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土木吧丨地库塌了,但不能塌了我们的心!

土木吧 2020-11-20 10:27:05

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作者:王小林

        前日,土木吧报道了北京某地库垮塌事件(详情点击:北京地库塌了!全市设计院都遭殃),在业界引起较大轰动,很多同行因此事件就否定无梁楼盖结构,这是不合适的。

        因这只是个例,而且具体事故调查结果并未公布,具体原因还不清楚,梁板结构也有出现工程事故的,我们不能因此不采用梁板结构;混凝土灌注桩出现的事故更多,我们也不能因此否定混凝土灌注桩,总之,不能把设计或施工过程中出现的个案问题作为评价技术本身的唯一依据,不能因噎废食。

        土木吧是业界有影响力的公众号,针对很多同行对该工程事故报道的反应,本着对技术负责,对行业负责的态度,我们土木吧深度调研了相关规范,咨询了业内对无梁楼盖有深入研究的多位专家,发现严格按照国家规范设计,正常施工的无梁楼盖项目都能达到设计要求,安全度非常可靠。

        根据多位专家建议,在此提醒各位工程师同行,无梁楼盖结构体系本身没问题,因其传力途径比较简洁直接、净空利用率高、造型美观、有利于通风、便于布置管线和施工的优点,所以在特地条件下(比如单层地库),其综合经济性比传统梁板结构有很大优势,但也是因为传力途径简洁直接,所以在满足同样设计安全度的基础上,其抗垮塌冗余度没有普通梁板结构大,所以建议广大工程师,做无梁楼盖冲切验算建议不考虑钢筋作用,抗冲切钢筋作为安全储备;在抗震区或强风地区等有水平力作用的地方,应注意不平衡弯矩引起的附加力;无柱帽平板应在柱上板带中设构造暗梁,在抗震区地上建筑暗梁要参与整体计算,暗梁参与抗震计算,并满足抗震配筋构造。(本段部分内容为西安启元建筑结构事务所孔玉峰总提供,在此表示感谢


        接下来结合工作实践,给大家介绍一下在 “板柱结构”的设计中普遍存在的一些问题,精心设计,才能保证不出问题!

一、常见形式


二、存在问题

1、板面荷载的分配(传递)方式


工作中大家一般认为板面荷载的传递方式有四种方式:

       第一种:悬挑板方式——只向一边传递

       第二种:单向板方式——沿短向传递(两边传递)

       第三种:双向板方式——塑性铰线传递(四边传递)

       第四种:弹性梁、板协同方式——有限元方式

其实这也正是目前我们所常用结构分析软件能够提供给大家的四种板面荷载的传递方式。

正是由于以上的观念,在大家头脑中根深蒂固,在建立结构分析模型时,往往习惯于在柱间布置完梁(含等代梁、虚梁、暗梁)后,由程序来进行整体分析,殊不知,由于无梁楼板的传递方式有其特殊性,往往导致采用软件的结果存在安全隐患。

林同炎教授早在1981年其所著书《结构概念与体系》(典型教材或资料,第一本)中已做过明确推导说明,现将结论摘录如下:无梁板必须首先在一个方向(单向板)传递全部荷载,然后在另一个方向再完全一样地传递一次全部荷载。尽管有些设计人员往往不能认识到这一点,但这是明确的。

林大师的这个结论,在《建筑结构专业技术措施》 (典型教材或资料,第二本)中已有细致、准确的运用,这也是我能找到的唯一一本!

可以想象,荷载传递分配有问题的软件(以SATWE为例)分析结果,能不能拿来就用?

前三种方式通常称作——平面导荷方式,就是传统的处理方式,即作用在各房间楼板上恒活面荷载被导算到了房间周边的梁或者墙上,在上部结构的考虑弹性板的计算中,弹性板上已经没有作用竖向荷载,起作用的仅是弹性板的面内刚度和面外刚度,这样的工作方式不符合楼板实际的工作状况,因此也得不出弹性楼板本身的配筋计算结果。

有限元方式是在上部结构计算时,恒活面荷载直接作用在弹性楼板上,不被导算到周边的梁墙上,板上的荷载是通过板的有限元计算才能导算到周边杆件。这样的工作方式与平面导荷方式相比有两个主要变化:

一是经有限元计算板上荷载不仅传到周边梁墙,也同时传给柱,换句话说柱的受力增加,梁承受的荷载将减少。特别是平面导荷方式传给周边梁墙的荷载只有竖向荷载,没有弯矩,而有限元计算方式传给梁墙的不仅有竖向荷载,还有墙的面外弯矩和梁的扭矩,对于边梁或边墙这种弯矩和扭矩常是不应忽略的;

二是弹性板既参与了恒活竖向荷载计算,又参与了风、地震等水平荷载的计算,计算结果可以直接得出弹性板本身的配筋。

有限元方式可以佐证上述林同炎大师的结论!

2、等代梁与虚梁的建模

等代梁的概念来源于钢筋《混凝土升板结构技术规范》,是为了模拟无梁板刚度以及便于荷载在柱上板带与跨中板带而提出的用于结构分析时的概念,要想利用结构分析软件的结果,那么在建模中要注意的一些准备工作,在《建筑结构专业技术措施》 (典型教材或资料,第二本)中已有细致、明确的提醒。看后可以得出结论,要想直接利用软件(以SATWE为例)的结果,要做大量而细致的手工补充计算,稍不留神,就会犯错 !而且效率大大降低!

如果只需要设计无梁楼板,且不考虑水平荷载作用时,还可以采用虚梁建模。用虚梁建模的注意事项,各个分析软件都有相关说明。

采用虚梁建模时,房间(大板)内需增加布置虚梁,以便得到准确受力!

为了保证弹性板与梁变形协调,应勾选参数“梁与弹性板变形协调”,这样梁的中间节点和板的中间节点是联系在一起工作的。但是,如果不勾选这个参数,板只在梁端节点和梁连接,不能发挥出板和梁共同工作的能力。

3、板的力学模型选取

楼板作为一种空间薄壳结构,可以用壳单元来模拟其刚度。

楼板刚度(壳单元)由面内刚度和面外刚度两部分组成:

面内刚度——膜剪切单元。

面外刚度——板弯曲单元。

楼板分析可以有以下几种分析模型:

刚性楼板:平面内刚度无限大;平面外刚度为0。

弹性板6:平面内、平面外都按实际刚度计算 。

弹性板3:平面内刚度无限大;平面外按实际刚度计算 。

弹性膜:平面内按实际刚度计算;平面外刚度为0 。

各种楼板特性的应用条件:

“刚性楼板”的适用范围:绝大多数结构只要楼板没有特别的削弱、不连续,均可采用这个假定。

相关注意:由于“刚性楼板假定”没有考虑板面外的刚度,所以可以通过“梁刚度放大系数”来提高梁面外弯曲刚度,以弥补面外刚度的不足。同样原因,也可通过“梁扭矩折减系数”来适当折减梁的设计扭矩。

“弹性板6 ”的适用范围:所有的工程均可采用。

相关注意:由于已经考虑楼板的面内、面外刚度,则梁刚度不宜放大、梁扭矩不宜折减。板的面外刚度将承担一部分梁柱的面外弯矩,而使梁柱配筋减少。此时结构分析时间大大增加。

“弹性板3 ”的适用范围:需要保证楼板平面内刚度非常大,如厚板转换层中的厚板,板厚达到1m以上。而面外刚度则需要按实际考虑。

相关注意:一般在厚板转换层不设梁,或用等代梁,并注意上下部轴线差异产生的传力问题。

“弹性膜”的适用范围:仅适用于梁柱结构,设计时不使楼板面外刚度承担荷载,不使梁柱配筋减少,以保证梁柱设计的安全度。

相关注意:不能用于“板柱结构”。设计时可以进行梁的刚度放大和扭矩折减。

在上部结构分析中,怎样考虑楼板的作用,应根据工程的特点来选择。不假区分与选择地采用板力学模型,是不可能得到结构的真实受力的!板柱结构只能采用 “弹性板6”的力学模型。不能选择弹性膜模型,因为弹性膜仅有面内刚度!

4、扁梁和暗梁的计算

两塔92m高层结构的大跨度板全部采用箱体空心板,全楼采用无梁楼盖。    

本工程高度大于《高规》3.3.1条7度70米的限制,为何不属于超限工程,不需超高超限审查?

6、7度大量高层在100米左右,8度高层在80米左右,8.5度高层在60米左右。如何在这些高层中应用空心板,而又不属于超限工程?

本工程属于框剪结构,不属于板柱墙结构,因为内板采用空心板,而内梁采用扁梁(梁高为400mm),而不是暗梁,扁梁两端有柱连接。

结构设计中的梁分3种:普通梁、扁梁和暗梁,扁梁要满足《抗规》6.3.2的要求:

工程中梁高=400≥16*25,柱的钢筋不能大于25mm,第一道防线剪力墙,第二道防线框架,所以结构类型主要属于框剪结构。

总结:

采用扁梁的框剪结构超过板柱墙结构层高限制的50%还是要超高超限审查,如6度120米,7度105米,8度82.5米,8.5度60米,9度或抗震等级一级不应采用。采用普通梁的的框剪结构不受此限制。

为了保证弹性板与梁变形协调,应勾选参数“梁与弹性板变形协调”,这样梁的中间节点和板的中间节点是联系在一起工作的。但是,如果不勾选这个参数,板只在梁端节点和梁连接,那么梁对竖向构件约束程度会失真,难以保证整体分析的准确性!

5、扁梁和暗梁的计算不需超高超限审查?


扁梁和暗梁有两种计算方法:按梁单元算和按板单元算 

1)按梁单元算:按扁梁输入,按实心截面输入,直接计算得到梁的配筋面积。



2)按板单元算:输入虚梁,按板计算,根据板的节点配筋得到梁的配筋面积。

建议采用第1种方法,可避免梁柱交接处的应力集中问题。



6、现浇空心板的计算模型

现浇空心板特点概览一:

现浇空心板是在现浇的楼板内嵌入预制的空心筒芯、箱体或块体。箱体下可以设板,也可以没有板,有板时肋梁为工形截面,无板时肋梁为T形截面。


现浇空心板特点概览二:


现浇空心板的计算有两种模型:

1)按照密肋梁计算 

将箱体之间的肋转化成工形截面或者T型截面的肋梁,肋梁翼缘的宽度取肋梁间距的一半,每个房间形成小的交叉梁系,房间周围的梁是肋梁的弹性支座(如果是墙则为竖向不动支座),各个相邻房间的交叉梁系互相连接,再加上楼层的楼面梁共同形成全层的交叉梁体系。软件按照这样的模型计算楼板上的恒载和活载,没有考虑风荷载和地震作用。当箱体下有板时肋梁为工形截面,无板时肋梁为T形截面。计算结构给出肋梁的内力和配筋。肋梁为T形截面时肋梁的配筋全都配置在肋梁内,但对工形截面肋梁的配筋既可配置在肋梁上,又可配置在箱体上下板内。

2)按照楼板的有限元计算

按照弹性楼板6的有限单元法计算,考虑空心板的因素计算时取用楼板的折算刚度,计算折算刚度的公式取自现浇空心板设计规范。需输入的“板元细分最大控制长度”对楼板自动划分单元,对楼面梁按照考虑梁刚度的弹性支座计算。

力学单元不同,计算结果可能会有较大不同。设计师应有能力,根据工程的具体情况,选用不同的计算方式。

7、设计中如何做?

1) 由于SATWE软件,总是将板面荷载直接倒算到梁(无论是暗梁还是虚梁)上进行整体分析,即使采用了弹性楼板,也没有按上述所提到的“有限元方式”导荷方式,梁板协同必然不够准确。当然也就无法输出弹性板经整体分析后的内力(水平荷载与竖向荷载下)。而采用等代梁分析,正如前述,结构建模的工作量会大大增加,因此对于板柱结构,不建议用SATWE软件进行分析!

另外如上所述,梁板协同存在问题,那么梁对竖向构件(柱、墙)的约束必然也不够准确,可见考虑弹性板后的SATWE软件整体分析结果,也存在问题!

2) 目前PKPM系列中的PMSAP软件,可以比较完整、准确地解决这个问题!但依然需要细致、准确把握软件的技术条件及关键计算参数的设置。

3) YJK软件、GSSAP软件(广厦建筑结构通用有限元)、 佳构STRAT软件,解决此问题的准确度也取决于使用者对软件技术条件的把握。

7、工程实例

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