[分享]无梁楼盖的极限承载比普通梁板结构更高?

发表于2020-09-13     146人浏览     1人跟帖     总热度:452  

无梁楼盖的极限承载比普通梁板结构更高?

转自公众号:土木吧

由于前两年地下车库的工程事故及部分地区政府发文限制使用,最近很少再见到做无梁楼盖的设计。个人觉得无梁楼盖结构是个很好的结构形式,有必要再来写一下无梁楼盖。
无梁楼盖结构传力直接,相同层高的使用净空更高,结构形式比较美观。根据传力路径最短的原则,无梁楼盖较普通梁板结构更为经济一些。同时我认为在设计合理的前提下,无梁楼盖结构的极限承载力应比普通梁板结构更是值得推广的结构形式而不该严格限制。
美国土木工程师罗伯特•马亚尔发明了无梁楼盖和与之配套的蘑菇柱帽,并于1906年第一次在美国芝加哥建成无梁楼盖结构。到今天无梁楼盖也有110多岁了。在上个世纪50年代,我国在北京设计建造了一批冷库也是采用的无梁楼板建筑形式,据说使用至今未发现那批冷库有结构问题。无梁楼盖结构形式被大家广泛关注,源于2017年以来无梁楼盖地下车库的接连坍塌。在微信朋友圈内基本一个月就会爆出某某地下车库无梁楼盖又倒塌了.....山东的无梁楼盖车库,北京的无梁楼盖车库,沧州的无梁楼盖车库,南昌的无梁楼盖地库中山市无梁楼盖地库.......,感觉全国各地的无梁楼盖都在倒塌。
曾经我也怀疑过自己设计的无梁楼盖是否安全?怀疑真的是目前的计算理论有问题么?真的是由不平衡弯矩引起的附加剪力引起的么?....... 。紧张过后静思:无梁楼盖结构100多年了,出了一些工程事故,但是也没有发生最近这几年这样无梁楼盖地下车库接连不断地倒塌的问题。如果真是设计理论有问题,2017年之前设计的无梁楼盖结构为何没有那么多的倒塌?
工程事故之后,应该收集工程信息、总结工程教训,用以指导以后的工程设计,施工,而不是一纸公文全部限制无梁楼盖结构形式的使用
通过网络收集了几个无梁楼盖工程事故的现场照片,部分工程还有的结构图纸。从现场照片来看,几个车库都是仅剩下框架柱立着,顶板部分整个倒塌下来。分析无梁楼盖的破坏形式可以归为两种模式:一种是由于柱边冲切不满足直接引起的冲切破坏(图一所示);另一种是由于柱顶纵筋配置不足,少筋破坏。其破坏机理是先引起柱边受弯裂缝,裂缝深度开展,消弱抗剪截面,最终导致柱边冲切破坏(图二所示)。网上暴出来的工程事故基本都属于第二种,其最终特征是柱头处很干净,完全破坏。

无梁楼盖的极限承载比普通梁板结构更高?_1
图一
无梁楼盖的极限承载比普通梁板结构更高?_2
图二
工程事故分析:(大部分工程缺少工程图纸,仅是凭经验推断)
1. 设计师设计失误。设计师受力概念不清,柱帽处冲切不满足,柱帽底筋比顶部筋还大。如中山倒塌的某项目,柱帽顶部配筋18@200+14@200小于柱帽底部配筋18@100;7.8X8(m)的柱跨,柱帽尺寸仅为1.5X1.5X0.8(m),柱帽边冲切不满足。
2. 柱帽顶部纵筋配置不足。这个可以参见《抗规》6.6.4条要求设置构造暗梁(实际顶部纵筋应该满足计算需要),暗梁宽度可取柱宽+柱两侧各不大于1.5倍板厚范围。暗梁支座上部钢筋面积不小于柱上板带钢筋面积的50%。此条在2014年以前很多设计院均执行此条。个人猜测有可能2014年以前软件计算也偏小了,但是执行此条后,柱帽顶部实际配筋量加大了不少,正好抵消了计算偏小。2016-2017年之间有几个在地产的朋友电话给我,咨询无梁楼盖有柱帽要不要设构造暗梁,我都强调不是构造设置的暗梁,而是要满足计算需要设置。猜测有部分工程可能是仅仅构造设置了暗梁,而由于平法图集中板内钢筋在暗梁范围内是不设置的。由此可能造成设置了构造暗梁范围内柱帽顶筋比计算需要小很多。
3. 柱帽顶部配筋方式改变。最近几年无梁楼盖的柱帽配筋方式由以前的“暗梁+柱上板带”的方式改为柱上板带宽度内均布配筋。网上暴出的车库结构图可以看到采用的就是均布配筋方式。均布配筋导致柱帽范围内总的配筋量虽不少,但是在柱宽及两侧各1.5倍板厚范围内的配筋量会偏小很多。此条跟有些软件网格剖分大小对柱周围计算结果影响较大有关,有些设计师可能会采用比较大的有限元网格剖分计算,同时又舍弃柱顶弯矩极值点的计算结果。由此会造成柱顶一定区域内纵筋配置偏小很多。
4. 成本控制因素。在2014年之前很少有地产公司去优化(扣钢筋),即使有也是去优化大家熟悉的结构形式。对于好多人不熟悉的无梁楼盖结构无人优化。所以前几年设计人员一般配筋会预留较多的安全储备,对于受力最不利的柱帽处安全储备会更大一点。2014年前后国内出现了一大批“优化公司”,猜测对于无梁楼盖也开始优化了,优化公司的扩张导致优化人员水平良莠不齐。由于优化所处角色不同,有些优化师会指导或者说强迫设计师,按他们的要求严格取值车库顶板荷载(如车库覆土容重只能按18考虑),设计荷载没有富裕或者比后期实际的堆载还小,同时要求完全按软件计算结果配筋,不预留富裕。曾听说有优化公司为了节省混凝土,柱帽尺寸要按冲切比接近1.0设计。前几年设计预留的安全度被优化掉了,甚至出现后期实际超载情况。无梁楼盖结构形式确实经济,不过被优化过度了。
5. 倒塌的工程项目均未考虑防倒塌设计。参见《抗规》6.6.4条中第3条。沿两个主轴方向通过柱截面的板底连续钢筋的总截面面积ANg/fy。如果倒塌的车库执行了此条,即使车库顶板破坏也不至于完全倒塌下来。
6. 有可能有些软件在柱帽顶部纵筋计算偏小了。这个可以见佳构软件对工程事故分析。倒塌的那些车库这条不是主要因素,即使计算结果偏小30%左右,也不至于在还没有达到设计荷载时就直接倒塌了。毕竟设计还有一堆安全系数。
由以上6点分析,人的因素,软件因素,配筋方式、经济因素等的叠加可能共同造成了工程事故的发生。我觉得还是人的因素最关键,设计师(或者结构优化师)没有完全理解板式楼盖受力特点,没有从概念设计出发,对受冲切及受弯均很有利的柱帽采取加强措施,而是直接连关键部位截面及配筋也给优化掉了。
无梁楼盖结构破坏模型: 
从无梁楼板结构的破坏模式及破坏机理分析一下,以下来自混凝土教科书,此模式应是截面设计及配筋均比较合理的情况下 。在均布荷载作用下,无梁楼盖在开裂前基本处于弹性工作阶段。随着荷载增加,在柱帽顶面出现裂缝,继续加载,在柱帽顶面边缘板上出现沿柱列轴线的裂缝,随着荷载增加,板顶裂缝继续不断发展,进而在板底l/3跨中出现板底裂缝。即将破坏时,板顶及板底裂缝均出现特别大的主裂缝。受拉钢筋屈服,受压混凝土达到极限压应变。
由以上破坏模型可以总结,受力最不利处在于柱帽处,冲切及受弯均最不利。最先出现裂缝也在柱帽处。

无梁楼盖的极限承载比普通梁板结构更高?_3
   关于无梁楼盖设计的建议:
1. 受荷时一定要设置柱帽,尽量降低柱帽周围的应力水平。建议完全采用混凝土抵抗冲切,并预留适当的冲切安全储备。其次考虑设置抗剪栓钉抗冲切,至于箍筋及弯起钢筋抗冲切不建议采用。设计时要考虑不平衡弯矩引起的附加剪应力影响。关于柱帽尺寸问题,有些书上有限制条件,个人觉得满足计算及结构概念需要。不必遵守执行。毕竟不设柱帽都可以做,设了柱帽之后还要满足一堆要求不合理。
2. 柱帽顶部纵筋要预留适当的安全储备,特别是在柱宽+两侧各1.5倍板厚范围内配筋。建议执行《抗规》6.6.4条中第1条有关规定。特别是加大柱顶一定区域内纵筋配置量,而不是仅仅设置构造暗梁。
3. 按《抗规》6.6.4条中第3条进行防倒塌设计。沿两个主轴方向通过柱截面的板底连续钢筋的总截面面积ANg/fy。此条是结构的最后一道保障。
关于无梁楼盖柱跨问题及对受荷要求均匀。有些书规定最少3跨;各跨跨度差异不大于20%;各跨荷载要均匀。个人觉得那个是经验系数法的要求,目前计算可以不考虑;关于有些人认为采用弹性理论设计无梁楼盖算法有问题,个人觉得目前结构力学计算都是弹性理论的。钢筋混凝土结构在钢筋未屈服之前,还是基本处于弹性状态的个人觉得弹性理论计算可行。
对无梁楼盖结构极限承载的推论:
无梁楼盖结构与一般梁板结构的主要区别是楼面荷载由板直接传至墙,相对于梁板结构而言这种结构形式传力更直接传力路径也更短;同时由于在柱周边设置厚度较大的柱帽,能有效降低柱周边的应力水平。如下图就是设置柱帽与梁板结构的应力图。

无梁楼盖的极限承载比普通梁板结构更高?_4
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如上图所示,相同荷载、相同跨度的情况下,通过增设柱帽,柱周边柱帽应力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。梁板结构柱顶处应力基本是无梁楼盖的2 -3倍的关系。由此推断,在设计合理前提下,无梁楼盖结构的极限承载力应较普通梁板结构更高。
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 发表于2020-09-13   |  只看该作者      

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无梁楼盖的极限承载高,瑜能掩瑕?

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