无梁楼板结构的抗震能力分析及应用

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1、无梁楼板结构的抗震能力分析及应用 - 工程事故分析 【摘要】无梁楼板结构是一种比较优良的楼板结构，这种结构具有 施工简便速度快、楼层净高较高、管道穿行方便等优点，在国内外 使用较为广泛的结构形式。【关键词】无梁楼板；板柱结构；抗震性能；质量控制1. 无梁楼板结构1.1 无梁楼板（板柱结构） 的抗震性能比较优良，无梁楼板 一般指带有柱帽或托板的平板结构形式见图 1 示； 无梁平板， 一般指不带柱帽或托板的平板结构形式见图 2 示。1.2 另外一个近年用的比较多的词即是板柱结构，加抗震墙的 称之为板柱抗震墙结构。这个词在国外用的较少，一般是用在 节点上。无梁楼板结构，或称板柱结构，是一种比较好的楼

2、板结构， 因为这种结构具有施工简便、施工速度快、楼层净高较高（ 因而 在同样净高的条件下，可以降低层高） 、管道穿行方便等优点， 所以在国外，尤其在北美洲应用很广，包括地震区和非地震区，应 用都很普遍。这种结构广泛应用于住宅、办公楼、停车楼以及其他 工业与民用建筑。这些国家最常用的楼板形式是“无梁平板” ，也即 无柱帽也无托板的平板，整个楼板厚度是同一的。这种结构模板最 简单，施工速度可以更快。1.3 无梁楼板结构 1906 年第一次在美国芝加哥建成。当时 并没有很科学的设计方法，是作为专利产品出售。由业主将需要的 柱网尺寸（当时一般是 20ft20ft，约相当于 6m6m ） 、层高、层数、

3、荷载大小（当时允许的活荷载一般为 100lb/ft2，约相当于 5KN /m2）等等数据，提交承包商，由他们按合约时间建造完成， 然后按合约规定，在 4 个左右区格（即柱网）内，进行堆载试验， 一般加载时间为 13d，到时候板无明显下垂、开裂等现象，即作 为完成合约，交付使用。以后，随着技术发展，有了计算方法，即现在还常用的“经验 系数法”：mo=1/8qly （lx 2/3c）2 （1）美国规范规定，计算跨度 lx 按净跨 ln 计算，如两边支承柱 中中跨度为 l0 ，假定 ln= 0.9l0，则按净跨计算的 M0，大约 是按中中跨度计算的 80% 。1.4 上世纪 50 年代，在北京设计建

4、造了一批冷藏库，都是无 梁楼板建筑，有肉库、水果库、蛋库等。当时都是按苏联规范和资 料进行设计，有一本从俄文翻译过来名为无梁楼盖的书，里面 介绍苏联曾建造了 9 个区格的无梁楼板足尺模型进行荷载试验。楼 板的配筋计算按上述的“经验系数法” ，在 M0 的计算中采用柱子中 中跨度。从试验结果发现，配筋富余很多，因此，规定以后在 设计中都应将计算所得 M0 乘以 0.7。当时，设计施工的那批冷库都 是按 M0 乘以 0.7 设计的。从 20 世纪 50 年代至今未发现结构有问 题。而我们现在的设计，都按中跨计算，M0 未做任何折减，所以比 苏联方法多用大约 40%的钢筋（1.40.71.0）！比美

5、国的按净跨计 算方法也多 25%（1.250.8 = 1.0）！ 所以，现在所设计的无梁楼板结构，从楼板本身承受竖向荷载来看，实在是富余太多了！1.5 有的资料说，设计无梁楼盖须遵守以下三条要求： （1）每方向不少于 3 跨；（2）各跨的跨度相差不超过 20%；（3） 各跨荷载基本均匀。以上三条要求都是不正确的。这些要求实际上 是对于经验系数法进行设计时的要求（ 也即近似法的要求） 。 如果不满足以上三条要求则不能采用经验系数法，但是可以采用其 他方法，例如等代框架法等等。所以，对于无梁楼板结构不应该有 这三条限制。把不应该作为限制的条文拿来作为限制，是我们现在 某些同行的“常见行为” 。1.

6、6 又比如带柱托板楼板（见图 1（b） ） ，有的资料上介绍 托板宽度 c 必须满足： c （1/6 ） l ，l 为无梁楼板跨度。实际 上这个要求是： 计算板支座负弯矩配筋时，如果把图 3 中的（ h1+ h2） 都考虑进去，则 c 不能太短，否则可能不满足弯矩包络 图的要求。如果计算负弯矩配筋时，不考虑 h2 的有利作用，只将 h2 作为满足抗冲切承载力要求作用时，c 的长度就不一定非满足 c（1/6）l 不可。所以在应用规范条文，以及在看书学习的时候，一定要认真 注意规范条文要求的背景和来源，以免误用。2. 无梁楼板结构的抗震性能（1）关于无梁楼板的抗震性能，有一种看法认为其抗震性能 不

7、好，应在地震区限制使用，以致现行建筑抗震设计规范 （GB50011-2001）所规定的板柱抗震墙结构的最大适用高度，7 度区只有 35m ，8 度区只有 30m。全国兴建的冷藏库由于使用要求， 基本都采用无梁楼板结构，其中有相当一部分是由商业部设计院设 计的，结构工程师感觉 2001 版抗震规范所给出的最大适用高 度太低了，不适用也不经济。事实是规范归规范因有一个适用范围， 而设计中有了抗震墙和良好的抗冲切措施，建得高也不存在安全问 题，如果实在不行就开专家论证会，做具体建筑超限审查，使抗震 墙结构的适用最大高度加以放宽，7 度区放宽到 70m，8 度区放宽到 55m，放宽了满足需要。（2）有

8、一个概念需要解释一下，现行抗震规范中的表 6.1.1 中的各种结构 “适用的最大高度 ” ，不是“限制高度”，它是说规 范所规定的计算方法、构造措施等等，只适用到一个最大高度，例 如对于 7 度区的抗震墙结构，只适用到 120m 高度，超过此高度的 结构应该采用比规范规定更严格的设计、构造要求，而不是不能超 越这个高度。现在常用的”超限审查” 的规定其中之一就是当结构超 过规范“适用的最大高度” 之后，由国家规定的机构聘请专家，提出 各种设计、构造要求。（3）所以，板柱抗震墙结构的高度，如果超过抗震规 范表 6.1.1 中的适用的最大高度，可以采用进一步的加强措施，申 请“超限审查” ，听取专

9、家们的意见，是可以满足增加高度的要求的。3. 无梁楼板结构抗震性能的不足无梁楼板结构的抗震性能有一定的弱点，具体表现在：（1）抗侧刚度较弱，地震时侧移较框架结构大；（2）板柱节点的延性较 梁柱节点差，耗能能力弱；（3）最重要的是板柱节点抗冲切能力差， 地震时可能发生破坏，导致楼板坠落破坏，且板柱节点的不平衡弯 矩会对板产生附加剪切（这点在相关的书上和规范中都提到过） 。针 对无梁楼板结构的这些抗震性能弱点可采用有关的加强措施： 在 地震区宜设置抗震墙，形成板柱抗震墙结构，这样可以减少侧 移和节点弯矩。设墙以后，不仅减少了侧移，还可以减少非结构构 件的损坏。4. 板柱结构具有一定的抗震能力（1）

10、板柱结构宜设置抗震墙，并非必须设置。未设置剪力墙 的板柱结构在地震时也可以表现出不错的性能。1971 年美国洛杉矶 圣婓南多发生强震，有一栋假日酒店为板柱结构，7 层，无抗震墙， 虽然由于较大的侧移使非结构构件受到很多破坏，但是在板柱节点 处并未发生冲切破坏。这是一栋 7 层的板柱结构，横向 3 跨，平均 柱中距为 6.25m，柱截面为边长 450mm 的方柱。板的厚度除层 2 为 250mm 外，其余各层均为 216mm 。建筑物周边的裙梁截面为 400mm550mm。在建筑物的首层、层 4 和顶层设置了强震仪。在 发生地震后的最初 6s，结构的振动周期为 0.7s。9s 以后振动周期变 成

11、 1.5s 。主体结构除了柱边负弯矩区受弯开裂外，其他并无多大损 坏。从此实例可以看出板柱结构还是有一定的抗震能力的。（2）值得注意的是该建筑物的柱和板的截面，比现在设计常 用的截面偏小。在我国 8 度区（洛杉矶实际上相当于我国的 9 度区） 设计这样一栋 7 层的板柱结构，如果要满足位移要求，柱截面要 不小于 650mm，板厚将为 250300mm ，9 度区还要大很多。因此， 按我国规范建成的建筑，遇到同样的地震时，位移会小得多，非结 构构件的损坏也将少得多。但是，这样的位移也会造成损失，应尽 量减少或避免。（3）1976 年唐山地震时，北京和天津的震害调查都表明， 框架结构的震害较严重。

12、2008 年四川汶川地震的震害也表明，框 架结构的震害较重，主要表现在难以实现“强柱弱梁” 。为了实现“强 柱弱梁”的目标，规范规定通过柱端弯矩增大系数提高柱在轴力作用 下的正截面受弯承载力，现行的抗震规范进一步提高了增大系 数，但是要确定梁端实配的抗震受弯承载力仍然有两个不确定因素， 一是钢筋屈服强度超强，二是楼板的有效宽度取值。这两个因素导 致梁端实配的抗震受弯承载力不能确定，因此尽管提高了增大系数， 但仍然不能确定是否能够实现“强柱弱梁” 。由此来看，板柱结构可 以避免“强梁弱柱” ，因此板柱结构的抗震性能并不一定比框架结构 差，尤其是在层数不多、柱截面不大的情况下。5. 板柱结构的应用

13、步骤（1）确定是否设置剪力墙。一般是以 12m（3 层）为界， 超过 12m 时应设置剪力墙；墙的数量宜多于一般框架剪力墙结 构的墙。周边宜设置框架梁。（2）抗震墙应承担结构的全部地震作用。各层板柱和框架结 构，应能承担不少于各层全部地震作用的 20% 。验算柱周边板的抗冲切承载力，注意应加上不平衡弯矩引起的附加剪应力。（3）在不影响使用的前提下，尽量设置托板。冲切验算应验 算两处截面： 柱帽与柱相交处以及柱帽与板相交处。（4）宜采用栓钉抗冲切，尤其是板厚300mm 的情况，抗 冲切不宜采用箍筋的形式。（5）沿两个主轴方向通过柱截面的板底连续钢筋的总截面面 积应符合 AsNG/fy 的要求。连

14、续钢筋的形式可参考图 3。综上浅要分析可知，无梁楼板即板拄结构历史沿革及国外某 板拄结构经过地震的情况，分析板拄结构抗震性能的优点及不足。 并分析现行抗震规范公式所需要的构造要求及做法。给出了板拄结 构的设计步骤和设置抗震墙的要求。在计算中应由抗震墙承担全部 地震应力，并计算柱周边板的抗冲切承载力。抗冲切宜用栓钉，板 厚当小于 300mm 不宜用箍筋形式。参考文献1程懋堃.关于板柱结构的适用高度J.建筑结构学报， 2003（1） 2GB50011-2001 建筑抗震设计规范S 北京： 中 国建筑工业出版社，2001.3GB50011-2010 建筑抗震设计规范S 北京： 中 国建筑工业出版社，2010.4王宗昌 建筑工程质量控制与防治【S】北京 化学工 业出版社 2012.4.