無梁樓蓋坍塌原因分析與對(duì)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(jì)南 250031；2.山東省建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司，山東 濟(jì)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(jiǎn)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(diǎn)，用于地下車庫、倉庫、商場(chǎng)等時(shí)，其綜合經(jīng)濟(jì)性比傳統(tǒng)梁板結(jié)構(gòu)有很大優(yōu)勢(shì)［1］（見圖 1）。無梁樓蓋體系傳力途徑簡(jiǎn)潔直接，所以在滿足同樣設(shè)計(jì)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(guó)北京、南昌、中山、煙臺(tái)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(diǎn)位置抗沖切承載力小于沖切力造成的（見圖 4）。而對(duì)于造成坍塌的深層次原因，筆者進(jìn)行了以下分析。

圖2 無梁樓蓋坍塌現(xiàn)場(chǎng)

圖3 破壞圖片

圖4 沖切破壞示意圖

1.1 規(guī)范與設(shè)計(jì)方面

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

1）我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］，計(jì)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(jì)算截面周長(zhǎng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；um為距柱邊 h0處截面周長(zhǎng)，mm。

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

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

4）美國(guó)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(jì)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(zhǎng)短邊之比；αc為與柱位置有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于中柱，取 αc=40；fc＇為混凝土抗壓強(qiáng)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(zhǎng)，in。

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

表1 各類規(guī)范計(jì)算沖切承載力時(shí)考慮的影響因素

從以上對(duì)比可以看出，由于各國(guó)對(duì)混凝土板沖切破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)不同，對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)確定方法不盡相同，4 種規(guī)范板沖切表達(dá)式也不相同。在未配置抗沖切鋼筋時(shí)，4 種規(guī)范計(jì)算的抗沖切承載力最大相差可達(dá)50 %。相對(duì)而言，我國(guó)規(guī)范計(jì)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(jì)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(guó)在內(nèi)，各國(guó)公式中無梁樓蓋受力時(shí)抗沖切的公式均為純沖切條件下的承載力。而在實(shí)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(shí)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(shí)，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(dá)到極限拉應(yīng)變時(shí)，鋼筋應(yīng)力僅約 28 MPa。考慮到混凝土未開裂時(shí)受拉區(qū)的貢獻(xiàn)，混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變時(shí)，無梁樓蓋頂部受彎承載力僅發(fā)揮到設(shè)計(jì)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(dá)到 30 % 以上時(shí)，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(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［8］中，擬規(guī)定對(duì)板柱結(jié)構(gòu)柱頂區(qū)域的承載力進(jìn)行評(píng)定時(shí)，使用現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的抗沖切的公式，宜按下列規(guī)定進(jìn)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(dá)到抗彎承載力的 90 % 時(shí)，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(dá)到抗彎承載力的 50 % 時(shí)，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(shí)，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(píng)價(jià)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(jì)時(shí)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(diǎn)很難出現(xiàn)真正的對(duì)稱荷載，板柱節(jié)點(diǎn)既傳遞剪力也傳遞不平衡彎矩。板柱節(jié)點(diǎn)傳遞不平衡彎矩時(shí)，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(duì)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(jì)規(guī)范》附錄 F 中，列入了不平衡彎矩計(jì)算方法，應(yīng)該引起廣大設(shè)計(jì)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(diǎn)混凝土較厚，施工時(shí)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(shí)澆筑，有水平施工縫或疊合面，造成局部薄弱區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)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(shí)

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(shí)施工時(shí)，施工人員在澆筑面振搗時(shí)，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(shí)，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(cè)，有一半左右的混凝土不密實(shí)，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(shí)區(qū)

1.4.3 堆土施工荷載

施工方面的另一個(gè)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(jì)值、堆土厚度不均勻、施工機(jī)械過重等問題。

車庫頂部臨時(shí)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(jī)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(cè)時(shí)還發(fā)現(xiàn)，相關(guān)單位僅從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，覆土施工一般采用重車運(yùn)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(jìn)行覆土施工，估算的車輛總重遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)荷載。

圖9 車庫堆土施工

圖10 某車庫重車施工情況

2 對(duì)策

2.1 建設(shè)單位

工程事故的發(fā)生，將對(duì)建設(shè)單位產(chǎn)生巨大的影響。筆者檢測(cè)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(jī)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(fèi)用，不應(yīng)僅僅將進(jìn)度和造價(jià)作為評(píng)判設(shè)計(jì)單位和施工單位的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，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(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)單位應(yīng)充分考慮景觀覆土、施工車輛等荷載，在設(shè)計(jì)文件中對(duì)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(qiáng)對(duì)無梁樓蓋承載力的復(fù)核，特別是荷載不均勻分布時(shí)的沖切承載力驗(yàn)算，適當(dāng)加大冗余度。

設(shè)計(jì)單位還要做好施工交底工作，保證設(shè)計(jì)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(huì)設(shè)計(jì)文件中覆土荷載的規(guī)定，嚴(yán)格控制覆土厚度和運(yùn)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(shí)際荷載超過設(shè)計(jì)荷載時(shí)，應(yīng)聯(lián)系設(shè)計(jì)單位復(fù)核，必要時(shí)在樓蓋下方增設(shè)臨時(shí)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(diǎn)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(shí)，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(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)、歐盟、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的抗沖切計(jì)算公式發(fā)現(xiàn)，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)抗沖切計(jì)算結(jié)果居于 4 種標(biāo)準(zhǔn)的中間水平，與美國(guó) ACI 標(biāo)準(zhǔn)較為接近。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系中，對(duì)無梁樓蓋的計(jì)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(shí)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(jì)時(shí)和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)承載力時(shí)均應(yīng)予充分考慮。設(shè)計(jì)單位應(yīng)該把結(jié)構(gòu)選型、柱帽形式、荷載計(jì)算、技術(shù)交底等方面的工作做扎實(shí)。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(shí)，可能有二次澆筑、澆筑不密實(shí)，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(shí)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(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。施工單位應(yīng)該做好領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖、制定合理施工方案、控制施工荷載等方面的工作。