无梁楼盖坍塌原因分析与对策

成 勃，姜丽萍

（1.山东省建筑科学研究院有限公司，山东 济南 250031；2.山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司，山东 济南 250031）

0 引言

无梁楼盖体系是一种不设主次梁，将楼板支承在柱上，楼面荷载直接通过柱子传至基础的板柱结构体系。

无梁楼盖结构体系具有传力途径简洁直接、净空利用率高、造型美观、有利于通风、便于布置管线和施工的优点，用于地下车库、仓库、商场等时，其综合经济性比传统梁板结构有很大优势［1］（见图 1）。无梁楼盖体系传力途径简洁直接，所以在满足同样设计安全度的基础上，其抗垮塌冗余度没有普通梁板结构大，延性稍差。这种条件下，破坏经常是突发性的，没有预警期。近年来我国北京、南昌、中山、烟台等地发生了多起无梁楼盖体系坍塌事故。

图1 无梁楼盖体系示意图

1 坍塌原因分析

通过跟踪近几年的无梁楼盖坍塌事故，观察这些事故的破坏状态（见图 2～3），无梁楼盖体系坍塌的直接原因，主要是柱帽节点位置抗冲切承载力小于冲切力造成的（见图 4）。而对于造成坍塌的深层次原因，笔者进行了以下分析。

图2 无梁楼盖坍塌现场

图3 破坏图片

图4 冲切破坏示意图

1.1 规范与设计方面

关于混凝土柱帽抗冲切力 FRd，c计算，我国、德国、欧洲、美国等各国混凝土结构设计规范分别规定如下。

1）我国国家标准 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》［2］，计算方法如式（1）所示。

式中：βh为截面高度 h0影响系数；η 为与作用面积形状、计算截面周长与有效高度之比等有关的影响系数；ft为混凝土抗拉强度设计值，MPa；um为距柱边 h0处截面周长，mm。

2）德国标准 DN 1045-1《Tragwerke aus Beton，Stahbeton und Spannbeton，Teil 1：Bemessung und Konstruktion》［3］，计算方法如式（2）所示。

3）欧洲标准《Eurocode 2 Design of concrete structures，Part 1：General rules and rules for buildings》EN 1992-2［4］，计算方法如式（3）所示。

式中：τRd为混凝土抗剪强度，MPa；其余参数含义与 DN 1045－1 相同，计算方法略有差别。

4）美国标准 AC I 318-0 2《B u i ld i ng C o d e Requirements for Structural Concrete and the commentary》［5］，计算方法如式（4）所示。板的抗冲切承载力由下列三式中的最小值确定。

式中：φ 为承载能力降低系数，φ=0.85；βc为柱长短边之比；αc为与柱位置有关的系数，对于中柱，取 αc=40；fc＇为混凝土抗压强度标准值（直径150mm、高300mm圆柱体），psi；um为距柱边 0.5 h0处截面周长，in。

表 1 总结了 4 种规范在不考虑冲切钢筋时的冲切承载力影响因素，图 5 对比了板抗冲切承载力设计值［6］。

表1 各类规范计算冲切承载力时考虑的影响因素

从以上对比可以看出，由于各国对混凝土板冲切破坏机理的认识不同，对混凝土强度等级确定方法不尽相同，4 种规范板冲切表达式也不相同。在未配置抗冲切钢筋时，4 种规范计算的抗冲切承载力最大相差可达50 %。相对而言，我国规范计算的抗冲切承载力结果，与其它规范相比，处于中间水平。

图5 板抗冲切承载力设计值比较（不考虑冲切钢筋）

1.2 弯剪应力叠加区域

包括我国在内，各国公式中无梁楼盖受力时抗冲切的公式均为纯冲切条件下的承载力。而在实际工程中，板柱结构的柱顶区域除剪切力外，还有较大的弯矩。

柱帽顶部（图 5 中圆圈部位）同时受到弯曲和冲切作用，弯剪应力叠加，局部弹塑性发展较为充分。

图5 柱帽受力示意图

《钢筋混凝土原理和分析》［7］指出，混凝土极限拉应变约为 70～140 με。在未开裂时，混凝土与其握裹的钢筋具有相同的应变，由此推算，混凝土达到极限拉应变时，钢筋应力仅约 28 MPa。考虑到混凝土未开裂时受拉区的贡献，混凝土达到极限拉应变时，无梁楼盖顶部受弯承载力仅发挥到设计承载力的 20 %～30 %。

随着弯矩继续增加，混凝土开裂，钢筋承担所有拉力，应变迅速增大。可以认为受弯承载力达到 30 % 以上时，在板中性轴以上部分已开裂，开裂部分不再承担冲切荷载，冲切面大幅度减小（见图 6）。

正在修订的 GB 50344－2004《建筑结构检测技术标准》［8］中，拟规定对板柱结构柱顶区域的承载力进行评定时，使用现行国家标准 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》的抗冲切的公式，宜按下列规定进行折减。

图6 板顶裂缝与冲切面的关系

1）当柱顶区域的弯矩达到抗弯承载力的 90 % 时，冲切承载力的折减系数宜≤ 0.4；

2）当柱顶区域的弯矩达到抗弯承载力的 50 % 时，冲切承载力的折减系数宜≤ 0.8；

3）当柱顶区域的弯矩介于抗弯承载力的 50 % 至90 % 之间时，冲切承载力的折减系数可采用线性插值的方法确定。

以上折减考虑了柱顶弯剪共同影响作用，有利于正确评价无梁楼盖体系的冲切承载力，保证结构安全。

1.3 不平衡弯矩影响

堆土荷载作为恒荷载，正常设计时一般仅考虑均匀布置，不考虑间隔跨布置、局部堆土、车辆荷载等不均匀荷载。由于各种因素的影响，板柱节点很难出现真正的对称荷载，板柱节点既传递剪力也传递不平衡弯矩。板柱节点传递不平衡弯矩时，其受力特征及破坏形态更为复杂，柱帽中产生较高的剪应力，增大了柱帽发生脆性冲切破坏的可能性。

板柱结构对不均匀荷载较为敏感，结构抗连续倒塌能力弱［9］。在 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》附录 F 中，列入了不平衡弯矩计算方法，应该引起广大设计人员的重视。

1.4 施工方面

1.4.1 混凝土二次浇筑

板柱节点混凝土较厚，施工时如果不做特殊要求，很容易出现二次浇筑的情况，即楼板与柱帽不同时浇筑，有水平施工缝或叠合面，造成局部薄弱区。现场检测时发现有柱头接茬处裂缝，甚至有芯样显示，该处柱头顶板与托板分离，接茬处光滑平整（见图 7）。

1.4.2 混凝土浇筑不密实

图7 柱帽接茬裂缝或结合不好

柱帽处混凝土较厚，柱帽与现浇板同时施工时，施工人员在浇筑面振捣时，如不能准确辨别柱帽和普通混凝土板的位置，则容易造成柱帽处振捣不到位的情况。在事故调查时，笔者即发现了这样的问题（见图 8）。该工程柱帽厚度 800 mm，经钻芯法检测，有一半左右的混凝土不密实，极大地削弱了柱帽抗冲切面，降低了抗冲切承载力。

图8 柱帽混凝土不密实区

1.4.3 堆土施工荷载

施工方面的另一个问题，是堆土施工荷载过大。这主要体现在施工堆土厚度超过设计值、堆土厚度不均匀、施工机械过重等问题。

车库顶部临时堆土高度情况（见图 9），不仅各处堆土高度不均匀，还有大型施工机械随处停放，由此带来的不平衡弯矩又增大了柱帽处的剪力。

检测时还发现，相关单位仅从经济角度出发，覆土施工一般采用重车运土，而不考虑结构承载能力。图 10为某车库坍塌前监控资料，显示有多辆重车在车库顶进行覆土施工，估算的车辆总重远超设计荷载。

图9 车库堆土施工

图10 某车库重车施工情况

2 对策

2.1 建设单位

工程事故的发生，将对建设单位产生巨大的影响。笔者检测的若干工程中，建设单位面临业主要求退房和支付违约金、销售业绩下滑等诸多困难。

为保证工程质量和安全，建设单位应该接受合理的建设周期和建设费用，不应仅仅将进度和造价作为评判设计单位和施工单位的标准。

2.2 设计单位

2.2.1 结构选型

无梁楼盖体系延性差、冗余度小，发生的冲切破坏属于脆性破坏，建议在结构选型时优先选用梁板体系。

如确需选用无梁楼盖体系，则宜采取设置暗梁、配置箍筋、弯起钢筋或抗剪键等办法提高结构冗余度［10］。

2.2.2 上翻式柱帽

当选用无梁楼盖体系时，可考虑采取上翻式柱帽形式，使弯曲应力和冲切作用分别作用于基础的上下两部分（见图 11 圆圈），以减小弯剪叠加问题。

图11 上翻式柱帽弯剪应力位置关系

2.2.3 设计计算

设计单位应充分考虑景观覆土、施工车辆等荷载，在设计文件中对地下室顶板覆土时的施工总荷载和荷载的均匀性提出要求。

要加强对无梁楼盖承载力的复核，特别是荷载不均匀分布时的冲切承载力验算，适当加大冗余度。

设计单位还要做好施工交底工作，保证设计思路在施工过程中不发生偏差。

2.3 施工单位

施工单位应认真领会设计文件中覆土荷载的规定，严格控制覆土厚度和运输车辆荷载，车辆应严格遵守图纸中的交通流线，不得随意停放，避免局部大量超载。

施工过程中，当实际荷载超过设计荷载时，应联系设计单位复核，必要时在楼盖下方增设临时支撑。

地下室顶板覆土开始以后，将难以发现板柱节点区域发生开裂等破坏现象，不能做到有效预警。因此，在覆土施工时，应严格禁止地下室内部作业。

3 结论

通过比较我国现行标准与美国、欧盟、德国标准的抗冲切计算公式发现，我国标准抗冲切计算结果居于 4 种标准的中间水平，与美国 ACI 标准较为接近。我国标准体系中，对无梁楼盖的计算方法是可行的。

无梁楼盖在受力过程中，不止受冲切作用，还同时承受弯矩作用，甚至还有不平衡弯矩，柱帽顶部弯剪区受力比较复杂，设计时和评价结构承载力时均应予充分考虑。设计单位应该把结构选型、柱帽形式、荷载计算、技术交底等方面的工作做扎实。其中，上翻式柱帽可有效减小弯剪应力的共同作用，在无梁楼盖体系中可以优先采用。

无梁楼盖施工时，可能有二次浇筑、浇筑不密实，以及后期堆土荷载过多、堆土不均匀等情况。施工缝接茬和混凝土不密实均将大幅度降低柱帽抗冲切承载力，后期荷载过大和不均匀则将提高作用效应，均会对结构产生不利影响。施工单位应该做好领会设计意图、制定合理施工方案、控制施工荷载等方面的工作。