無梁樓蓋坍塌原因分析與對策

成 勃，姜麗萍

（1.山東省建筑科學(xué)研究院有限公司，山東 濟南 250031；2.山東省建筑工程質(zhì)量檢驗檢測中心有限公司，山東 濟南 250031）

0 引言

無梁樓蓋體系是一種不設(shè)主次梁，將樓板支承在柱上，樓面荷載直接通過柱子傳至基礎(chǔ)的板柱結(jié)構(gòu)體系。

無梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系具有傳力途徑簡潔直接、凈空利用率高、造型美觀、有利于通風(fēng)、便于布置管線和施工的優(yōu)點，用于地下車庫、倉庫、商場等時，其綜合經(jīng)濟性比傳統(tǒng)梁板結(jié)構(gòu)有很大優(yōu)勢［1］（見圖 1）。無梁樓蓋體系傳力途徑簡潔直接，所以在滿足同樣設(shè)計安全度的基礎(chǔ)上，其抗垮塌冗余度沒有普通梁板結(jié)構(gòu)大，延性稍差。這種條件下，破壞經(jīng)常是突發(fā)性的，沒有預(yù)警期。近年來我國北京、南昌、中山、煙臺等地發(fā)生了多起無梁樓蓋體系坍塌事故。

圖1 無梁樓蓋體系示意圖

1 坍塌原因分析

通過跟蹤近幾年的無梁樓蓋坍塌事故，觀察這些事故的破壞狀態(tài)（見圖 2～3），無梁樓蓋體系坍塌的直接原因，主要是柱帽節(jié)點位置抗沖切承載力小于沖切力造成的（見圖 4）。而對于造成坍塌的深層次原因，筆者進行了以下分析。

圖2 無梁樓蓋坍塌現(xiàn)場

圖3 破壞圖片

圖4 沖切破壞示意圖

1.1 規(guī)范與設(shè)計方面

關(guān)于混凝土柱帽抗沖切力 FRd，c計算，我國、德國、歐洲、美國等各國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范分別規(guī)定如下。

1）我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［2］，計算方法如式（1）所示。

式中：βh為截面高度 h0影響系數(shù)；η 為與作用面積形狀、計算截面周長與有效高度之比等有關(guān)的影響系數(shù)；ft為混凝土抗拉強度設(shè)計值，MPa；um為距柱邊 h0處截面周長，mm。

2）德國標(biāo)準(zhǔn) DN 1045-1《Tragwerke aus Beton，Stahbeton und Spannbeton，Teil 1：Bemessung und Konstruktion》［3］，計算方法如式（2）所示。

3）歐洲標(biāo)準(zhǔn)《Eurocode 2 Design of concrete structures，Part 1：General rules and rules for buildings》EN 1992-2［4］，計算方法如式（3）所示。

式中：τRd為混凝土抗剪強度，MPa；其余參數(shù)含義與 DN 1045－1 相同，計算方法略有差別。

4）美國標(biāo)準(zhǔn) AC I 318-0 2《B u i ld i ng C o d e Requirements for Structural Concrete and the commentary》［5］，計算方法如式（4）所示。板的抗沖切承載力由下列三式中的最小值確定。

式中：φ 為承載能力降低系數(shù)，φ=0.85；βc為柱長短邊之比；αc為與柱位置有關(guān)的系數(shù)，對于中柱，取 αc=40；fc＇為混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值（直徑150mm、高300mm圓柱體），psi；um為距柱邊 0.5 h0處截面周長，in。

表 1 總結(jié)了 4 種規(guī)范在不考慮沖切鋼筋時的沖切承載力影響因素，圖 5 對比了板抗沖切承載力設(shè)計值［6］。

表1 各類規(guī)范計算沖切承載力時考慮的影響因素

從以上對比可以看出，由于各國對混凝土板沖切破壞機理的認(rèn)識不同，對混凝土強度等級確定方法不盡相同，4 種規(guī)范板沖切表達式也不相同。在未配置抗沖切鋼筋時，4 種規(guī)范計算的抗沖切承載力最大相差可達50 %。相對而言，我國規(guī)范計算的抗沖切承載力結(jié)果，與其它規(guī)范相比，處于中間水平。

圖5 板抗沖切承載力設(shè)計值比較（不考慮沖切鋼筋）

1.2 彎剪應(yīng)力疊加區(qū)域

包括我國在內(nèi)，各國公式中無梁樓蓋受力時抗沖切的公式均為純沖切條件下的承載力。而在實際工程中，板柱結(jié)構(gòu)的柱頂區(qū)域除剪切力外，還有較大的彎矩。

柱帽頂部（圖 5 中圓圈部位）同時受到彎曲和沖切作用，彎剪應(yīng)力疊加，局部彈塑性發(fā)展較為充分。

圖5 柱帽受力示意圖

《鋼筋混凝土原理和分析》［7］指出，混凝土極限拉應(yīng)變約為 70～140 με。在未開裂時，混凝土與其握裹的鋼筋具有相同的應(yīng)變，由此推算，混凝土達到極限拉應(yīng)變時，鋼筋應(yīng)力僅約 28 MPa?？紤]到混凝土未開裂時受拉區(qū)的貢獻，混凝土達到極限拉應(yīng)變時，無梁樓蓋頂部受彎承載力僅發(fā)揮到設(shè)計承載力的 20 %～30 %。

隨著彎矩繼續(xù)增加，混凝土開裂，鋼筋承擔(dān)所有拉力，應(yīng)變迅速增大。可以認(rèn)為受彎承載力達到 30 % 以上時，在板中性軸以上部分已開裂，開裂部分不再承擔(dān)沖切荷載，沖切面大幅度減小（見圖 6）。

正在修訂的 GB 50344－2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［8］中，擬規(guī)定對板柱結(jié)構(gòu)柱頂區(qū)域的承載力進行評定時，使用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的抗沖切的公式，宜按下列規(guī)定進行折減。

圖6 板頂裂縫與沖切面的關(guān)系

1）當(dāng)柱頂區(qū)域的彎矩達到抗彎承載力的 90 % 時，沖切承載力的折減系數(shù)宜≤ 0.4；

2）當(dāng)柱頂區(qū)域的彎矩達到抗彎承載力的 50 % 時，沖切承載力的折減系數(shù)宜≤ 0.8；

3）當(dāng)柱頂區(qū)域的彎矩介于抗彎承載力的 50 % 至90 % 之間時，沖切承載力的折減系數(shù)可采用線性插值的方法確定。

以上折減考慮了柱頂彎剪共同影響作用，有利于正確評價無梁樓蓋體系的沖切承載力，保證結(jié)構(gòu)安全。

1.3 不平衡彎矩影響

堆土荷載作為恒荷載，正常設(shè)計時一般僅考慮均勻布置，不考慮間隔跨布置、局部堆土、車輛荷載等不均勻荷載。由于各種因素的影響，板柱節(jié)點很難出現(xiàn)真正的對稱荷載，板柱節(jié)點既傳遞剪力也傳遞不平衡彎矩。板柱節(jié)點傳遞不平衡彎矩時，其受力特征及破壞形態(tài)更為復(fù)雜，柱帽中產(chǎn)生較高的剪應(yīng)力，增大了柱帽發(fā)生脆性沖切破壞的可能性。

板柱結(jié)構(gòu)對不均勻荷載較為敏感，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力弱［9］。在 GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄 F 中，列入了不平衡彎矩計算方法，應(yīng)該引起廣大設(shè)計人員的重視。

1.4 施工方面

1.4.1 混凝土二次澆筑

板柱節(jié)點混凝土較厚，施工時如果不做特殊要求，很容易出現(xiàn)二次澆筑的情況，即樓板與柱帽不同時澆筑，有水平施工縫或疊合面，造成局部薄弱區(qū)?，F(xiàn)場檢測時發(fā)現(xiàn)有柱頭接茬處裂縫，甚至有芯樣顯示，該處柱頭頂板與托板分離，接茬處光滑平整（見圖 7）。

1.4.2 混凝土澆筑不密實

圖7 柱帽接茬裂縫或結(jié)合不好

柱帽處混凝土較厚，柱帽與現(xiàn)澆板同時施工時，施工人員在澆筑面振搗時，如不能準(zhǔn)確辨別柱帽和普通混凝土板的位置，則容易造成柱帽處振搗不到位的情況。在事故調(diào)查時，筆者即發(fā)現(xiàn)了這樣的問題（見圖 8）。該工程柱帽厚度 800 mm，經(jīng)鉆芯法檢測，有一半左右的混凝土不密實，極大地削弱了柱帽抗沖切面，降低了抗沖切承載力。

圖8 柱帽混凝土不密實區(qū)

1.4.3 堆土施工荷載

施工方面的另一個問題，是堆土施工荷載過大。這主要體現(xiàn)在施工堆土厚度超過設(shè)計值、堆土厚度不均勻、施工機械過重等問題。

車庫頂部臨時堆土高度情況（見圖 9），不僅各處堆土高度不均勻，還有大型施工機械隨處停放，由此帶來的不平衡彎矩又增大了柱帽處的剪力。

檢測時還發(fā)現(xiàn)，相關(guān)單位僅從經(jīng)濟角度出發(fā)，覆土施工一般采用重車運土，而不考慮結(jié)構(gòu)承載能力。圖 10為某車庫坍塌前監(jiān)控資料，顯示有多輛重車在車庫頂進行覆土施工，估算的車輛總重遠超設(shè)計荷載。

圖9 車庫堆土施工

圖10 某車庫重車施工情況

2 對策

2.1 建設(shè)單位

工程事故的發(fā)生，將對建設(shè)單位產(chǎn)生巨大的影響。筆者檢測的若干工程中，建設(shè)單位面臨業(yè)主要求退房和支付違約金、銷售業(yè)績下滑等諸多困難。

為保證工程質(zhì)量和安全，建設(shè)單位應(yīng)該接受合理的建設(shè)周期和建設(shè)費用，不應(yīng)僅僅將進度和造價作為評判設(shè)計單位和施工單位的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)計單位

2.2.1 結(jié)構(gòu)選型

無梁樓蓋體系延性差、冗余度小，發(fā)生的沖切破壞屬于脆性破壞，建議在結(jié)構(gòu)選型時優(yōu)先選用梁板體系。

如確需選用無梁樓蓋體系，則宜采取設(shè)置暗梁、配置箍筋、彎起鋼筋或抗剪鍵等辦法提高結(jié)構(gòu)冗余度［10］。

2.2.2 上翻式柱帽

當(dāng)選用無梁樓蓋體系時，可考慮采取上翻式柱帽形式，使彎曲應(yīng)力和沖切作用分別作用于基礎(chǔ)的上下兩部分（見圖 11 圓圈），以減小彎剪疊加問題。

圖11 上翻式柱帽彎剪應(yīng)力位置關(guān)系

2.2.3 設(shè)計計算

設(shè)計單位應(yīng)充分考慮景觀覆土、施工車輛等荷載，在設(shè)計文件中對地下室頂板覆土?xí)r的施工總荷載和荷載的均勻性提出要求。

要加強對無梁樓蓋承載力的復(fù)核，特別是荷載不均勻分布時的沖切承載力驗算，適當(dāng)加大冗余度。

設(shè)計單位還要做好施工交底工作，保證設(shè)計思路在施工過程中不發(fā)生偏差。

2.3 施工單位

施工單位應(yīng)認(rèn)真領(lǐng)會設(shè)計文件中覆土荷載的規(guī)定，嚴(yán)格控制覆土厚度和運輸車輛荷載，車輛應(yīng)嚴(yán)格遵守圖紙中的交通流線，不得隨意停放，避免局部大量超載。

施工過程中，當(dāng)實際荷載超過設(shè)計荷載時，應(yīng)聯(lián)系設(shè)計單位復(fù)核，必要時在樓蓋下方增設(shè)臨時支撐。

地下室頂板覆土開始以后，將難以發(fā)現(xiàn)板柱節(jié)點區(qū)域發(fā)生開裂等破壞現(xiàn)象，不能做到有效預(yù)警。因此，在覆土施工時，應(yīng)嚴(yán)格禁止地下室內(nèi)部作業(yè)。

3 結(jié)論

通過比較我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與美國、歐盟、德國標(biāo)準(zhǔn)的抗沖切計算公式發(fā)現(xiàn)，我國標(biāo)準(zhǔn)抗沖切計算結(jié)果居于 4 種標(biāo)準(zhǔn)的中間水平，與美國 ACI 標(biāo)準(zhǔn)較為接近。我國標(biāo)準(zhǔn)體系中，對無梁樓蓋的計算方法是可行的。

無梁樓蓋在受力過程中，不止受沖切作用，還同時承受彎矩作用，甚至還有不平衡彎矩，柱帽頂部彎剪區(qū)受力比較復(fù)雜，設(shè)計時和評價結(jié)構(gòu)承載力時均應(yīng)予充分考慮。設(shè)計單位應(yīng)該把結(jié)構(gòu)選型、柱帽形式、荷載計算、技術(shù)交底等方面的工作做扎實。其中，上翻式柱帽可有效減小彎剪應(yīng)力的共同作用，在無梁樓蓋體系中可以優(yōu)先采用。

無梁樓蓋施工時，可能有二次澆筑、澆筑不密實，以及后期堆土荷載過多、堆土不均勻等情況。施工縫接茬和混凝土不密實均將大幅度降低柱帽抗沖切承載力，后期荷載過大和不均勻則將提高作用效應(yīng)，均會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。施工單位應(yīng)該做好領(lǐng)會設(shè)計意圖、制定合理施工方案、控制施工荷載等方面的工作。