干宁
（中铁上海设计院集团有限公司，上海，200070）
摘 要：随着社会经济的快速发展，人们对住房的要求越来越高。然而我国大城市，人口密度非常拥挤，高层剪力墙结构无疑可以利用更少的土地、更节约的成本提供更好的住房服务。本文以某高层住宅楼为工程背景，利用大型结构设计软件PKPM对其结构承载力进行计算，详细分析剪力墙结构设计中的有关注意事项。
关键词：剪力墙结构；PKPM；结构承载力
The Structural Design Key Points of High-rise Flats
Gan Ning
(China Railway Shanghai Design Institute Co.,Ltd., Shanghai, 200070)
Abstract: People’s housing demand is higher and higher with the rapid development of social economy. However the population density is very crowded in the big city of our country. High-rise shear wall structure can certainly provide better housing service with less land and less costs. Based on the structual design of high-rise flats ,The bearing capacity of the structure is calculated with major structural design soft—PKPM in the paper, to analyse the matters needing attention in the design of shear wall structure.
Key words: Shear wall structure; PKPM; Bearing capacity
1 工程概况
本工程位于中国华东某地，项目主要包括高层住宅，幼儿园，商业开发以及地下车库。笔者设计了独立高层住宅14#、15#楼。两栋楼基本一致，现对14#楼的设计进行详细分析。
14#楼住宅楼地下一层，地上24层，地下2层，建筑高度70.35m。主体部分采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，基础采用桩筏基础，结构安全等级为二级，建筑地基基础设计等级为乙级，结构设计使用年限为50年，结构构件重要性系数1.0。根据《建筑地基基础设计规范GB5007-20011》第5.1.4条“桩箱或桩筏基础的埋置深度（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1/18”，以及建筑对地下室层高的要求，筏板顶面结构标高取为-5.650m。其三维视图如下图1所示。
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2 主体结构计算
2.1 设计条件及参数
本工程抗震设防烈度为6度(0.05g)；II类场地土；地震设计分组为第二组，特征周期为0.35s；建筑抗震类别均为标准设防类，抗震等级为四级。
基本风压为0.40KN/m2，地面粗糙度类别为C类；基本雪压为0.40KN/m2。
2.2 荷载取值
上部结构嵌固部位为筏板顶面，地下室顶板板厚取为160mm，坡屋面板厚取值为120mm，标准层板厚取为100mm。恒荷载取值为承载结构及上面结构的自重，活荷载的取值根据《建筑结构荷载规范GB50009-2012》取值如下表1所示。
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2.3剪力墙布置
剪力墙的布置宜采用周边、对称、均匀的原则，以便质心和刚心重合，减小结构的扭转作用；在楼梯和电梯间比较薄弱的部位布置剪力墙，以减轻地震作用下的破坏。同时根据《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》7.2.13条要求二级抗震剪力墙轴压比不能超过0.6。而且考虑到采用桩基础，采用直径为600mm的PHC桩，根据《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》表3.3.3条要求“非挤土灌注桩的最小中心距为4.0d”，故剪力墙长度基本上不低于4.0d+100+100=2600mm。经过很多次计算，确定剪力墙平面布置图如下图2所示。
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图2 标准层剪力墙平面布置图
2.4 各项指标汇总
采用大型结构设计软件PKPM进行结构设计。考虑双向地震作用下的扭转偶联及偶然偏心因素的影响，采用振型分解反应谱法对结构进行多遇地震作用下的弹性计算。并采取相应的构造措施，增强结构的延性，提高结构的耗能能力，确保结构能够实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计理念。各项指标汇总如下表2所示。
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从上表可以看出各项指标均达到规范的要求，而且最大位移角以及轴压比的计算结果与规范限值相差不大，可见剪力墙布置简单、合理，可以同时满足建筑结构的安全性和经济性的要求。
2.5计算分型中遇到的问题
2.5.1轴压比及扭平比过大
本工程为24层住宅，设计初期，墙、梁、板均采用C30混凝土，由于结构中间部位承受荷载较大，局部剪力墙轴压比不能满足规范要求，在结构中部设置了三片L形剪力墙，并且将剪力墙的混凝土强度等级从底部开始，由C40朝C30过渡，以使得剪力墙轴压比能够满足要求。中部剪力墙的设置虽然能够减小轴压比，但使得结构刚度向中间汇总，对于结构整体抗扭不利，剪力墙利用效率不高。故在建筑允许的条件下，调整中部剪力墙墙肢长度，以减小轴压比，同时将剪力墙向两侧、周边布置，以增强结构的抗扭刚度。
2.5.2连梁超筋问题
连梁连接着刚度很大的墙肢，在水平力作用下，会产生很大的剪力和弯矩，由于剪力墙厚度的限制，连梁宽度也只能很小，往往会出现连梁剪压比不够，或者超筋的问题。解决办法通常有以下几种：（1）减小连梁截面尺寸。可以迅速减小连梁刚度，从而减小连梁的水平力作用下的剪力和弯矩，从而可以减小配筋。（2）增大连梁跨度，也是为减小连梁刚度，减小连梁内力。（3）对连梁刚度进行折减，但《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》5.2.1条规定连梁刚度折减系数不宜小于0.5。（4）设置双连梁。两根连梁设置不同的梁顶标高，使两根连梁保有一定的缝隙。这种设计方法就相当于增加了连梁宽度，对连梁的内力影响不大，但因为梁宽度的增大，从而能够满足受剪截面尺寸及配筋率的要求。
本工程采用的是对连梁刚度进行折减的方法，连梁刚度折减系数取为0.5，同时适当加大连梁配筋，确保连梁能够承受竖向荷载。
3 基础计算
采用结构设计软件PKPM中的JCCAD模块对基础进行计算，计算筏板厚度和配筋，以及桩反力和沉降。
3.1 桩及筏板计算
业主要求只能采用一种桩径，根据剪力墙墙底内力标准值恒载+活载（D+L），综合考虑，采用直径为600mm的PHC桩，桩身采用C80混凝土，桩长取34.5m，桩顶嵌入混凝土筏板50mm，桩尖进入持力层不小于2d，依据《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》第5.3.5条，
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同时取安全系数为2.0，计算单桩承载力特征值为3200KN。依据剪力墙底部内力标准值（D+L）和单桩承载力特征值计算每片剪力墙需求的桩数，同时要求满足桩中心间距4d进行布桩。与此同时利用JCCAD进行基础建模整体计算，求得桩反力，验算桩承载力能够满足计算要求。
筏板采用C30混凝土，筏板厚取1200mm，经计算，筏板配筋按照0.2%的配筋率进行构造配筋。
当剪力墙底部计算需要多根桩，而又无法将桩全部放置于剪力墙墙底时，这就需要考虑桩反力对筏板的冲切。经计算1200mm筏板不能满足桩反力的冲切，该工程采用的方法是局部加入承台，增大承台高度，以满足桩冲切。
4 施工图绘制注意事项
（1）《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》3.6.3条“普通地下室顶板厚度不宜小于160mm；作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构，楼板厚度不宜小于180mm”，本工程上部结构嵌固在筏板顶面，地下室顶板板厚取160mm，按照0.20%配筋率及计算结果进行配筋。《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》12.2.1条“地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍”，本工程上部结构虽非嵌固于地下室顶板，地下室负一层剪力墙纵向钢筋面积除应该符合计算要求外，仍不小于地上一层剪力墙纵向钢筋面积。
（2）剪力墙约束边缘构件及构造边缘构件内部箍筋间距要相互匹配。如构造边缘构件箍筋采用三级钢d8@200（三级钢箍筋直径8mm，间距200mm），一部分墙肢不能满足计算要求，要对这部分墙肢进行加强，不能用d8@150，而需要采用d8@100。目的是不让箍筋相互错开，在同一水平面内，各个部位都有箍筋；同样，约束边缘构件阴影区及非阴影区箍筋间距也要相互匹配。
（3）由于剪力墙边缘构件内钢筋数量很多，以防造成混凝土的浇筑及振捣不充分，梁顶面和底面每排只放2根钢筋。当剪力墙墙肢较短时，墙肢两侧的连梁或者框梁，需将梁顶面的负筋拉通。
（4）在特殊构件中设置了刚度折减系数小于0.5的连梁，需要调整连梁配筋，每侧按照1.90%的配筋率进行配筋，同时也需满足计算结果。
（5）与地下室外墙的暗梁相互作用，形成深梁的梁，侧向钢筋要用N16，间距不大于200mm，因为侧向钢筋作为深梁的底筋，要承担和传递水平荷载。
（6）部分剪力墙墙肢由闷顶层不再升至坡屋面，构造边缘构件的平面位置及形状发生变化。此部位处下一层没有暗柱，就需将此构造边缘构件下插一层。
（7）本工程顶面为坡屋面，坡度的存在，需要被搭接梁有足够的梁高截住其上的搭接梁。
（8）当框架梁支撑在剪力墙上，剪力墙并未在支撑处设置约束边缘构件或构造边缘构件，就需要在支撑处设置暗柱。暗柱的纵筋及箍筋配筋构造措施与所在层的边缘构件相同，且箍筋间距不大于150mm。
（9）在约束边缘层和构造边缘层之间设置一层过渡层，过度层暗柱配筋率为0.8%，且不小于6d14（6根直径为14mm的钢筋），箍筋配筋为d8@150；暗柱形状采用构造边缘构件的规定。
5 总结
通过一次次的方案讨论和结构建模计算，以及后期的施工图纸绘制，笔者对高层住宅剪力墙结构概念设计、构造措施以及规范要求认识越来越深刻，现总结如下：
（1）剪力墙符合均匀、对称、周边布置的原则，提高剪力墙的利用效率，以免剪力墙布置过多，结构刚度过大，而受到更大的地震作用。
（2）暗梁的合理设置，可以将地下室外墙简化为下端固定，上端铰接的竖向构件，相比按照竖向悬臂杆件计算，能够节约成本，而且设计更加合理。
（3）本工程采用振型分解反应谱法对结构进行多遇地震作用下的弹性计算。需要采取相应的构造措施，增加结构的延性，提高结构耗能能力，真正做大“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计理念。
（4）本项目包含住宅、幼儿园、地下车库以及配套公建。笔者作为主要设计人员独立完成了14#住宅及15#住宅地上部分以及桩基设计和施工图纸绘制。从最初拿到一张标准层建筑图纸到最后施工图的送审，总共历时2个月。这一过程经历了一次次的方案讨论和一次次的修改，最终完成施工图绘制。笔者越来越感到概念设计的重要。概念设计的应用，对结构设计的整体把握，是一名结构设计人员是否成熟的重要标志，也是笔者努力前行的方向。
6 参考文献
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