浅谈建筑无梁楼盖结构体系设计

浅谈建筑无梁楼盖结构体系设计

李汉彬

广州市尚城建筑设计有限公司510000

摘要：无梁楼盖结构体系与普通的梁板结构体系相比是具有构造简单、板底平整、整体性好、地下车库的层高需求低、净空利用率高、建筑空间大，施工方便、施工速度快，传力路径简捷，布置管线方便等等优点。但同时也具有其缺点，从结构延性方面看，柱子周边及柱帽处的剪应力集中，可能会引起板的冲切破坏，属脆性破坏，抗震性能差；楼板较厚，楼盖材料用量较多；楼盖的抗弯刚度较小等缺点。

关键词：无梁楼盖结构；体系设计；常见问题；改进措施

1无梁楼盖倒塌原因

近年来，地下室无梁楼盖在北京、天津、秦皇岛、深圳、济南、佛山、合肥、鄂尔多斯等城市出现了多起倒塌工程事故，事故分析可发现大致相同的原因，大部分均为板柱节点抗弯承载力满足规范要求，但抗剪承载力不足导致局部冲切破坏。破坏的产生有主要有两方面原因，一方面由于施工阶段违规堆放土方或施工材料导致上部荷载超出设计承载力要求；另一方面在于设计以及该楼该体系自身的原因。相比于施工阶段的原因，无梁楼盖本身冗余承载力低也是造成此类事故较多的重要原因，这主要是由于无梁楼盖的受力体系决定的。当该楼盖体系需同时承受竖向荷载和传递水平荷载时，由于水平构件没有梁，其抗侧刚度低，承受水平力作用的能力较差。

2设计中常见问题

2.1计算方法的不确定性

无梁楼盖的常见计算分析方法通常有弹性计算方法和塑性计算方法。其中弹性计算方法分为三种：直接设计法（弯矩系数法或经验系数法）、等代框架法及有限元法。直接设计法包括使板和梁截面成比例以承受弯矩的一组规则。等代平面框架法，将整个结构分别按纵、横柱列方向划分为具有“框架梁”和“框架柱”的纵向与横向平面框架。有限元分析法用有限单元法计算无梁楼盖即将楼板划分为若干细小的单元，用具有板壳单元的有限元分析程序进行求解。塑性计算方法又可按照折叠破坏的屈服线模式和柱附近的局部屈服线模式进行塑性计算。综上所述，可见无梁楼盖的计算方法较多，在学术界与工程界中均没有统一的规定，因此这也给无梁楼盖的计算方法带来不确定性，这也是设计过程中出现的重要问题。

2.2对于无梁楼盖抗剪认识不足

易伟建等的文献调研发现目前无梁楼盖研究存在两个局限性：①试验大多集中针对重剪比（重剪比是指节点所受竖向重力荷载与其冲剪承载力的比值）较小的受力条件，对重剪比较高的节点的受力性能研究相对较少；②现有研究集中针对竖向冲剪破坏，对同时竖向剪力和不平衡弯矩共同作用的板柱节点受力和破坏机制认识不足。易伟建综合文献试验结果，当重剪比在0.3~0.6之间时，我国规范偏于不安全，甚至出现高估承载力的情况。配筋率相同的提前下，中柱节点重剪比越大，其不平衡弯矩承载力越低，破坏前的征兆也越明显。对低配筋率、高重剪比的节点而言，不平衡弯矩的出现可能会改变其最终破坏形式。对板纵向钢筋配筋率小于0.5%的楼板和基础，我国规范公式高估了冲剪承载力；并且随着板纵向钢筋配筋率的提高，试验冲剪强度与计算冲剪强度的比值提高。对于楼板和基础，当有效高度较大的情况（与实际工程比较接近），出现了部分试验数据小于计算数据的情况，偏于不安全，值得引起重视。

2.3设计的缺陷

由于无梁楼盖本身不等跨、边界条件不同、消防车、施工不均匀荷载等影响，无梁楼盖在重力荷载外还要同时承受不平衡弯矩。如果无梁楼盖设计仅考虑均匀荷载，未充分考虑消防车、局部堆土等不均匀荷载情况，设计会偏于不安全。这主要时由于地下室顶板的消防车荷载、施工荷载或者局部厚覆土等引起的不平衡弯矩，不平衡弯矩的存在使得板柱节点附近区域剪应力分布不均匀，使得板柱节点冲剪承载力降低，更加容易发生偏心冲剪失效。与此同时，出于经济性的考虑，当无梁楼盖按不控制裂缝设计，带裂缝工作的无梁楼盖的冲剪承载力进一步下降。

3无梁楼盖体系内力计算

无梁楼盖结构体系设计可根据弹性理论来分析计算，也可根据塑性理论进行分析计算，目前常用的设计方法包括：经验系数计算法、等代框架计算法、精确计算法等。

3.1经验系数计算法

该设计方法适用于较为规则的等代框架建筑，采用经验系数法时，建筑物必须符合下列条件：第一，无梁楼盖结构纵、横方向均超过连续三跨；第二，任区格内的长跨与短跨之比不大于2；第三，相同方向的最大与最小跨度比值应当小于1.2，且两端跨度不应大于内跨；第四，活荷载不应大于3倍的恒荷载设计值。

经验系数计算法是基于薄板弹性理论，得出柱上与跨中板带在跨中截面、支座截面的弯矩系数，根据经验系数法从而给出无梁楼盖内力数值，最终总结其纵、横向板的总弯矩，根据其弯矩分配系数，从而计算各截面弯矩数值。

3.2等代框架计算法

等代框架计算法主要是将整个建筑结构沿横、纵划分为纵向与横向等代框架，均不同于普通框架，普通框架梁柱均能够传递内力包括弯矩、轴力等，而在等代框架体系中，在竖向荷载条件下，等代框架梁宽度取值方向与梁跨呈垂直方向，其数值都均大于柱宽，仅一小部分竖向荷载靠柱子直接传递，其余荷载都通过扭矩来进行传递，所以无梁楼盖体系中代框架柱包括柱帽以及两侧扭臂等，在设计过程中其刚度都应当充分等代柱的受弯刚度与扭臂受扭刚度。

等代框架梁的尺寸取值，高度与板厚相等，在水平荷载作用下等代框架梁的宽度取1/2板跨中心线间距离，同时在竖向荷载下取与梁跨度垂直方向的板跨中心线间的距离，等代框架柱截面往往取柱的截面a尺寸，而柱的实际计算高度，则取层高扣除柱帽的高度，如果仅有竖向荷载情况下，框架可根据分层法来简化柱截面计算，并根据框架内力计算得出柱内力，从而获取梁内力数值，需要分配给不同的板带，当区格板的边长比小于3/2时，便可计算所得等代框架梁中各截面弯矩数值。

3.3精确计算法

该法主要对无梁楼盖结构体系来讲并不是仅仅等代与简化，同时根据无梁楼盖体系的跨中板带、柱上板带以及柱帽尺寸，采用有限元法来把无梁楼盖分割为若干个单元，并用单元有限元法进行计算，在求解过程中可借助PKPM、SAP2000、GEN以及MIDAS等有限元软件。本文以PKPM软件为例，主要阐述有限元计算方法：第一，在建模过程中需要科学处理，通过PMCAD模块，在人机交互输入过程中，在柱间位置上布置尺寸为100mmX100mm矩形截面的暗梁，（在开洞处与边界处最好设置实梁），从而便于在SATWE软件在数据处理过程中能精确获取现浇板的边界消息。第二，借助整体三维模式计算无梁楼盖内力，在PKPM软件中SATWE模块具有考虑楼板弹性变形的过程，并以弹性楼板单元作为模拟楼板来计算刚度与变形，在SATWE软件中将其无梁楼盖中的楼板设置为弹性楼板。

4无梁楼盖结构体系构造要求

（1）楼板配筋应选用双向支座配筋来承受负弯矩的钢筋，并且选用大于直径12mm钢筋，同时对无梁楼板应当充分考虑其抗震作用，板面应根据其抗震要求，其配筋率应高于25%p。（p为支座处负钢筋的配筋率）

（2）无梁楼盖结构体系的抗震设计要求：第一，房屋的楼梯、周边以及电梯洞口应布置框架梁；第二，抗震烈度8度时宜采用有托板或柱帽的板柱节点，托板或柱帽根部的厚度（包括板厚）不宜小于柱纵筋直径的16倍，托板或柱帽根的边长不宜小于4倍板厚及柱截面相应边长之和；第三，在地震条件下板柱结构根据平面等代框架分析时，其等代梁的宽度宜采用平面等代框架垂直方向柱距的1/4；第四，地下层顶板与屋盖宜选用梁板结构；第五，对于无柱帽平板应在柱上板中布置暗梁，而暗梁宽度可取柱两侧及柱宽大于1.5倍楼板厚度，暗梁支座的上部钢筋面积应大于1/2柱上板带钢筋面积，而暗梁的下部钢筋应当小于1/2上部钢筋。

结论

无梁楼盖结构体系与传统的框架结构体系相比具有建筑空间大，能够增加其楼层使用高度，且施工支模、工序简单，绑扎钢筋较为便利，设备工程安装比较方便，工期短等特点，但抗震性能差、易受冲切破坏，同时破坏引起的冲击力更容易触发结构系统的连续坍塌，对此设计单位应根据该结构体系程特点，从计算方法、设计要求以及构造措施等方面全面考虑，保证设计的科学性、合理性。

参考文献：

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