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【摘要】本文对上部为剪力墙结构，基础采用大直径灌注桩的转换层设计进行了探讨，提出科学实用的设计方法，可为同类结构设计参考。
【关键词】剪力墙结构；大直径桩；转换层设计
1 概述
在抗震设防高烈度地区的多高层建筑剪力墙结构设计中，除核心筒区域（楼梯间、电梯间）外，其余剪力墙肢长一般都控制在1600～3000mm左右。对这类剪力墙结构，有时，根据地勘的实际情况，可能采用大直经人工挖孔或钻孔灌注桩基础。这样的结构形式对这样的基础形式，除核心筒区域外，大部分采用墙下单桩或双桩的基础布置形式即可满足承载力和变形要求。这样的布桩形式，有时给承台的布置带来困难，特别是墙下单桩在结构传力途径上，必须通过承台悬臂受弯、剪、扭来传递上部荷载与地震作用，使桩与承台的受力和配筋构造都很复杂，并不直观。针对这种情况，设置基础转换梁使上部结构传力明确也是一种不错的选
转换梁主要承受竖向荷载，转换梁的受力特征主要表现为在竖向荷载作用下的受力规律。可采用SATWE或底层框架程序对转换层的计算，用其它方法（如人工）复核。在模型输入过程中，把大直径桩以框支柱的形式输入，然后输入框支梁以及上部剪力墙结构。当两桩之间的剪力墙（肢）具有连续性时，输入的框支梁至少按一层楼高的深梁输入，并按深梁的构造要求配置钢筋。因转换层在地下，计算时可不考虑抗震作用。
在这里把桩当做框支柱来考虑，实际上桩本身的受力特征是有别于框支柱的，框支柱主要是承担上部框支梁传来的竖向荷载、水平风荷载与地震作用，侧向没有约束，因此，要求其侧向刚度较大。而桩在承受转换梁传来的上部荷载外，同时受到土的水平约束而其侧摩阻力将发挥作用。大直径桩的土层水平侧阻力来自桩土间土层的剪切错动时产生的剪切力，而决定剪切力大小的水平有效应力与土层的有效压力（桩侧土水平抗力系数的比例系数m）成非线性关系，但当大直径桩的桩顶水平位移在变形的某一范围（研究表明是在3~8mm）内时[4]，桩侧水平摩阻力是随桩顶位移的增大而增大，当超出这一范围时，桩顶水平位移继续增大则桩侧水平摩阻力却会减小。因此，当设有地下室或当桩周地基土水平抗力系数的比例系数m（桩周地基土承载力）较大时，大直径桩基转换层可视为水平嵌固的计算模型。
要控制桩顶水平位移，除要求桩侧土刚度外，还要求桩及转换梁都要具有一定的刚度。一般情况，剪力墙（肢）下大直经灌注桩的直径（含护壁）均大于1米，截面刚度I都较大。但计算模型中桩的计算长度取值直接影响其线刚度。根据规范条文说明轴向受压桩，其受压承载力主要受纵向主筋、箍筋及成桩工艺系数影响，桩周受土的约束，侧阻力使轴向荷载随深度递减，箍筋起水平抗剪作用且使侧向约束增强。有关文献[5]规定在桩顶3~5d（d为桩径）或1.0~1.5米范围内螺旋箍加密。因此，桩的计算长度取值建议：当有地下室时取1.0m左右，无地下室时取1.5m左右为宜。
在桩基转换层的设计中，除考虑桩同作用外，还应考虑转换梁与剪力墙（肢）组成壁式框架梁和桩节点的刚域作用、上部结构起拱效应的卸载作用、满跨剪力墙的深梁作用等。当室内地坪至转换梁顶还有地下空间时，可将该无剪力墙（肢）部分，用剪力墙连通，这可增大起拱效应的卸载作用，同时增大转换梁的刚度，减少转换梁的配筋。根据笔者多年的设计研究经验：上部结构起拱效应的卸载作用可达上部荷载的15%~20%。满跨剪力墙按一层高（3~4m）的深梁设计，其地梁仅需满足承担一层剪力墙自重及施工荷载和构造要求，楼面处的梁按卧梁构造设置；考虑转换梁与剪力墙（肢）组成壁式框架梁的刚域作用可减少转换梁跨度。转换梁的刚域长度为：
lb=hc/2-hb/4（1）
式中：hc为剪力墙（肢）边到桩中心线的距离，hb为转换梁的截面高。
对于普通的桩基承台，当地梁与承台连接，则承台与桩之间的连接一般按铰接考虑，通过承台，地梁传至桩的弯矩大约为节点处弯矩的20%，其余弯矩须由承台和地梁消耗。当采用转换梁形式时，如果桩与转换梁之间采用桩顶与梁顶平齐，桩顶与梁顶的钢筋锚固按屋面框架梁的锚固方式，并要求桩的线刚度是转换梁线刚度的3~5倍左右时，可考虑按半刚接选取计算模型。并在桩顶上设置双向转换（地）梁来抵抗桩顶弯矩，这样，按刚度分配的计算结果来配置转换梁及桩顶部分的配筋，既减小了对转换梁的刚度要求，又减小了对桩顶部分的配筋量。
在不考虑地基土的作用时，转换梁与上部墙体是作为一个整体共同作用变形，转换梁处于这个整体弯曲变形的受拉翼缘区域，转换梁会出现轴向拉力；由于转换梁与上部剪力墙（肢）形成拱的传力作用，上部的竖向荷载传到转换梁时，很大一部分荷载以斜向荷载的形式通过转换梁作用于桩支座，则形成了在转换梁跨中一定区域内承受轴向拉力，而在支座区域内承受轴向压力的现象。因此，转换梁的最终受力状态是由于上述两种因素综合影响的结果，故在转换梁的配筋构造中上、下部纵向钢筋应尽可能连通。
转换梁的截面尺寸一般由剪压比控制，其承载力一般由剪力墙（肢）边的斜截面（受剪承载力）控制。因此，在转换梁范围内配置足够数量的箍筋、在剪力墙（肢）边的截面内设附加横向钢筋对于控制斜裂缝都是非常重要的。当转换梁跨度较大时，挠度、裂缝也是控制转换梁的重要因素，这就要求转换梁具有足够的强度和刚度。对于基础转换梁承托上部剪力墙（肢），考虑地基土的弹性地基梁作用，则梁上部及下部应均匀布置足够数量的纵向钢筋，这与上述转换梁受力分析的配筋要求一致；同时由于有些墙肢与转换梁形成偏心，在增大箍筋的同时还要在梁侧面设置足够的抗扭筋或纵向构造钢筋[5]。
参考文献
建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）中国建筑工业出版社2008
大直径扩底灌注桩技术规程（JGJ225-2010）中国建筑工业出版社2010
[3]徐培福复杂高层建筑结构设计中国建筑工业出版社2005
[4]建筑地基基础设计方法及实例分析中国建筑工业出版社2008
[5]全国民用建筑工程设计技术措施（2009）结构（地基与基础）中国计划出版社2010
[6]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）中国建筑工业出版社2010
【关键词】剪力墙结构；大直径桩；转换层设计
1 概述
在抗震设防高烈度地区的多高层建筑剪力墙结构设计中，除核心筒区域（楼梯间、电梯间）外，其余剪力墙肢长一般都控制在1600～3000mm左右。对这类剪力墙结构，有时，根据地勘的实际情况，可能采用大直经人工挖孔或钻孔灌注桩基础。这样的结构形式对这样的基础形式，除核心筒区域外，大部分采用墙下单桩或双桩的基础布置形式即可满足承载力和变形要求。这样的布桩形式，有时给承台的布置带来困难，特别是墙下单桩在结构传力途径上，必须通过承台悬臂受弯、剪、扭来传递上部荷载与地震作用，使桩与承台的受力和配筋构造都很复杂，并不直观。针对这种情况，设置基础转换梁使上部结构传力明确也是一种不错的选
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择。因此，本文对基础转换梁的设计进行详尽的探讨，提出科学实用的设计方法，可为同类结构设计提供参考。2 大直径灌注桩的转换层设计
大直径灌注桩转换层由大直径灌注桩和转换梁构成。大直径灌注桩的布置、设计、构造已有成熟经验，不再赘述，只需设计人员按工程设计中剪力墙平面布置的实际情况，上部荷载及地震作用大小，再根据单桩承载力设计值、变形和最小中心距等要求布桩即可。这种情况，大部分墙下只能布置单桩，只有局部剪力墙比较长及楼梯、电梯间核心筒位置可以布双桩或多桩。对于普通柱下单桩承台本身只是一个结构连接构造上的要求，且大直径桩还可不设承台（桩帽）。对于墙下布置单桩的情况，即使单桩刚心与墙肢刚心重合，而剪力墙肢在实际受力工作状态中，其各种荷载组合的质心是变化的，一般很难与刚心重合，其墙下单桩承台的设置很难达到合理水平。因此，在两桩之间的剪力墙（肢）下设置基础梁来将上部剪力墙（肢）承担的荷载传递到大直径桩上的基础结构形式就应运而生。实际上这种结构形式，是在建筑物上部结构与地基基础之间设置了一道转换梁。从广义上讲，这本身就是一种转换层结构[3]，只是这种转换概念要考虑到地基土和基础的共同作用，同时，剪力墙（肢）下布桩不受使用功能的限制，可能两桩之间的剪力墙（肢）具有连续性等特殊情况。转换梁主要承受竖向荷载，转换梁的受力特征主要表现为在竖向荷载作用下的受力规律。可采用SATWE或底层框架程序对转换层的计算，用其它方法（如人工）复核。在模型输入过程中，把大直径桩以框支柱的形式输入，然后输入框支梁以及上部剪力墙结构。当两桩之间的剪力墙（肢）具有连续性时，输入的框支梁至少按一层楼高的深梁输入，并按深梁的构造要求配置钢筋。因转换层在地下，计算时可不考虑抗震作用。
在这里把桩当做框支柱来考虑，实际上桩本身的受力特征是有别于框支柱的，框支柱主要是承担上部框支梁传来的竖向荷载、水平风荷载与地震作用，侧向没有约束，因此，要求其侧向刚度较大。而桩在承受转换梁传来的上部荷载外，同时受到土的水平约束而其侧摩阻力将发挥作用。大直径桩的土层水平侧阻力来自桩土间土层的剪切错动时产生的剪切力，而决定剪切力大小的水平有效应力与土层的有效压力（桩侧土水平抗力系数的比例系数m）成非线性关系，但当大直径桩的桩顶水平位移在变形的某一范围（研究表明是在3~8mm）内时[4]，桩侧水平摩阻力是随桩顶位移的增大而增大，当超出这一范围时，桩顶水平位移继续增大则桩侧水平摩阻力却会减小。因此，当设有地下室或当桩周地基土水平抗力系数的比例系数m（桩周地基土承载力）较大时，大直径桩基转换层可视为水平嵌固的计算模型。
要控制桩顶水平位移，除要求桩侧土刚度外，还要求桩及转换梁都要具有一定的刚度。一般情况，剪力墙（肢）下大直经灌注桩的直径（含护壁）均大于1米，截面刚度I都较大。但计算模型中桩的计算长度取值直接影响其线刚度。根据规范条文说明轴向受压桩，其受压承载力主要受纵向主筋、箍筋及成桩工艺系数影响，桩周受土的约束，侧阻力使轴向荷载随深度递减，箍筋起水平抗剪作用且使侧向约束增强。有关文献[5]规定在桩顶3~5d（d为桩径）或1.0~1.5米范围内螺旋箍加密。因此，桩的计算长度取值建议：当有地下室时取1.0m左右，无地下室时取1.5m左右为宜。
在桩基转换层的设计中，除考虑桩同作用外，还应考虑转换梁与剪力墙（肢）组成壁式框架梁和桩节点的刚域作用、上部结构起拱效应的卸载作用、满跨剪力墙的深梁作用等。当室内地坪至转换梁顶还有地下空间时，可将该无剪力墙（肢）部分，用剪力墙连通，这可增大起拱效应的卸载作用，同时增大转换梁的刚度，减少转换梁的配筋。根据笔者多年的设计研究经验：上部结构起拱效应的卸载作用可达上部荷载的15%~20%。满跨剪力墙按一层高（3~4m）的深梁设计，其地梁仅需满足承担一层剪力墙自重及施工荷载和构造要求，楼面处的梁按卧梁构造设置；考虑转换梁与剪力墙（肢）组成壁式框架梁的刚域作用可减少转换梁跨度。转换梁的刚域长度为：
lb=hc/2-hb/4（1）
式中：hc为剪力墙（肢）边到桩中心线的距离，hb为转换梁的截面高。
对于普通的桩基承台，当地梁与承台连接，则承台与桩之间的连接一般按铰接考虑，通过承台，地梁传至桩的弯矩大约为节点处弯矩的20%，其余弯矩须由承台和地梁消耗。当采用转换梁形式时，如果桩与转换梁之间采用桩顶与梁顶平齐，桩顶与梁顶的钢筋锚固按屋面框架梁的锚固方式，并要求桩的线刚度是转换梁线刚度的3~5倍左右时，可考虑按半刚接选取计算模型。并在桩顶上设置双向转换（地）梁来抵抗桩顶弯矩，这样，按刚度分配的计算结果来配置转换梁及桩顶部分的配筋，既减小了对转换梁的刚度要求，又减小了对桩顶部分的配筋量。
在不考虑地基土的作用时，转换梁与上部墙体是作为一个整体共同作用变形，转换梁处于这个整体弯曲变形的受拉翼缘区域，转换梁会出现轴向拉力；由于转换梁与上部剪力墙（肢）形成拱的传力作用，上部的竖向荷载传到转换梁时，很大一部分荷载以斜向荷载的形式通过转换梁作用于桩支座，则形成了在转换梁跨中一定区域内承受轴向拉力，而在支座区域内承受轴向压力的现象。因此，转换梁的最终受力状态是由于上述两种因素综合影响的结果，故在转换梁的配筋构造中上、下部纵向钢筋应尽可能连通。
转换梁的截面尺寸一般由剪压比控制，其承载力一般由剪力墙（肢）边的斜截面（受剪承载力）控制。因此，在转换梁范围内配置足够数量的箍筋、在剪力墙（肢）边的截面内设附加横向钢筋对于控制斜裂缝都是非常重要的。当转换梁跨度较大时，挠度、裂缝也是控制转换梁的重要因素，这就要求转换梁具有足够的强度和刚度。对于基础转换梁承托上部剪力墙（肢），考虑地基土的弹性地基梁作用，则梁上部及下部应均匀布置足够数量的纵向钢筋，这与上述转换梁受力分析的配筋要求一致；同时由于有些墙肢与转换梁形成偏心，在增大箍筋的同时还要在梁侧面设置足够的抗扭筋或纵向构造钢筋[5]。
3 结束语
在剪力墙（肢）下布置大直径灌注桩，当部分为墙下单桩时，在保证计算桩长内配置足够的纵筋及箍筋并具有一定的刚度情况下，本文对转换层的计算模型，转换梁的受力状态及配筋要求进行了详尽分析和探讨，认为：采用转换梁的形式从力学分析的角度，传力路线明确、清晰，当考虑剪力墙（肢）和桩的刚域及起拱效应等多种因素，经工程实例分析比较，当剪力墙（肢）的长度超出桩基较多时，采用转换梁较承台更为安全适用、经济合理。参考文献
建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）中国建筑工业出版社2008
大直径扩底灌注桩技术规程（JGJ225-2010）中国建筑工业出版社2010
[3]徐培福复杂高层建筑结构设计中国建筑工业出版社2005
[4]建筑地基基础设计方法及实例分析中国建筑工业出版社2008
[5]全国民用建筑工程设计技术措施（2009）结构（地基与基础）中国计划出版社2010
[6]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）中国建筑工业出版社2010