體系，但在軟土地區(qū)應(yīng)用情況比較復(fù)雜，由于軟土地基承載力低，通常采用承載力強(qiáng)、適應(yīng)性廣的樁筏基礎(chǔ)。高層建筑上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基是一個(gè)有機(jī)整體，作為整體考慮非常復(fù)雜，所以實(shí)際工程設(shè)計(jì)主要采用簡(jiǎn)化方法，但是簡(jiǎn)化方法難以真實(shí)反映實(shí)際工作狀態(tài)，無(wú)法準(zhǔn)確把握經(jīng)濟(jì)性與安全性關(guān)系，從這個(gè)意義上說(shuō)將上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基作為整體分析是一種趨勢(shì)，盡管這種方法目前還有待完善。

參考文獻(xiàn)：

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