關于人民防空地下室無梁樓蓋頂板采用錐形柱帽的分析

江文科

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510000）

近年來，無梁樓蓋結構地下室頂板發生了多起倒塌事故，引起了結構設計行業人士的廣泛關注。地下室頂板荷載情況多較為復雜，園林樹木，景觀假山，覆土變化等荷載等較難真實的反映在計算模型中，導致計算模型與實際使用情況有一定的出入，另外，施工過程中的施工堆載，重型車輛的行駛更是難以預見，給無梁樓蓋結構安全造成較大的威脅。但為何相同條件下，梁板結構卻很少出現倒塌事故？筆者認為這必然有其設計不盡合理的原因，尤其是常用的錐形柱帽（單傾角柱帽）的一些實際工程常規做法，個人認為其難以達到設計的承載力要求，下面我將就人民防空地下室無梁樓蓋頂板采用錐形柱帽與托板柱帽的做法進行對比分析，了解目前錐形柱帽的一些常規做法及其不合理性，并給出解決這些問題的辦法。

1 錐形柱帽與托板柱帽的對比分析

假設某人民防空地下室柱跨8000mm，柱截面均為600mm×600mm，無梁樓蓋板厚300mm，錐形柱帽和托板柱帽均為3000mm×3000mm×500mm，頂板等效靜荷載標準值為55kN/m3，恒載標準值為2kN/m2（不含結構自重），活載標準值為4kN/m2，鋼筋混凝土強度等級為C30，鋼筋等級為HRB400，某結構計算軟件計算得出柱帽施工圖分別如圖1~圖2所示。

圖1 錐形柱帽施工

圖2 托板柱帽施工

從表1得出，錐形柱帽混凝土含量較托板柱帽減少了約60%，鋼筋含量較托板柱帽減少了約63%，其混凝土含量及鋼筋含量均大幅小于托板柱帽。

表1 材料用量對比

下面我們從兩者的柱邊剖面B-B，及柱帽頂部（樓板底部）剖面C-C進行分析。

由圖3、圖4可知，柱邊B-B剖面中，錐形柱帽底部鋼筋數量極少，柱帽混凝土由少量的放射筋及箍筋約束。而托板柱帽混凝土由較密的鋼筋網將混凝土約束。

圖3 錐形柱帽B-B剖面

圖4 托板柱帽B-B剖面

由圖5、圖6可知，柱帽頂部C-C剖面中，錐形柱帽通過4根直徑22鋼筋與頂板連接，兩者連接相當薄弱，尤其在施工過程中，往往先澆筑柱及柱帽部分混凝土至樓板底，然后再澆筑樓板，因此形成的施工冷縫令柱帽與樓板的連接更差。而托板柱帽與頂板由密布鋼筋連接，有效地將柱帽與頂板連接成整體。

圖5 錐形柱帽C-C剖面

圖6 托板柱帽C-C剖面

某結構計算軟件抗沖切驗算結果對比如下：

由圖7、圖8可知，錐形柱帽的受沖切承載力與托板柱帽基本相同。

圖7 錐形柱帽抗沖切驗算結果

圖8 托板柱帽抗沖切驗算結果

通過上述某結構計算軟件計算結果對比，我們發現錐形柱帽相對于托板柱帽，有混凝土含量少、鋼筋含量少、柱帽與樓板連接薄弱，受沖切承載力相同等特點。對于無梁樓蓋而言，柱帽的受沖切承載力非常關鍵，尤其在不設置受沖切鋼筋的情形下，混凝土受沖切承載力的可靠性必須得到保證，因此，柱帽混凝土應有足夠數量鋼筋的約束，否則就如同少筋混凝土一樣，容易開裂失效。

2 錐形柱帽的做法分析

通過上面的分析對比，相對于托板柱帽而言，錐形柱帽更容易出現承載力不足的問題。為解決此問題，首先應增加柱帽底部放射鋼筋的數量，以滿足“柱帽最小配筋率”的構造要求。目前很多人民防空地下室的實際工程中，錐形柱帽的配筋大都沒有“柱帽最小配筋率”這個概念，從而導致某些工程項目錐形柱帽的放射鋼筋數量很少（常見的是8條直徑10mm的放射鋼筋），給工程設計帶來很大的安全隱患。而很多的設計人員認為，柱帽底部為受壓區，對鋼筋的數量沒有要求，這是不正確的，根據《人民防空地下室設計規范（GB 50038—2005）》第4.11.9條：

4.11.9 鋼筋混凝土受彎構件，宜在受壓區配置構造鋼筋，構造鋼筋面積不宜小于受拉鋼筋的最小配筋率；在連續梁支座和框架節點處，且不宜小于受拉主筋面積的1/3。

從上述條文可以看出，對于鋼筋混凝土受彎構件，其受壓區也必須配置足夠的構造鋼筋，這個條文的要求分了兩點：①對所有的鋼筋混凝土受彎構件作了最小配筋率的要求；②對于連續梁及框架節點處，除了宜滿足最小配筋率要求外，尚宜根據其實際配置受拉鋼筋數量的1/3配置受壓區的構造鋼筋。柱帽顯然屬于鋼筋混凝土受彎構件，柱帽底部則屬于受壓區，所以，柱帽底部的配筋必須滿足上述條文的規定。

根據《人民防空地下室設計規范（GB 50038—2005）》第D.3.1條：

D.3.1無梁樓蓋的板內縱向受力鋼筋的配筋率不應小于0.3%和0.45ftd/fyd中的較大值。

從上述條文可以看出，當混凝土強度等級小于C50，且鋼筋強度等級為HRB400時，柱帽底部最小配筋率不宜小于0.3%。

托板柱帽因其是等截面構件，可直接由配筋率乘以其截面尺寸得出所需的鋼筋數量，而錐形柱帽是變截面構件，筆者認為可以按其平均截面高度來確定其截面尺寸，如下圖9中的錐形柱帽柱根處高度為500mm，平均截面高度則為500/2＝250mm，最小配筋率為0.3%，得每沿米配筋為250×1000×0.3%＝750mm2/m，錐帽高為250mm處對應的柱帽寬度為1800mm，則柱帽底部配筋應為750×1.8＝1350mm2，圖9中實配鋼筋為7根16mm鋼筋，則7×201=1470mm2>1350mm2，配筋滿足“柱帽最小配筋率”要求。

圖9 錐形柱帽設置放射鋼筋

需要注意的是，應根據柱的截面尺寸來選擇適當的放射鋼筋數量，放射鋼筋數量越多，在柱范圍交集的鋼筋就會越密，過密則會影響柱的混凝土澆筑質量，所以首先應控制柱范圍鋼筋的疏密程度，在此基礎上再對放射鋼筋的直徑進行選擇，最終滿足“柱帽最小配筋率”的構造要求。

除此以外，也要考慮錐形柱帽的“箍筋”對放射鋼筋的約束能力。柱帽范圍類似于加腋框架梁的支座箍筋加密區，在圖9中，對于大尺寸的柱帽而言，外圍一圈直徑10mm間距100mm的環箍對放射鋼筋的約束能力無疑是相當薄弱的，增大環箍直徑及肢數可以提高環箍對放射鋼筋的約束能力，但由于尺寸過大的問題，增加的環箍長度大，經濟性差，同時施工也較不方便，個人認為可以在錐帽范圍設置適量的拉結筋，由拉結筋來增強對放射鋼筋的約束。另外，在柱邊沖切錐線范圍的拉結筋，對提高柱邊受沖切承載力也有幫助，做法如圖10所示。

3 結語

綜上所述，通過增加錐形柱帽底部放射鋼筋的數量，使其滿足“柱帽配筋率”構造要求，同時在錐帽范圍設置適量的拉結筋，以增強對放射鋼筋的約束，通過這兩項措施可以有效的保證柱帽受壓區承載力的可靠性，增強錐形柱帽與樓板的連接，同時提高柱邊受沖切承載力。

圖10 錐形柱帽設置拉結筋