例如高规第:“当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞时,应在设计中考虑其对结构产生的不利影响。有效楼板宽度不宜小于该层楼面宽度的50%;楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30%;在扣除凹入或开洞后,楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5m,且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2m。”
这条要求常因不同的理解和解释而困扰设计单位。有些施工图审查单位,甚至对图2中口字形建筑物中间的绿化面积,也视作“楼板开洞”,认为面积不能超过30﹪。
国外规范对这个问题有明确规定。例如美国混凝土学会ACI(American Concrete Institute)规范ACI318-2011[2]中有一节专门说这个问题;新西兰规范NZS3101-2006[3]的第13章也是专门论述这个问题。
美国波特兰水泥协会PCA(Portland Cement Association)是一个非盈利组织,由若干大水泥厂商资助,此协会专门研究有助于提高和推广水泥制品的技术,其中重要的一项是钢筋混凝土技术。ACI的每版混凝土规范出版后,PCA即出版一本应用ACI318规范的手册,例如2008版的篇幅达900页,它详细解说了ACI318规范的各个章节,并用简单的手算例题来帮助理解和正确应用规范。
ACI318规范将传递水平力(包括地震力和风力)的楼板(屋顶板)称为Diaphragm(横隔板)。
PCA08版手册中,相应解释横隔板的定义和功能如下:
在建筑工程中,横隔板属于结构构件,如楼板或屋顶板,它起着下列部分或全部功能:1)提供建筑物某些构件的支点,如墙、隔断与幕墙,并抵抗水平力,但不属于竖向抗震体系的一部分;2)传递横向力至竖向抗震体系;3)将不同的抗震体系中的各组成部分连成一体,并提供适当的强度、刚度,以使整个建筑能整体变形与转动。
新西兰规范ZS3101-2006[3]有关这方面的条文内容如下:
第13.2条明确横隔板的定义为:相对较薄但刚度较大的水平结构构件,它传递平面内的横向力至竖向抗侧力构件。第13.2条的解释(即C13.2)为:本节提供对横隔板的设计要求。其基本原则是能将建筑物中的所有抗侧力构件有效地连结在一起。横隔板的第一种作用,是将每层楼板看作一根水平深梁,将风或地震产生的力传递至各种抗侧力构件,例如框架或结构墙。其第二种作用是在某一特定的楼层,将该楼层平面内的巨大剪力从一个竖向抗侧力构件(例如核心筒)传至另外的竖向抗侧力构件(例如周边的地下室外墙),见图3(此图是笔者按该新西兰规范ZS3101-2006[3]原意而绘制的)。
美国和新西兰规范都没有楼板开洞面积百分比的限值。两本规范都规定:应该对楼板传递水平力进行分析计算;当存在大开洞时,应注意楼板在其平面内刚度无穷大的假设可能不成立。新西兰规范提出一个判断方法:当横隔板(楼板)的最大横向变形大于各楼板的平均变形的2倍时,即应考虑其柔性。
这两国的规范还强调:应注意隔板伸入竖向构件内的钢筋的锚固。笔者认为这一点对结构设计很重要,而我国的结构设计规范常忽略此点。
从以上介绍的美国及新西兰规范可以知道,抗震、抗风建筑的楼板(屋顶板)除了需承载竖向荷载外,还需承担将地震、风等产生的水平力,传递至竖向抗侧力体系。
再来看我国高规第3.4.6条,条文中写明是楼板,当然是指建筑物的室内的板,而不是指建筑物以外的部分。因此,图2中所示的绿化面积不是建筑物的一部分,当然不能算“楼板开洞”。
因此高规第3.4.6条的用意是:对于需要传递水平力的楼板(包括屋顶板),不宜在不恰当的部位开过大的洞。因此,不宜只限制开洞率的多少,而应根据开洞的部位是否阻碍了水平力的传递、开洞尺寸是否影响了水平力的传递等方面,去衡量该洞口是否可以设置。
再举个例子:图4所示为一栋高层住宅平面示意。为了满足建筑的使用要求,建筑的四面都有较大的突出。设计时往往在楼层四面的突出部位之间布置拉梁,以增加其整体性,但是有的人却把拉梁与外墙之间的空间(图4中斜线填充部位)作为楼板开洞面积,这是错误的。高规中的用词很明确,是“楼板开洞”,现在如果把建筑室外部分由拉梁与外墙围成的空间也作为“楼板开洞”,这是任意扩大规范条文的限制范围,是概念错误。
笔者认为规范制定本条的目的是:如果楼板开洞面积过大,将可能影响水平力的传递。如图5所示,为一个工程的部分平面示意。当结构受到地震作用时,水平力将通过楼板传递到两侧的剪力墙。当在图中楼板开洞2时,基本不影响水平力的传递,因此洞口大小可以基本不受限制,只要不影响竖向荷载的安全即可。但如果楼板开洞1时,将影响水平力传递至剪力墙,因此洞口不宜太大,并宜按照“剪摩擦”(Shear friction)方法验算楼板伸入墙内的钢筋,其强度应足以承担水平力,而且钢筋伸入墙内应满足受力锚固的要求。
因此,楼板是否可以开大洞,应视具体情况而定,不能一概而论。开大洞是否对受力有影响,要看开洞的位置是否合适,而且,30%这个限值是否有充分的根据,笔者也表示怀疑。
还有的审图人员将电梯井筒内的楼板开洞,也认为是不利因素,将其开洞面积也计入。事实上,电梯井洞四周的混凝土墙,是能传递水平力的,所以电梯楼板洞口不能算不利因素。楼梯间周围如果有封闭的混凝土墙(墙上可以开洞),也应与未开洞同样对待。
高规第3.4.7条的条文说明:“高层住宅建筑常采用艹字形、井字形平面以利于通风采光,而将楼电梯间集中配置于中央部位。楼电梯间无楼板而使楼面产生较大削弱,此时应将楼电梯间周边的剩余楼板加厚,并加强配筋。外伸部分形成的凹槽可加拉梁或拉板,拉梁宜宽扁放置并加强配筋,拉梁和拉板宜每层均匀设置。”此条文说明也有错误。实际工程中没有设计人员将楼电梯间周边的剩余楼板加厚,并加强配筋。
楼电梯间的四周如有钢筋混凝土墙时,对于力的传递,因为有墙的“补强”,应无影响,可以不必认为是开洞面积。如图6所示,钢梁开洞,用钢板补强,其作用与电梯洞口四周的混凝土墙类似。