![[分享]混凝土平板无梁楼盖体系设计及施工要点](/skin/img/logo.png){kind=logo}
[分享]混凝土平板无梁楼盖体系设计及施工要点
来源：胡正宇结构视点（ID：AlexHU2020）
近年来，国内混凝土平板无梁楼盖体系事故频发（多发于采用平板无梁楼盖体系的地库顶板在超载覆土的作用下发生冲切破坏以及柱刺穿破坏），因此有很多不是很了解这一结构体系的公众甚至是有些结构专业人士，就开始怀疑这是否是平板无梁楼盖这一体系自身的“先天性”的缺陷？尤其是近日山东烟台住建局发布《限制使用地下室无梁楼盖结构》的通知，又增加了公众对这一体系的不信任感，潜台词似乎是如果平板无梁楼盖体系没问题，政府为什么要“限制使用“？鉴于此，小编就从纯粹的技术层面来说一说混凝土平板无梁楼盖体系，期望借此能给公众对这一楼盖结构形式以一个客观的认识。
混凝土平板无梁楼盖体系（包括带柱帽CAPITAL或柱上加厚板域DROP PANEL的无梁楼盖体系）与传统的梁板楼盖结构体系相比，由于其不但可以为建筑设计提供更宽敞通透的无梁室内使用空间，而且在结构施工尤其是在模板工程方面的经济合理性（由于北美地区人工很贵，而人工耗费较高的模板工程在混凝土建筑施工中的价格很贵，与梁板体系支模相比，平板无梁楼盖体系的支模要简单许多，因此更经济），因此在世界上主要发达国家及地区，尤其是北美地区，这一体系在过去的几十年中得到了极其广泛的应用，可以毫不夸张地说，混凝土平板无梁楼盖体系是北美地区混凝土建筑结构楼盖体系中的绝对主流且设计及施工非常成熟的楼盖结构体系。下面小编就从设计及施工两个方面来聊一聊混凝土平板无梁楼盖体系应该注意的要点。
混凝土平板无梁楼盖体系设计要点
从承载力极限状态设计来说，通过设定恰当的楼板厚度及合理的钢筋分布及形式，以满足楼板在板柱节点处的冲切承载力，楼板在板带各区域抗弯承载力，以及在楼板抗弯及冲切破坏发生时防止楼板刺穿破坏而引起的连续倒塌是平板无梁楼盖体系承载力极限状态设计的三个核心要点。以下小编就对这三个核心要点一一说明。
首先，要满足无梁楼盖楼板在板柱节点处的冲切承载力（Punching Resistance）。平板无梁楼盖与梁板结构设计的最大差异就在于楼板的厚度，尤其在板柱节点区域楼板的厚度主要由冲切控制，当冲切不满足要求时楼板会发生以下形态的冲切破坏。
(▼图片来自网络，版权归原作者所有)
冲切破坏由于其具有非延性特征，在无配设确保楼板结构整体性钢筋时，其后果往往是连锁反应式的柱刺穿破坏，如下图所示。
(▼图片来自网络，版权归原作者所有)
关于无梁楼盖抗冲切计算方法、公式及中美规范在这方面的比较，王立军大师在他的公众号文章《中美规范无梁楼盖抗冲切计算之比较研究》中作了比较详细的介绍。讲得已比较具体，在此不再另作累述（有兴趣的朋友可参阅本期转载文章或王大师的原文）。但在此需要着重强调一点的是，无论是中国规范GB50010（以下简称“中砼规“）还是美国规范ACI 318（以下简称”美砼规“），还是加拿大规范CSA A23.3（以下简称”加砼规“），对于混凝土抗冲剪承载力不满足要求时均给出可以通过配设抗剪钢筋来提高楼板的抗冲切承载力。但是当混凝土和抗剪钢筋同时工作抵抗冲切时，混凝土部分所承担的抗剪承载力均作了不同程度的折减，为简单起见，现以非预应力普通混凝土楼板，中柱正方形柱截面尺寸不大于700mmx700mm为例，相关对比如下表所示：
从上表中可知：按中砼规进行抗冲切设计，当混凝土和抗冲切钢筋（箍筋或吊筋）共同作用时，混凝土抗冲切强度折减了-28%相当于打7折；而按美加规范进行抗冲切设计当混凝土和抗冲切钢筋（箍筋或吊筋）共同作用时，混凝土抗冲切强度折减了约一半；而当板柱节点配设抗冲切钢筋时，按中砼规进行抗冲切设计楼板所允许承受的极限总冲切荷载和未设抗剪钢筋时楼板砼抗冲切承载力之比为1.71；而按美加规范进行抗冲切设计时当板柱节点配设抗冲切钢筋时，这一比值为1.5左右。因此可定性地认为：当板柱节点配设抗冲切钢筋时，美加规范与中砼规冲切设计相比更为保守；而当板柱节点配设抗冲切Studrails时，美加规范与中砼规冲切设计相比更为激进，因为Studrails与抗冲切钢筋相比，抗冲切性能上具有更高的可靠度。
第二，要满足无梁楼盖楼板各板带区域抗弯承载力（Flexural Resistance）。无论是中砼规还是美加规范，对于楼板的抗弯承载力的计算均非常成熟。但对无梁楼盖来说，需要特别说明的是板带的概念，由于这是个力学分析的原则，因此关于柱上板带和柱间板带的定义以及各板带的跨中及支座所应承担的荷载的比例均应由计算分析所得，因此这些要求并未写入“中砼规“的规范条文中，因此在无梁楼盖板带分析计算以及楼板抗弯钢筋配设时，更加依赖于结构设计工程师的专业能力；但按美加规范来设计的话，由于平板无梁楼盖应用历史悠久，因此对于板带定义及计算相关的要求在规范中给出的更具体，既有可应用于简单规则平板结构的双向板直接设计法也给出了板带配筋（特别是柱上板带）抗弯钢筋配设的具体要求。按照这些要求布设的楼板钢筋能够较好地与楼板在荷载作用下内力分布特征相符。再加上在美加结构工程设计实践中，对双向无梁楼盖的分析设计普遍比较重视（不认为楼板设计是像梁柱之类的简单的构件设计，往往楼板设计需要由具有一定结构分析设计经验的工程师来执行），因此一般来说，设计质量可以得到较好的保证。
第三，要布设确保楼板整体性钢筋（Integrity Reinforcement）。这是无梁楼盖楼板极限承载力设计中三个核心问题中的与破坏后性能直接相关的一个关键问题。如前文图所示，当楼板未布设Integrity Reinforcement时，楼板的冲切或受弯破坏会引起连锁性的沿柱周围的冲切“刺穿“破坏，进而楼板与支柱完全分离，如下图所示：
(▼图片来自网络，版权归原作者所有)
因此美、加规范中均规定对楼板的柱上板带中需配设足够的、构造连续的板底整体性钢筋Integrity Reinforcement，确保在楼板抗弯及冲切破坏发生时这些未确保结构整体性而布设的Integrity Reinforcement能够起到一个柱间“拉索”的作用，如下图所示，用以防止楼板刺穿破坏而引起的连续倒塌。
(▼图片来自CAC Concrete Design Handbook，版权归原作者所有)
对于Integrity Reinforcement的设计，如下表所示：
由上表可知，按美、加规范设计时，在柱支承处四周沿两个主轴方向每侧的楼板板底所布设的Integrity Reinforcement均可承担按柱的Tributary Area分布的楼板恒载重力，即沿柱四周Integrity Reinforcement总的抗拉承载力为至少四倍的按柱Tributary Area分布的楼板恒载重力。通过这个措施以确保楼板在冲切破坏或板柱节点处负弯矩受弯破坏时，板底Integrity Reinforcement可有效拉结破坏的混凝土楼板，以不致产生柱贯穿的连续倒塌破坏。而这一点在中砼规非抗震时并未作明确的要求（抗震章节有类似规定但偏不保守）。
从正常使用极限状态来说，平板无梁楼盖体系尚需满足楼板裂缝及挠度变形的要求，特别是混凝土在长期荷载作用下，考虑混凝土收缩徐变的长期挠度变形。关于楼板挠度变形的问题可参考作者《混凝土平板无梁楼盖考虑荷载长期作用及混凝土收缩徐变影响的挠度计算方法探讨》一文，在此不在累述。
混凝土平板无梁楼盖体系施工要点
下面小编就来简单谈一谈混凝土平板无梁楼盖体系在施工中的要点。相对于设计来说，混凝土平板无梁楼盖体系的施工应该是非常简单，需要特别注意的是以下几点：
- 板、柱之间的施工缝必须是在位于柱端/板底的水平施工缝，千万不可“超筑”柱端混凝土，如在实际浇筑柱混凝土时发生“超筑”柱端混凝土，则在浇筑楼板之前务必需将柱端“超筑”的混凝土剔除至板底标高处以下，以确保板、柱之间的水平施工缝位于楼板的板底标高以下接近板底标高处。这一点非常重要。因为“超筑”柱端混凝土会在柱周形成一圈竖直“冷缝”，侵入柱上板带，直接影响柱上板域的抗冲切性能，增加“柱刺穿”破坏的可能性。一般来说比较好的做法是将柱顶水平施工缝位于板底（或DROP底面）标高以下25mm（1英寸）处，如下图所示。
- 水平施工缝的位置。对于带柱帽（CAPITAL）或柱上加厚板域（DROP）的楼板，CAPITAL和DROP应与楼板同时浇筑，不得分次浇筑，以避免楼板和和DROP或CAPITAL和DROP之间的水平施工缝；这是另一个施工方面的关键点。
- 当柱顶支楼板时（例如顶层楼板或地下室顶板），柱钢筋在柱端90度弯折水平段应伸出柱面，延伸长度不小于tension developement length，如上图所示。（或柱主筋在柱顶截断，另设L-dowels与柱主筋搭接）以确保柱顶楼板在开裂时板柱节点区域裂缝均匀发展而不是集中于柱四周竖向发展，以免发生“柱刺穿”状破坏。柱钢筋切在柱顶直接截断不设水平弯折或不设L-dowels或钢筋向柱内水平弯折不出柱边等形式，对板柱节点域来说，均为不合理的柱钢筋构造形式，需要避免。
其他诸如支模拆模等施工要求同砼梁板楼盖施工要求类似，并无特别之处，在此不作累述。
另外需要补充说明一下关于施工阶段的荷载超载问题，本质上这是一个与混凝土平板无梁楼盖体系不相干的问题，任何楼盖结构体系均对应着其设计所假定的（即所允许的）设计荷载。如果施工阶段因为总总原因施加荷载超出允许的设计荷载太多（比如诱发无梁楼盖地库顶板事故的覆土严重超载等），任何形式的楼盖体系均会破坏。因此客观地来说，不应该当将由于严重超载而导致的工程事故归罪于无梁楼盖这一体系本身。
结论和启示
通过前文对混凝土平板无梁楼盖体系设计要点的论述，不难得出以下结论：即在平板无梁楼盖体系设计时需确保前述的承载力极限状态设计方面的三个核心设计要点：
通过设定恰当的楼板厚度及合理的钢筋分布及形式，以满足楼板在板柱节点处的冲切承载力； 通过设定恰当的楼板厚度及合理的钢筋分布及形式，以满足楼板在板带各区域抗弯承载力； 以及通过合理地布设足够的Integrity Reinforcement，在楼板抗弯或冲切破坏发生时，防止楼板刺穿破坏及其所引起的连续倒塌。
当上述三个核心设计要点在具体结构设计中得到合理的贯彻实施和满足时，即可以很客观地认为，无梁楼盖体系自身在其安全度及可靠性方面与传统梁板结构相比不具有任何劣势；相反，由于其在模板方面的经济性及施工便捷性，以及能够更好地满足建筑空间要求，与传统梁板结构相比，反倒具有相当地优越性。当然我们以上所有讨论均是针对非抗震设计的重力楼盖体系而言的；对于抗侧力体系来说，由平板无梁楼盖同支柱所构成的抗侧力体系是一种相当脆弱且低效的抗侧力体系，因此不建议采用。但这个话题已不在本文讨论的范围内，在此不表。
通过前文中对平板无梁楼盖中、美、加设计规范的对比，大家还可以发现现行中砼规在这方面的规定具有一定的局限性，比如当板柱节点配设抗冲切钢筋时，美加规范与中砼规冲切设计相比更为保守；而当板柱节点配设抗冲切Studrails时，中砼规并未给出具体的规范设计计算公式，如将Studrails与抗冲切箍筋视同设计的话，则中砼规与美加规范相比又略显保守。另外，现行中砼规未对Integrity Reinforcement作明确的要求，在实际工程中在楼板整体性及防连续倒塌方面的设计只好完全依赖于具体执行设计的结构工程师的对基本工程原则的把握，因此设计成果的可靠性和合理性可能比较难以控制。可能这也是触发某些地区“限制使用”无梁楼盖体系的无奈诱因之一吧。希望未来“中砼规”更新时，可参考美、加规范在这方面成熟的设计经验和规范措施，加以完善，从而更好地指导无梁楼盖体系的设计及在国内的应用。就现阶段来说，由于规范尚未更新，按现行中砼规设计无梁楼盖时，需要特别注意以下四个方面：
当设计冲切荷载与按无配筋混凝土计算楼板的冲切承载力之比大于1.5时，建议增大楼板冲切厚度（使上述比值不大于1.5）同时辅以抗剪Studrails（或抗剪钢筋）去提高抗冲切承载力，而非依赖配筋去强行设计； 在设计图纸中应注明板-柱交界处水平施工缝的位置；并给出正确的板柱节点配筋构造； 建议按美、加规范相关要求增设Integrity Reinforcement； 当需要配设冲切受剪钢筋时，建议尽可能地用Studrails去取代抗剪箍筋或吊筋。因为Studrails与普通受剪箍筋及吊筋相比具有更可靠的抗剪性能，与混凝土协同工作更好。
尽管无梁楼盖体系本身并没有任何问题，但是不完善的设计和（或）不恰当的施工措施（比如施工超载，提前拆模，拆模后支撑不当，施工缝留设不当等等）均会导致各种各样的问题甚至事故。因此只有设计合理并且施工正确方可确保结构工程最终的质量。无梁楼盖体系如此，其他形式的楼盖体系也不例外。
参考文献
GB50010 – 2010 (2015版) 混凝土结构设计规范 (2015版)
CSA A23.3-19 Design of Concrete Structures
ACI 318M-19 Building Code Requirements for Structural Concrete.
免责提示：文中部分图片来自于网络，版权归原作者及原出处所有。如涉侵权或原版权所有者不同意转载，请及时联系我们，以便立即删除。
![[分享]绿色建筑的新趋势](/e/data/images/no.jpg)
