地库无梁楼盖的分析及结构设计的探讨

发表本文的本意及内容是分析推测以往工程事故的原因,总结经验教训,用以改进今后的的工程设计。毕竟无梁楼盖还是有人在设计的。

对于不少同行的观点,可以归纳为以下几点,现分别来讨论一下。

1. 板式楼盖与梁式楼盖哪个更经济?

地库无梁楼盖的分析及结构设计的探讨插图

地库无梁楼盖的分析及结构设计的探讨插图1

先来分析板式楼盖与梁式楼盖的传力路径。板式楼盖:板— 柱帽 — 柱;梁式楼盖:板— 梁 — 柱(忽略柱周边直接板传柱部分)。由上导荷图的对比可知,三角形的任意两条边之和大于第三边。板式楼盖比梁式楼盖的传力更直接一些,传力路径也更短一些。基于传力路径最短的概念推测,板式楼盖也应较梁式楼盖更经济一些。

2. 普通梁板结构是延性破坏,板式楼盖属于脆性破坏。

    工程事故的几个无梁楼盖确实是脆性破坏的。上文中也分析属于弯剪破坏,即先由于纵筋配置不足引起受弯裂缝,裂缝发展进而引起冲切破坏。其破坏特征符合“少筋梁”的脆性破坏特征。从倒塌的工程事故楼盖配筋也可以看出来。800厚柱帽配置顶筋18@200+ 14@200,配筋率约为0.25%,刚刚满足最小配筋率。在弯矩及剪力均很大的柱帽,构造配筋显然有点不妥。那么我们柱帽为何不能设计成“适筋梁”呢。通过设计完全可以做到延性破坏。

普通梁板结构的延性破坏:普通梁板结构由于存在较高截面的框架梁,在支座形成塑性铰后框架梁仍很大的承载力,调幅后的框架梁仍属于适筋梁的破坏特征,破坏时已经有很大的裂缝及挠度,即延性破坏。分析梁板结构的延性破坏原因:框架梁配置了足够多穿过框柱的顶部纵筋和梁底部纵筋,梁端设置了加密箍筋,使支座处能形成塑性铰,穿过柱子的梁底部纵筋的因素可能更为关键。支座形成塑性铰后框架梁仍有很大的承载能力和变形能力,这也许就是普通梁板结构不易连续倒塌的原因。

由于板式楼盖取消了截面较大的框架梁改为在柱顶设置柱帽,其受力特点是柱帽一定区域内内力很大,跨中板带及柱上板带跨中内力均较普通梁板结构小。通过配置足够多的柱帽顶纵筋及板底穿过框柱的防坠落筋(上文中防倒塌筋,觉得坠落更合适)也可以形成塑性铰,但由于板式楼盖板厚一般相对于框架梁截面小很多,跨中柱上板带配筋一般只能承受柱帽处很小一部分的调幅,如果柱帽处完全形成塑性铰,板带无法承受调幅之后的荷载,此时结构基本就破坏掉。板式楼盖的破坏形式也不能算是脆性破坏。在板底设置通过柱子的防坠落筋,即使楼盖破坏后,由于防坠落筋的作用顶板不会完全倒塌下来。

板式楼盖也有一定的延性,延性确实不如梁板结构,防连续倒塌不如梁板结构。个人觉得可以通过增设框架明梁,增设一定的剪力墙来阻止板式楼盖的连续倒塌。

3. 板式楼盖柱周易发生脆性的冲切破坏。

再来看一下大家说的脆性的冲切破坏(剪切破坏)。钢筋混凝土构件在弯距、剪力共同作用下,主要的破坏形式是先在弯剪区域出现斜裂缝,随着荷载增加,裂缝向上扩展,未开裂的部分的正应力和剪应力迅速增加。当正应力与剪应力组合后的主应力出现拉应力,且大于混凝土的抗拉强度时,出现斜拉破坏,既是冲切破坏(剪切破坏)。

冲切破坏(剪切破坏)依据其开始出现裂缝的位置不同,可以分为两种破坏形式:(1).首先由于柱顶因弯矩作用而首先出现垂直裂缝,随着荷载增加,垂直裂缝逐渐发展,并随着主拉应力方向改变而倾斜,裂缝成顶宽下细特征。即弯剪斜裂缝(弯剪破坏)。(2). 裂缝首先出现在中和轴附近且大致与中和轴成45度斜角,随着荷载增加,裂缝垂直于主拉应力方向发展。裂缝中间宽,两头细,即腹剪斜裂缝(剪切破坏)。9月8号文中总结工程事故的破坏模式多属于第一种破坏形式。

根据冲切破坏机理,延迟或避免冲切破坏的措施:1. 加大柱顶纵筋配置数量,延迟柱顶抗弯裂缝发生;2.在柱帽内配置箍筋及弯起钢筋;3.柱帽尺寸设置的尽量大,预留足够多的冲切富裕,做到剪强于弯。

4. 施工的因素是工程事故主要因素。

我在上文也提到, 2017年以来的板式楼盖地下车库接连坍塌事故引起大家对板式楼盖的广泛讨论。那么2017年之前的几十年里也做了很多板式楼盖,为何没有发生接连的坍塌事故?是现场施工措施及施工方法在2017年发生改变了么?据我所知2017年前后,施工单位的施工措施及施工方法并没有改变。

也有同行列举说有柱帽分次浇筑,柱帽留置水平施工缝是主因,柱帽留置水平施工缝的仅是个例,并非所有工程事故均存在此现象,不应归为一个主要因素。

关于施工期间超载,有几个工程事故施工期间确实超载了。难道2017年之前的施工都不存在超载现象,2017年之后才存在大量施工超载现象。据我了解这么多年现场往车库顶板堆土的方式方法并没有怎么变化。为何2017年之前的超载引起破坏就少呢?

施工因素有可能是引起部分工程事故的主要因素,不是所有工程事故倒塌的主要因素。

5. 多数同行强烈反对板式楼盖,仍然觉得梁式楼盖更安全。

如下图两个结构布置方案,柱跨度及顶板覆土荷载均一致,顶板均为300厚。方案1长跨设置400X800框架梁,短跨框梁400X600的截面;方案2取消明梁,柱顶设置500高锥形柱帽+2.4X2.8X0.3托板的柱帽(如柱帽图示)。两个结构布置方案的总混凝土量基本一样,设置柱帽的混凝土量略高一点点。设计条件基本相当的前提下,举例来分析一下梁板结构与板式楼盖在柱周边受力情况。

地库无梁楼盖的分析及结构设计的探讨插图2

地库无梁楼盖的分析及结构设计的探讨插图3

(1)分析柱周边总的冲切承载力(或剪切)。两个结构布置方案框架柱跨度一样,顶板受荷一样,忽略混凝土自重差异影响,柱四周边总的剪力基本一致。假如板式楼盖方案2在600厚托板内设置400X600的暗梁,柱根部梁截面实际400X1100高,纵筋箍筋与方案1中框架梁保持一致。对比可知,除两个方向暗梁抗剪,板式楼盖在400宽暗梁以外的柱帽混凝土仍能抵抗很大的一部分剪力。方案2的抗剪能力明显比方案1大很多。从抗剪承载力来说,板式楼盖柱帽的极限抗剪(冲切)应比梁板结构中框架梁的极限抗剪大很多。由此板式楼盖应较梁式楼盖更不易发生冲切破坏。

(2)柱顶区域纵筋抗弯承载力对比分析。假如方案1梁板结构中的框架梁弯剪均已达到极限承载,假如方案2板式楼盖的暗梁配筋同方案1中框架梁配筋,方案2在柱周边梁截面1100高,比方案1中800高框架梁截面高300。相同配筋时,1100高的梁抗弯承载力应比800高框架梁更大。另外400梁宽范围以外柱帽也配置了不少顶筋,综上得到板式楼盖柱帽的极限抗弯能力应较梁板结构中的框架梁更大。

(3)实际内力分布分析。通过软件计算。相同荷载、跨度的情况下,通过增设柱帽,柱周边柱帽应力水平相对梁板结构中的梁应力水平小很多,跨中应力水平也较梁板结构小很多。梁板结构柱顶处梁应力基本是无梁楼盖柱帽应力的2 -3倍关系。下图中红笔圈处柱顶、跨中应力对比。应力水平低的结构形式更容易保证结构安全的,通过合理设计板式楼盖能得到更大的极限承载。

由以上几点总结,板式楼盖破坏时的延性及防连续倒塌特性确实比梁板结构要差;对于的柱顶冲切承载力,通过增设暗梁箍筋(建议柱帽范围内均设箍筋或拉筋),对比方案图中板式楼盖极限抗冲切承载力应较普通梁式楼盖的框架梁极限抗剪大很多;板式楼盖通过增设柱帽,能得到更均匀的应力分布,能同时减小柱顶及跨中应力极值。柱周柱帽应力水平比梁式楼盖的框架梁应力水平更低,通过配置足够的柱帽顶部纵筋,能获得较梁板结构中框架梁更高的极限承载力。

关于增加板式楼盖的延性及防连续倒塌的设想。可采用明梁+柱帽的结构布置方案3(仍属板式楼盖受力特性),此结构方案的导荷方式为:大部分荷载直接通过柱帽传给柱,有一小部分荷载通过梁再传柱。优点是,通过增设明梁,楼盖的延性及防连续倒塌会很好多;缺点是,增设明梁以后导荷路径会更为复杂,有限元算法的导荷跟实际导荷是否一致很关键。

地库无梁楼盖的分析及结构设计的探讨插图4

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