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【结构学院】地下室无梁楼盖结构设计加强安全措施的思考

楼主
1楼2018-05-2514:17



来源:远洋设计汇 结构组










一、 无梁楼盖结构体系的优缺点及工程实际应用概


无梁楼盖是一种楼板直接支承在框架柱上的楼盖形式,楼面荷载直接通过柱子传至基础,板柱结构体系或板柱—剪力墙结构体系通常采用无梁楼盖形式。无梁楼盖一般用于地下车库。





图1:无梁楼盖建筑照片及结构布置示意图




基于全埋式地下车库覆土荷载重、双向柱距大等特点,笔者主控项目地下车库楼盖形式的选型经历如下发展过程。





图2:地下车库楼盖选型的发展




在探索期,北京数个项目对有梁楼盖形式与无梁楼盖形式进行了技术经济性比选,结论是在当时该城市的技术要求、市场供应及施工水平等相关条件下,无梁楼盖的技术经济性优于有梁楼盖:


(1)无梁楼盖的直接材料综合费用及模板费用少于有梁楼盖;


(2)综合室内管线后的无梁楼盖层高小于有梁楼盖(图3),可降低竖向构件的直接材料费用及模板费用;


(3)无梁楼盖的层高优势还可以在结构抗浮、土方开挖、基坑支护、止水、外墙防水用材、肥槽回填等方面带来经济性优势。












图3:两种楼盖形式下的层高分析




通过这些项目的应用及总结,形成如下结论:


(1)体量较大、柱网规则的全埋式地下车库可优先采用无梁楼盖。


(2)在当地无特殊要求时,通常优先选择现浇无梁楼盖形式,不采用预应力或空心楼盖。




从2009年至今,笔者负责的数十个华北、东北及华南项目,地下车库楼盖陆续选用了无梁楼盖形式;华东各城市设计及图审单位对上部建筑嵌固层及相关范围的定义、要求理解与其他区域有所不同,一般尊重当地意见采用有梁楼盖。




回顾无梁楼盖的应用历程,无梁楼盖大量应用于地下室存在一定的必然性。首先是无梁楼盖结构传力途径的简化(现浇梁板楼盖导荷方式:楼板→次梁(或无) →框架梁 →框架柱;现浇无梁楼盖导荷方式:楼板→柱帽(或无)→框架柱)、结构材料能够直接放置在最直接的部位提升传力效率,但同时也使得楼板与柱连接部位(柱帽)成为冗余度最少、直接影响安全的关键部位其次是这些项目的无梁楼盖历经设计、施工和使用各阶段,截至今天仍然处于安全可靠、正常使用的工作状态,反映了现有实验、理论、规范、图集及经验对无梁楼盖的设计指导是安全的、可靠的。


二、影响地下车库无梁楼盖安全性的因素及控制措施


1. 荷载因素分析及控制措施




地下车库覆土楼盖通常会承受较重的覆土恒荷载,覆土厚度由0.8m到3m不等,具体厚度根据当地冻深要求、绿地率要求、项目小市政管线埋深需求等综合确定;对于园林景观方案,有局部景观堆土和较重构筑物的部位应预留相应的恒荷载;由于消防需求,覆土楼盖之上的消防车道和扑救场地区域要预留2t/m2的偶然荷载;其余部位则预留400~500kg/m2的施工活荷载。




设计阶段可按如下要求控制:


(1)在基础方案论证前(图4)、不迟于地基基础施工前,整合园林景观堆土方案及消防平面定位等与顶板覆土厚度条件及荷载分布相关的条件。


(2)此阶段通常不再考虑其它(比400~500kg/m2)更高的施工荷载需求。





图4:地库顶板覆土厚度条件与基础方案的设计流程关系




2. 设计因素分析及控制措施




1)节点设计




无梁楼盖的板柱节点抗冲切能力弱、呈脆性破坏形式,突发破坏难以预警,属关键性结构构件,结构设计须重点关注冲切承载力复核工作。复核冲切承载力时,要特别注意不平衡弯矩对剪应力的增大影响,通常地下车库距外墙第一跨框架柱柱帽节点所承受的不平衡弯矩较大,剪应力增加约15%~20%。笔者所负责的项目均严格要求复核冲切承载力;技术审查时则根据已有标准化数据对比校正,如表1所示:









例如对于覆土厚度为1.2m的双向大柱网地下车库覆土楼盖,柱帽总高度约为750~850mm左右,若柱帽高度远小于该值,则可能存在安全风险。柱帽形式种类较多,如图5所示,在满足柱帽所需最小高度时可根据项目实际情况比选采用。





图5:常用柱帽形式




2)板带设计




无梁楼盖的常用板带设计方法有三种,包括经验系数法、等代框架法和有限元法。


(1)经验系数法计算简便,已经获得大量工程项目验证;适用于柱网跨数较多、柱距相对变化不大的地下车库。


(2)等代框架法需用专门的软件进行分析设计


(3)有限元方法是现阶段常用方法,PKPM及YJK等常用软件均有相应模块;计算时要注意解决框架柱支撑处(杆面交点处)的应力集中,需应力钝化处理或在柱边或柱帽与柱边之间的合适位置计算柱上板带最大负弯矩,图6是某项目在分析柱上板带最大负弯矩取值分布的统计图。





图6:柱上板带最大负弯矩取值分布统计图




三种方法配筋结果虽然差异较大,例如经验系数方法与有限元方法相比,经验系数法计算的跨中板带配筋量较大、柱上板带配筋量较小,考虑到三种方法均属于规范允许、且历经多个项目的实际验证,此外钢筋混凝土构件是带裂缝工作,能够通过细微裂缝发展调整自身传力途径,因此笔者所负责项目不再强制采用某种方法,由设计团队自行选择所熟悉的方法。笔者曾构思通过实际项目地下车库覆土楼盖钢筋应力监测及应力分布分析与三种设计方法对比的研究方法进行更深入的研究,待后续选择合适项目逐步开展该项研究工作。




3. 设计与施工的工作衔接因素分析及控制措施




笔者所在单位的设计主控项目一直秉承重视图纸会审和交底工作的传统,施工图设计交底时向施工单位说明结构设计总说明中的等效活荷载限值等相关内容。图7文件是设计交底标准格式文件,按照该文件逐条梳理交底内容,确保安全。其中第4条关于地下室顶板堆载值是交底工作的重要内容之一,此处施工堆载允许值就是前述的400~500kg/m2的施工活荷载,国家或地方的各种标准技措通常都是按这个要求说明的。







图7:施工交底应执行的交底内容示例






4. 施工过程因素分析及控制措施




施工因素其实与楼盖形式无关,无论是有梁楼盖还是无梁楼盖,均需要关注并采取相应措施。




1)施工期间的临时荷载




施工期间由于场地局促原因,可能需要借用地下室顶板作为临时料场、堆场以及重车运输路线等;例如图8是某装配式项目的堆场布置于地库顶板的情况。





图8:某装配式建筑项目的堆场




在施工后期现场园林景观堆土施工阶段,通常也会出现局部临时堆土过高的情况,例如图9所示。



图9:现场园林景观临时堆土




从经济性角度考虑,若通过设计解决上述重荷载,结构会大幅度增加钢筋及混凝土用量,造价增量大约数十元甚至一百元/平米以上;因此常采用在楼盖下增加临时支撑措施的方式解决。对于地下车库覆土的回填,应尽量争取在实土区域临时堆土,施工方案可采取小车运输、倒序回填等措施。




2)后浇带、后浇洞




对于正常使用期间为完整构件,施工期间为解决混凝土收缩设置或建筑物沉降而设置的后浇带、塔吊穿过地库设置的后浇洞等,也需要设置临时支撑措施。图10是后浇带在施工期间的临时支撑照片。





图10:后浇带的临时支撑


3)施工缝


地下室施工必然会因混凝土工程先后浇筑次序导致出现施工缝。若地下室竖向构件和水平构件采用整支整浇施工方式,则竖向构件和水平构件之间通常不会出现不合理的施工缝。若竖向构件和水平构件分别浇筑,则建议按照图11所示在柱帽底部设缝。







图11:施工缝设置位置建议(√表示建议,×表示禁止)




无梁楼盖施工方式及施工缝设置通常由总包在编制施工组织设计和施工方案阶段综合考虑、研究并确定具体解决措施,由设计团队在设计阶段提前考虑并提出施工安全保障措施建议存在较大难度;若项目采用EPC模式,则设计与总包有可能在设计阶段通过深度研讨、施工需求前置等方式提前考虑。




三 、板柱节点加强安全的构造措施的探讨


所经历的项目中曾经与设计团队及图审单位技术人员就无梁楼盖的加强措施进行过深入讨论,通常有加强柱帽、设置暗梁和增设型钢节点三种加强方式。无论何种方式、首先需要了解板柱节点的安全度:




1、 板柱节点安全度




覆土厚度为1.5m的无梁楼盖,按照极限承载力状态设计柱帽;若荷载作用为标准值、不计入荷载分项系数,混凝土和钢筋强度采用标准值,则柱帽在不屈服下可承受覆土厚度约4.1m,相当于安全系数≥2.0。从理论计算上看,无梁楼盖与有梁楼盖的安全系数相当;但是考虑到板柱节点冲切破坏属于脆性破坏,破坏前没有任何征兆及警示,因此适当加强板柱节点安全度有其积极作用。


2. 柱帽




(1)适当增大柱帽尺寸,不仅可以增大冲切安全度,而且刚度较大的柱帽可承担更多的荷载作用,大幅度降低其它部位的弯矩及对应配筋计算值。增大的具体尺寸可以根据建筑层高/净高关系、柱帽间设备管线通行空间等对每个项目进行论证。




(2)柱帽内配置弯起钢筋及箍筋,如图12所示,这种方式只适用于托板柱帽形式;通常提高冲切承载力10%时,用钢量增加约2~3 kg/m2左右。







图12:托板柱帽设置箍筋示意图




3. 暗梁


笔者建议如下情况可考虑不设置暗梁:(1)独立地库(2)地下车库虽然与住宅建筑相连,但是住宅建筑自身刚度远远大于相邻周边地库刚度,即地震作用下住宅建筑结构体系自身承担相应水平作用、不再由地下车库协助分担。




暗梁有以下三种设置方式:




(1)暗梁纵筋利用板带纵筋代替,箍筋为构造;新增箍筋直径为8mm,间距为3h0/4,肢距为2h0。配筋示意图详见图13:







图13:暗梁配筋示意图


(2)暗梁纵筋利用板带纵筋代替,箍筋假设承受柱上板带全部剪力计算配筋;新增箍筋直径不小于10mm,间距为h0/2,肢距为1.5h0。




(3)暗梁纵筋单独配置,配置量不小于柱上板带钢筋的50%,箍筋按照(1)或(2)方式配置。




暗梁在冲切角范围外的箍筋和纵向钢筋对抗冲切并无帮助,且经济性差。若需要按照(2)、(3)方式设置暗梁,建议对无梁楼盖和有梁楼盖两种形式进行技术经济性比选决策。




4. 型钢节点


福建省2018年在《住宅工程设计若干技术规定》明确提出“还应在柱帽处设置附加抗冲切十字型抗剪型钢,抗剪型钢的尺寸按承担冲切力的80%确定,伸出柱边长度应满足抗冲切要求且不应小于600mm。”按此构造要求,用钢量大约增加3kg/m2;主要问题是现场施工穿筋难度较大、需要在设计阶段增加排筋环节;此外现场施工浇筑振捣混凝土前需采取措施固定型钢节点。对于无梁楼盖形式占优的地下车库,采取这种措施带来的成本增量基本不会改变选型结论。


地下室无梁楼盖质量安全控制是一个全过程、全体系工作,各阶段各参与单位履行相应质量安全控制职责是关键,设计阶段准确梳理并注入荷载条件是前提,在正常实施(正常设计、正常施工、正常监理)和正常使用下可以确保无梁楼盖的安全。对于无梁楼盖的最薄弱部位—板柱节点适当加强是有必要的,采用加强柱帽的方式性价比最高。


[鸣谢]窦志院长和李昀女士在本文工作中给予了技术指导并提供了部分素材,在此感谢他们的无私帮助!




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  • 2楼



    跟着 学习!学习!



    2018-5-25 15:15
  • 3楼



    不错,分析的很详细。



    2018-5-26 09:03
  • 4楼



    远洋专家! 牛!



    2018-5-26 11:50
  • 5楼



    谢谢楼主分享



    2018-5-26 17:33
  • 6楼



    很详细,受益了



    2018-5-27 07:49
  • 7楼



    学习!学习!



    2018-5-27 09:06
  • 8楼



    好资料啊,谢谢楼主共享!



    2018-5-27 16:08
  • 9楼



    谢谢楼主无私分享 




    2018-5-28 08:24
  • 10楼



    谢谢楼主分享,分析的详细易懂,读后受益啦



    2018-5-28 09:25

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