財經 北京新浪網 無樑樓蓋地庫坍塌!可能不是因為這種結構本身!

無樑樓蓋地庫坍塌!可能不是因為這種結構本身!

    由於前兩年地下車庫的工程事故及部分地區政府發文限制使用,最近很少再見到做無樑樓蓋的設計。個人覺得無樑樓蓋結構是個很好的結構形式,有必要再來寫一下無樑樓蓋。

無樑樓蓋結構傳力直接,相同層高下的使用凈空更高,結構形式比較美觀。根據傳力路徑最短的原則,無樑樓蓋較普通梁板結構更為經濟一些。同時我認為在設計合理的前提下,無樑樓蓋結構的極限承載力應比普通梁板結構更高,是值得推廣的結構形式而不該被嚴格限制。

美國土木工程師羅伯特•馬亞爾發明了無樑樓蓋和與之配套的蘑菇柱帽,並於1906年第一次在美國芝加哥建成無樑樓蓋結構。到今天無樑樓蓋也有110多歲了。在上個世紀50年代,中國在北京設計建造了一批冷庫也是採用的無梁樓板建築形式,據說使用至今未發現那批冷庫有結構問題。無樑樓蓋結構形式被大家廣泛關注,源於2017年以來無樑樓蓋地下車庫的接連坍塌。在微信朋友圈內基本一個月就會爆出某某地下車庫無樑樓蓋又倒塌了.....山東的無樑樓蓋車庫,北京的無樑樓蓋車庫,滄州的無樑樓蓋車庫,南昌的無樑樓蓋地庫,中山市無樑樓蓋地庫.......,感覺全國各地的無樑樓蓋都在倒塌。

曾經我也懷疑過自己設計的無樑樓蓋是否安全?懷疑真的是目前的計算理論有問題嗎?真的是由不平衡彎矩引起的附加剪力引起的嗎?....... 。緊張過後靜思:無樑樓蓋結構做了100多年了,出了一些工程事故,但是也沒有發生最近這幾年這樣無樑樓蓋地下車庫接連不斷地倒塌的問題。如果真是設計理論有問題,2017年之前設計的無樑樓蓋結構為何沒有那麼多的倒塌?

工程事故之後,應該收集工程信息、總結工程教訓,用以指導以後的工程設計,施工,而不是一紙公文全部限制無樑樓蓋結構形式的使用。

通過網路收集了幾個無樑樓蓋工程事故的現場照片,部分工程還有的結構圖紙。從現場照片來看,幾個車庫都是僅剩下框架柱立著,頂板部分整個倒塌下來。分析無樑樓蓋的破壞形式可以歸為兩種模式:一種是由於柱邊沖切不滿足直接引起的沖切破壞(圖一所示);另一種是由於柱頂縱筋配置不足,少筋破壞。其破壞機理是先引起柱邊受彎裂縫,裂縫深度開展,消弱抗剪截面,最終導致柱邊沖切破壞(圖二所示)。網上暴出來的工程事故基本都屬於第二種,其最終特徵是柱頭處很乾凈,完全破壞。

圖一

圖二

工程事故分析:(大部分工程缺少工程圖紙,僅是憑經驗推斷)

1. 設計師設計失誤。設計師受力概念不清,柱帽處沖切不滿足,柱帽底筋比頂部筋還大。如中山倒塌的某項目,柱帽頂部配筋18@200+14@200小於柱帽底部配筋18@100;7.8X8(m)的柱跨,柱帽尺寸僅為1.5X1.5X0.8(m),柱帽邊沖切不滿足。

2. 柱帽頂部縱筋配置不足。這個可以參見《抗規》6.6.4條,要求設置構造暗梁(實際頂部縱筋應該滿足計算需要),暗梁寬度可取柱寬+柱兩側各不大於1.5倍板厚範圍。暗梁支座上部鋼筋面積不小於柱上板帶鋼筋面積的50%。此條在2014年以前很多設計院均執行此條。個人猜測有可能2014年以前軟體計算也偏小了,但是執行此條後,柱帽頂部實際配筋量加大了不少,正好抵消了計算偏小。2016-2017年之間有幾個在地產的朋友電話給我,諮詢無樑樓蓋有柱帽要不要設構造暗梁,我都強調不是構造設置的暗梁,而是要滿足計算需要設置。猜測有部分工程可能是僅僅構造設置了暗梁,而由於平法圖集中板內鋼筋在暗梁範圍內是不設置的。由此可能造成設置了構造暗梁範圍內柱帽頂筋比計算需要小很多。

3. 柱帽頂部配筋方式改變。最近幾年無樑樓蓋的柱帽配筋方式由以前的「暗梁+柱上板帶」的方式改為柱上板帶寬度內均布配筋。網上暴出的車庫結構圖可以看到採用的就是均布配筋方式。均布配筋導致柱帽範圍內總的配筋量雖不少,但是在柱寬及兩側各1.5倍板厚範圍內的配筋量會偏小很多。此條跟有些軟體網格剖分大小對柱周圍計算結果影響較大有關,有些設計師可能會採用比較大的有限元網格剖分計算,同時又捨棄柱頂彎矩極值點的計算結果。由此會造成柱頂一定區域內縱筋配置偏小很多。

4. 成本控制因素。在2014年之前很少有地產公司去優化(扣鋼筋),即使有也是去優化大家熟悉的結構形式。對於好多人不熟悉的無樑樓蓋結構無人優化。所以前幾年設計人員一般配筋會預留較多的安全儲備,對於受力最不利的柱帽處安全儲備會更大一點。2014年前後國內出現了一大批「優化公司」,猜測對於無樑樓蓋也開始優化了,優化公司的擴張導致優化人員水平良莠不齊。由於優化所處角色不同,有些優化師會指導或者說強迫設計師,按他們的要求嚴格取值車庫頂板荷載(如車庫覆土容重只能按18考慮),設計荷載沒有富裕或者比後期實際的堆載還小,同時要求完全按軟體計算結果配筋,不預留富裕。曾聽說有優化公司為了節省混凝土,柱帽尺寸要按沖切比接近1.0設計。前幾年設計預留的安全度被優化掉了,甚至出現後期實際超載情況。無樑樓蓋結構形式確實是經濟,不過被優化過度了。

5. 倒塌的工程項目均未考慮防倒塌設計。參見《抗規》6.6.4條中第3條。沿兩個主軸方向通過柱截面的板底連續鋼筋的總截面面積A≥Ng/fy。如果倒塌的車庫執行了此條,即使車庫頂板破壞也不至於完全倒塌下來。

6. 有可能有些軟體在柱帽頂部縱筋計算偏小了。這個可以見佳構軟體對工程事故分析。倒塌的那些車庫這條不是主要因素,即使計算結果偏小30%左右,也不至於在還沒有達到設計荷載時就直接倒塌了。畢竟設計還有一堆安全係數。

由以上6點分析,人的因素,軟體因素,配筋方式、經濟因素等的疊加可能共同造成了工程事故的發生。我覺得還是人的因素最關鍵,設計師(或者結構優化師)沒有完全理解板式樓蓋受力特點,沒有從概念設計出發,對受沖切及受彎均很有利的柱帽採取加強措施,而是直接連關鍵部位截面及配筋也給優化掉了。

無樑樓蓋結構破壞模型:

從無梁樓板結構的破壞模式及破壞機理分析一下,以下來自混凝土教科書,此模式應是截面設計及配筋均比較合理的情況下。在均布荷載作用下,無樑樓蓋在開裂前基本處於彈性工作階段。隨著荷載增加,在柱帽頂面出現裂縫,繼續載入,在柱帽頂面邊緣板上出現沿柱列軸線的裂縫,隨著荷載增加,板頂裂縫繼續不斷發展,進而在板底l/3跨中出現板底裂縫。即將破壞時,板頂及板底裂縫均出現特別大的主裂縫。受拉鋼筋屈服,受壓混凝土達到極限壓應變。

由以上破壞模型可以總結,受力最不利處在於柱帽處,沖切及受彎均最不利。最先出現裂縫也在柱帽處。

關於無樑樓蓋設計的建議:

1. 受荷時一定要設置柱帽,盡量降低柱帽周圍的應力水平。建議完全採用混凝土抵抗沖切,並預留適當的沖切安全儲備。其次考慮設置抗剪栓釘抗沖切,至於箍筋及彎起鋼筋抗沖切不建議採用。設計時要考慮不平衡彎矩引起的附加剪應力影響。關於柱帽尺寸問題,有些書上有限制條件,個人覺得滿足計算及結構概念需要。不必遵守執行。畢竟不設柱帽都可以做,設了柱帽之後還要滿足一堆要求不合理。

2. 柱帽頂部縱筋要預留適當的安全儲備,特別是在柱寬+兩側各1.5倍板厚範圍內配筋。建議執行《抗規》6.6.4條中第1條有關規定。特別是加大柱頂一定區域內縱筋配置量,而不是僅僅設置構造暗梁。

3. 按《抗規》6.6.4條中第3條進行防倒塌設計。沿兩個主軸方向通過柱截面的板底連續鋼筋的總截面面積A≥Ng/fy。此條是結構的最後一道保障。

關於無樑樓蓋柱跨問題及對受荷要求均勻。有些書規定最少3跨;各跨跨度差異不大於20%;各跨荷載要均勻。個人覺得那個是經驗係數法的要求,目前計算可以不考慮;關於有些人認為採用彈性理論設計無樑樓蓋演算法有問題,個人覺得目前結構力學計算都是彈性理論的。鋼筋混凝土結構在鋼筋未屈服之前,還是基本處於彈性狀態的,個人覺得彈性理論計算可行。

對無樑樓蓋結構極限承載的推論:

無梁樓蓋結構與一般梁板結構的主要區別是:樓面的荷載由板直接傳至牆柱,相對於梁板結構而言這種結構形式傳力更直接,傳力路徑也更短;同時由於在柱周邊設置厚度較大的柱帽,能有效降低柱周邊的應力水平。如下圖就是設置柱帽與梁板結構的應力圖。

如上圖所示,相同荷載、相同跨度的情況下,通過增設柱帽,柱周邊柱帽應力相對梁板結構中的梁應力水平小很多。跨中應力水平也較梁板結構小很多。梁板結構柱頂處應力基本是無樑樓蓋的2 -3倍的關係。由此推斷,在設計合理前提下,無樑樓蓋結構的極限承載力應較普通梁板結構更高。

來源:土木吧(ID:tumubar ),作者:吳述明(河南省城鄉規劃設計研究總院有限公司);轉載已獲授權,對原作者表示感謝。

本文來自微信公眾號「明源地產研究院」