無梁樓蓋的設計及應用探討

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1.概述

平面樓蓋可以分為有梁的和無梁的兩大類。無梁樓蓋按其縱橫兩向柱距之比可分為單向板無梁樓蓋（長邊與短邊之比大于2時）及雙向板無梁樓蓋（長邊與短邊之比小于等于2時）。由于平面布置的要求，無梁樓蓋的柱網一般接近正方形，常遇的均為雙向板無梁樓蓋。

雙向板無梁樓蓋一般包括四種形式[1]

（1）帶柱帽的無梁樓蓋（flate-slab floor），通常稱為無梁樓蓋，它的組成包括柱、柱帽、柱上托板及平板。柱帽及托板可以增強板柱之間的連結、緩和柱對平板的沖切以及減小板的計算跨度。

（2）平板無梁樓蓋(flate-plate floor)，它的組成僅包括柱及平板,這種樓蓋在節點處平板受柱的沖切作用比較大，需要特別關注。這種樓蓋天花平整、內景效果最好。

（3）僅在柱上有梁的雙向板樓蓋，簡稱雙向板樓蓋。雙向板樓蓋中采用的梁截面較小，梁的剛度沒有梁式板樓蓋中梁的剛度那么大，不能把它充分作為板的支座，而只能算做對板的加強，是板的一個組成部分。而雙向板梁式樓蓋中，板面荷載由板傳遞給次梁再傳遞給主梁，整個樓面荷載最終由主梁承擔。

（4）雙向密肋格形無梁樓蓋（waffle slab），這種樓蓋可以理解為在厚板下面規則地挖出一系類立方體后而成形的，其保留部分即為肋，比如工程中應用也比較多的空心板。

2 無梁樓蓋設計中需注意的問題

2.1 無梁樓蓋的優勢及應用中存在的問題

筆者主要探討帶柱帽的無梁樓蓋，也是近年應用較多的形式。相對于梁板式樓蓋有如下優點：①、截面高度小，可降低層高；②、板底平整，安裝通風管道時可順利通過；③、可以少支模且施工方便，可以縮短工期。

隨著混凝土無梁樓蓋在工程中的應用越來越廣泛，近年來地下室頂板無梁樓蓋倒塌的新聞也越來越多。2017年8月19日，北京石景山區某地塊地下車庫無梁板倒塌，本次事故直接原因為地下一層頂板部分板柱節點處沖切承載力不滿足設計規范要求。2018年11月12日，中山市古鎮某項目地下室頂板無梁樓蓋局部坍塌，初步調查分析，坍塌原因是填土作業人員違反操作規程，且大型滿載平板車停放不當，導致頂板荷載過于集中，造成局部坍塌。

無梁樓蓋結構體系本身沒問題，因其傳力途徑比較簡潔直接、凈空利用率高、造型美觀、有利于通風、便于布置管線和施工的優點，所以在特地條件下（比如單層地庫），其綜合經濟性比傳統梁板結構有很大優勢，但也是因為傳力途徑簡潔直接，所以在滿足同樣設計安全度的基礎上，其抗垮塌冗余度沒有普通梁板結構大，延性稍差，破壞經常是突發性的，沒有預警期。

2.2 無梁樓蓋的沖切

對于無梁的平板樓蓋，平板與柱的連接節點內存在著柱對板的沖切作用，無梁樓蓋的節點設計尤為重要。沖切破壞是一種脆性的受剪破壞，它很容易使板柱節點發生破壞而導致房屋倒塌。所以設計時，應盡量將房屋設計成剛性方案，由抗側力結構（剪力墻）承擔水平力（風荷載等），卸去板柱節點內由風荷載引起的彎矩；還應盡量把平板樓蓋設計成雖無內梁但有邊梁的體系，利用邊梁受扭卸去邊柱、端柱及角柱節點內由于豎向荷載引起的彎矩及剪力中的一大部分。

無梁樓蓋的沖切問題成為設計的重中之重，設計時需要驗算柱邊、柱帽邊及托板邊的沖切是否滿足設計要求。在受沖切承載力計算中，需要考慮不平衡彎矩的影響，第一種情況為在使用階段柱頭處柱子兩側的彎矩差值；第二種情況也是我們在設計中容易忽視的一種情況，對地下車庫頂板通長都有1米左右的覆土，通長我們在設計中會把覆土荷載作為滿布恒載來考慮，但在實際施工過程中覆土荷載會出現不利布置的情況，即本跨滿載而相鄰跨空載的現象，這就要求設計中一定要驗算施工荷載。沖切承載力驗算在《混凝土結構設計規范》[2]附錄F中有詳細敘述這里不再贅述。無梁樓蓋體系中板柱節點將產生不平衡彎矩，這種不平衡彎矩的反復作用將嚴重影響節點的承載力，因此無梁樓蓋體系中板柱節點是抗沖切的薄弱環節，節點的破壞是導致結構倒塌的主要原因考慮不平衡彎矩影響后受

2.3 無梁樓蓋的彎矩取值及配筋要點

滿足一定條件的無梁板，在豎向均布荷載作用下，可以采用經驗系數法計算彎矩。設計時受下列條件限制：1）每個方向至少3個連續跨；2）板格的長邊與短邊之比不應大于2；3）每一方向，連續跨的跨度之差不應大于長跨的1/3；4）整個樓蓋為均布荷載。

等代框架法，該方法是將整個結構沿每個柱軸方向分別劃分“等代框架梁”和框架柱組成的框架。有了等代框架就可以用結構力學的方法，通長用分層計算方法較多。該方法計算模型簡單，計算量小，但是等代框架法的計算模型把柱與板的局部變形協調看成是完全變形協調，跨差較大時誤差較大。

近來來隨著軟件的開發與應用日漸成熟，各程序提供的樓板有限元分析為設計師提供了一個簡單實用的工具。對于不規則樓板，跨差較大以及由于荷載布置、局部開洞等因素會使樓板應力集中時，應采用有限元分析補充計算。

樓板開洞帶來的后果首先是板內部分鋼筋截斷，影響板的抗彎承載力，而在柱四周開洞還有降低板對柱的抗沖切承載力。在無梁樓蓋中，對樓板開洞的位置及尺寸符合《高層建筑混凝土結構技術規程》[3]第8.2.4條的要求時，可不做專門分析計算，所有洞邊均應設置補強鋼筋。其他情況洞邊要專門分析或是增加邊梁的措施。

對無梁板的分析設計時，樓板中應力集中的區域，不能隨意忽略不管這些應力。無梁樓蓋的有限元分析結果，在柱頭處會出現應力集中，設計人員在結構設計時不能直接忽略應力集中的峰值或者隨意丟棄柱頭應力。有限元提供的是點彎矩，柱頭處分布極不均勻，用點彎矩直接計算配筋是不合適的，對無梁板柱帽或是托板范圍內配筋宜采用面積的加權平均值得到的平均彎矩，因此在配筋時應對有限元的結果分析統計后使用。現在的市場環境尤其是房地產開發項目，對項目的經濟性這一塊把控都很嚴，甚至以降低結構安全來追求經濟性，也出現了一些設計優化公司，為了迎合甲方的要求，不從結構的合理性出發，降低甚至忽視規范的要求來減小含鋼量。個別設計人迫于甲方的壓力不能堅持原則，對于提出的不合理要求也全盤接受。這對自己及工程項目都是極不負責任的做法，希望行業競爭能回歸到一個良性、有序的發展軌跡上來。

3 小結

無梁板結構不宜用于直接抵抗水平荷載（風荷載、地震作用等）。上部結構采用無梁板體系時宜增設抗震墻，地下室頂板采用無梁樓蓋可減小層高、方便布設管道設備，也需特別注意板柱節點的沖切承載力設計。