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无梁楼盖是由钢筋混凝土板和柱构成的楼盖结构体系。无梁楼盖具有建造方便、施工成本低、外形美观、使用空间大等优点，目前在国内外得到广泛应用。无梁楼盖应用于地上结构时，在承受竖向荷载的同时还要传递水平荷载。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。而应用于地下结构时，楼盖系统基本不承受水平荷载，此时使用无梁楼盖安全度较高且具有较为明显的经济优势，如提供更高的结构净高，设备安装便捷，减少基坑施工费用等，因而近年来在地下室工程中得到了大量推广。 板柱节点的冲剪破坏是无梁楼盖的主要缺陷，冲剪破坏具有脆性破坏特征，不仅使得材料的强度利用效率降低，同时破坏引起的冲击力更容易触发结构系统的连续倒塌。特别是在实际工程中，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，设计人员往往只考虑均布荷载，未按规范考虑不平衡弯矩影响，使得冲剪破坏更容易发生。此外，出于经济性的考虑，无梁楼盖设计不控制裂缝，带裂缝工作的无梁楼盖的冲剪承载力进一步下降。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超载等原因造成的倒塌事故。 本文对无梁楼盖结构体系（特别是地下室无梁楼盖）的典型事故、科学研究和工程设计方法进行了综述和分析，为相关科学研究和工程实践提供参考。 无梁楼盖冲剪破坏引起的板柱结构连续倒塌事故在国外多次发生，如1995年韩国首尔三丰百货公司大楼（图1）[1]、1997年英国Piper’s Row停车场（图2）[2]、2004 年瑞士Gretzenbach地下车库（图3）[3]等。 韩国首尔Sampoong百货大楼是无梁楼盖体系连续倒塌的一个真实案例：首先，顶层楼板超载导致其中一个柱端节点发生冲剪破坏；然后，楼面荷载发生大变形并导致荷载重分布，引发周边板柱节点的后继冲剪破坏；最后，大变形和更多板柱相继失效导致了整个结构体系的连续倒塌。Sampoong百货大楼连续倒塌事故共导致502 人死亡，937人受伤，可见包含脆性破坏的无梁楼盖结构体系的连续倒塌易损性显著大于普通以延性破坏为主的框架结构。
(a) 事故现场
(b) 结构平面布置和破坏 图1 韩国首尔三丰百货公司大楼倒塌事故
图2 Piper’s Row地上车库破坏
图3 Gretzenbach地下车库倒塌 随着无梁楼盖在国内的大量应用，近年来国内多地出现地下室无梁楼盖倒塌及破坏事故，如佛山[4]、济南[5]、北京[6]等，此外北京石景山、天津、秦皇岛、深圳、合肥、鄂尔多斯等多个城市也出现地下室无梁楼盖倒塌。 2014年佛山[4]某工地挖掘机在中心花园局部区域施工作业过程中，地下室发生倒塌事故（图4）。总倒塌面积约1200平方米，其中部分结构塌落至地下室底板，部分区域仅塌陷至负一层，倒塌范围如下图所示。造成地下室倒塌的主要原因是地下室顶板上的覆土高度严重超出设计范围，设计人员对反柱帽的安全性能估计不足。
(a) 平面图
(b) 剖面图 图4 佛山某地下室破坏 山东济南某项目[5]，地下室共二层均采用无梁楼盖，按照六级人防设计。地下一层设计堆土1.2m，由于现场实际最大堆土达到7m，严重超出允许荷载。最终车库顶板发生脆性冲剪破坏，造成地下室两层连续破坏。现场照片如图5所示。
(a) 平面图
(b) 事故现场图 图5 济南某地下室无梁楼盖破坏 河源市区某小区二期四区工地的地下车库顶板发生局部倒塌事故。该顶板坍塌区域砼浇筑时间为11月21日，拆模板时间为12月2日，车库顶板开始填土时间为12月4日。土堆积太多，加上载重车辆的碾压，以及混凝土强度未达到设计要求，地下室车库顶板倒塌。
图6 河源某地下车库破坏 北京某地下室无梁楼盖[6]施工回填设计覆土厚度为1.4m，但实际施工造成局部区域覆土厚度超过2.5m。这部分区域顶板沿柱帽边缘下沉100至220mm，覆土1.4m区域下挠30-40mm，变形偏大。郑云等采用规范方法和有限元方法对其进行了抗弯和抗冲剪承载力分析，发现该无梁楼盖的抗弯承载力基本满足规范和工程需要，但其设计抗冲剪承载力不足是导致该工程在施工阶段发生局部破坏的重要原因。 从这些事故发现，施工导致的超载是造成地下室无梁楼盖发生破坏的主要原因，但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。由于工程施工和使用阶段都有出现意外事件的可能，如何科学的对无梁楼盖进行设计，有效地防止地下室无梁楼盖结构发生冲剪破坏，防止连续倒塌，成为当前工程界关心的重要问题。 无梁楼盖的冲剪破坏是导致结构系统倒塌破坏的主要原因。国内外针对无梁楼盖的冲剪破坏问题开展了系统的研究工作。 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。该研究对4个高剪重比的弯剪组合受力板柱节点进行了试验，并结合已有试验数据分析了中国规范偏心剪应力模型的可行性和合理性。4个试件的冲剪破坏锥面倾角从23.2~46.9度不等，其破坏现象与实际工程破坏的照片比较吻合（图7）。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。
图7 冲剪破坏模式 在规范计算方法方面，杨开[8]对231个楼板和99个基础板的冲剪破坏试验数据的统计和分析，如图8和图9所示。分析发现：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。李博宇等[9]的分析也得出基本相同的结论。从试验研究文献的统计数据看，板有效高度没有超过200mm；对于基础部分，板有效高度介于200-400mm；对于工程常用的地下室无梁楼盖高度尚无实验研究。
(b)基础 图8 纵筋配筋率
(a)楼板
(b)基础 图9 板有效高度 我国规范的设计计算公式没有考虑纵向钢筋对冲剪的贡献。根据YingTian等[10]的研究，板纵向钢筋对冲剪承载力的影响主要体现在以下几个方面：1）当荷载到达 50%的极限荷载时，板纵向钢筋可以限制斜裂缝的继续开展；2）随着抗弯强度的增加，在板受压区表面与柱表面相切的混凝土应变也会增加，所以板柱节点周围的混凝土得到了约束，处在三轴受压应力状态，强度有所提高；3）随着斜裂缝的产生和发展，纵向受拉钢筋在裂缝处提供一个销栓力，提高节点的抗剪强度。但是也有试验结果发现增加纵向受力钢筋对节点冲剪强度影响有限，因此有专家建议钢筋贡献作为承载力储备而不作为承载力验算使用。 1）防脱落 为防止在罕遇地震作用下，板柱节点冲剪破坏导致楼板脱落引起下部结构楼板的连续倒塌，板柱-抗震墙结构规范要求对结构进行防脱落验算。地下车库，由于地震作用影响较小，规范没有要求进行防脱落验算。地下室无梁楼盖连续倒塌多由于超载等引起，无法采用合理办法避免防脱落。 2）等效集中反力计算 地震作用产生的不平衡弯矩对地下结构影响比较小。但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会对地下室无梁楼盖板柱节点产生比较大的影响。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。从出现的倒塌事故看，济南、佛山、合肥等都是施工过程中出现的问题，比如施工车辆、堆土施工等。 以8.4m×8.4m跨度无梁楼盖为例，柱截面尺寸700×700mm，覆土厚度1.5m，板厚度350mm，柱帽区域厚度800mm（450+350）、柱帽尺寸3000×3000mm。消防车荷载20kN/m2，满布消防车荷载中间柱冲剪值增加1302kN。采用等代框架计算，产生不平衡弯矩为536kNm，不平衡弯矩产生的等效冲剪荷载约446kN，不平衡弯矩产生的等效冲剪荷载约占冲剪能力的10%。 以不均匀跨度8.4m和10m的无梁楼盖为例，仅考虑覆土厚度1.5m及楼板自重，不均匀跨度产生的不平衡弯矩为443kNm，相当于等效冲剪荷载363 kN；如果考虑消防车等不均匀活荷载作用，则不平衡弯矩更大。设计中不平衡弯矩产生的等效集中反力不能忽略，否则设计偏于不安全。 1）不平衡弯矩引起的等效集中反力不能忽视，设计时需仔细核对 无梁楼盖设计如果仅考虑均匀荷载，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。从出现的工程问题看，不均匀荷载对实际工程影响很大。从文献试验结果也能看出不均匀荷载冲剪破坏的角度比规范的45度变小。地下室无梁楼盖有太多复杂且不可控制因素制约了安全性，比如随意堆放的、甚至还有施工机具操作的临时施工荷载，在设计及施工中要注意进行限制。无梁楼盖结构设计及施工需要更加小心。 2）建议采取措施防止无梁楼盖连续倒塌 目前工程中建设了大量地下室无梁楼盖结构，大部分无梁楼盖是安全的，地下室无梁楼盖连续倒塌多由于超载等引起。由超载引起的脆性破坏（主要是冲剪破坏），需要引起重视，特别是无梁楼盖冲剪破坏引起的防连续倒塌设计需要进行进一步研究。建议采取一定的措施，增加冲剪钢筋、抗剪连接件等。新规范2016局部修订版，仅建议无柱帽的无梁楼盖结构加暗梁，而按照原抗震规范2010版要求对无梁楼盖均加暗梁。建议对有柱帽的无梁楼盖结构均加箍筋，以防止连续倒塌破坏。 3）建议进行大尺寸无梁楼盖柱帽冲剪试验 目前文献中关于基础的板有效高度介于200-400mm，板的有效高度未超过200mm，而实际工程板高度大于这个数值。从近几年发生的事故看，建议对厚度大的无梁楼盖柱帽进一步试验研究，做一定的原尺寸试验。从实验结果及出现的事故来看，建议提高规范无梁楼盖冲剪作用安全富裕度。 4）建议适当增加无梁楼盖冲剪安全富裕度 设计时建议增大无梁楼盖冲剪安全富裕度，适当增加柱帽厚度等，考虑后期荷载增加，不要仅仅满足于规范要求。不建议甲方等对地下室无梁楼盖优化到极限。无梁楼盖设计需要引起更多的注意，防止施工等偶然因素引起连续倒塌。无梁楼盖配筋率对冲剪有一定的影响，在低配筋率下，规范冲剪可能偏于不安全，对于这类无梁楼盖需要给予足够重视。 备注：部分照片来源于网上。
参考文献 [1]Gardner N J, Huh J, Chung L. Lessons from the Sampoong Department Storecollapse[J]. Cement & Concrete Composites, 2002, 24:523-529. [21]WoodJ G M. Pipers Row Car Park, Wolverhampton-Quantitative study of the causes ofthe partial collapse on 20th March 1997. Structural studies & design Ltd,Chiddingfold, 2001. [3]Ruiz M F, Muttoni A, Kunz J. Strengthening of flat slabs against punching shearusing post-installed shear reinforcement [J]. ACI Structural Journal, 2010,107(4): 434-442. [4]李成，郑七振.某地下车库安全性检测与加固设计[J]. 工程抗震与加固改造，2015，37(3)：102-107 [5] 熊明虎，李新泰. 某车库坍塌诱因分析及处理建议[J]. 建筑结构 2015，45(S2)：196-199 [6] 郑云 , 惠云玲 , 弓俊青. 某无梁楼盖结构破坏原因分析及加固处理[C]. 全国建筑物鉴定与加固改造学术会议，2004：374~378. [7]易伟建，朱泽华，赵晋. 偏载下板柱结构中柱节点破坏试验研究[J]. 土木建筑与环境工程，2015，37（4）：1-11 [8]杨开. 钢筋混凝土板受冲切可靠度分析[D]. 湖南大学， 2012. [9]李博宇. 钢筋混凝土平板无梁楼盖抗冲切承载力研究[D]. 西安建筑科技大学， 2013. [10]Tian Y，JirsaJ O, Bayrak O. Strength evaluation of interior slab-column connections[J]. ACIStructural Journal，2008 :692 -700. 作者：孙海林1，李易2，孙庆唐1；单位：1 中国建筑设计院有限公司，北京 100044；2 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京100124) |
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