普通钢筋混凝土无梁楼盖结构的设计

普通钢筋混凝土无梁楼盖结构的设计
1无梁楼盖结构体系的特点
无梁楼盖结构体系也即板柱结构体系。钢筋混凝土无梁楼盖是组成板柱结构体系重要的结构构件，它施工支模简单，绑扎钢筋方便，能提供较大的建筑净空，便于设备管道的布置与安装，减少建筑层高；在地下结构中采用，可以减少基础埋深，减少基坑土方开挖和基坑支护费用，当遇地下水位埋藏浅时，还可减少施工降水费用。
从结构传力途径方面来说，无梁楼盖结构竖向重力荷载直接由板传到竖向受力构件柱和墙，传力路径简捷。与一般的梁板式楼盖相比，它的楼板厚度较大，楼盖的材料用量较多，以无梁楼盖的经济跨度6米柱网为例，当活荷载标准值为4.0kN/m2时，双向无梁楼盖板的折算厚度为180mm,钢筋用量（按HPB235级钢筋和HRB335级钢筋计，直径大于等于12者用HRB335级钢筋，下同）在20kg/m2左右，普通梁板式楼板的折算厚度为140mm～150mm,钢筋用量在16kg/m2左右。
从结构受力特点方面看，无梁楼盖的抗弯刚度较小，柱上板带的内力要远大于跨中板带，柱子周边的应力高度集中，板与柱子连接部位的破坏形式为冲切破坏；板柱结构的抗侧刚度较普通框架结构要小，在水平风荷载或地震作用下，无梁楼盖结构的板柱节点部位会产生不平衡弯矩，这种不平衡弯矩的反复作用严重影响板柱节点的承载力。因此，国家新近颁布实施的混凝土结构设计规范和建筑抗震规范对板柱结构体系的使用从使用范围上及结构构造上作了规定。
无梁楼盖结构体系最早始于20世纪初的美国，大量应用是在第二次世界大战之后，主要用于高层公寓建筑。在我国，国内第一栋板柱结构试点建筑于1980年建成于四川成都，为六层住宅楼。陕西最早的板柱结构建筑为西安唐城百货大厦，建成于20世纪80年代初期。 在我国，无梁楼盖结构常用于商场，书库，仓库，冷库等类建筑。
在非抗震设防区采用无梁楼盖结构具有较好的经济和安全效益，在抗震设防区，当因城市规划需要房屋建筑高度受到限制时，采用板柱结构也会取得较好的经济效益，但应注意要采取针对性的抗震措施。
本文普通钢筋混凝土无梁楼盖所指为现浇实心的钢筋混凝土无梁楼盖，以区别于现浇空心楼盖。
2.无梁楼盖设计的一般规定
（1）无梁楼盖的柱网一般布置成正方形或矩形，以正方形比较经济，通常跨度为6米左右；
（2）无梁楼盖的柱网在每一方向不得小于三跨，以保证结构有足够的侧向刚度；
（3）无梁楼盖的厚度由受弯和受冲切计算确定，且不应小于150，板的厚度与柱网区格长边计算跨度0的比值为：无柱帽时，0不小于30，有柱帽时，0不小于35;
（4）无梁楼盖的周边应设圈梁，圈梁高度不小于板厚度的2.5倍；
（5）无梁楼盖柱帽的设置及尺寸一般由建筑美观要求和板的抗冲切承载力控制。
3.无梁楼盖内力的计算
现浇无梁楼盖结构内力的分析方法可分为三大类，线弹性分析法、考虑塑性内力重分布分析法和塑性分析法。我国升板规范中的经验系数法和等代框架法均属于线弹性分析法的范畴，是在对国内外无梁楼盖结构设计计算分析研究和试验的基础上，根据我国工程实践经归纳总结推荐的简化方法，要满足一定的条件。
3.1经验系数法
经验系数法是根据弹性薄板理论的分析计算结果，经归纳、总结、简化给出了竖向荷载作用下柱上板带和跨中板带在跨中截面、支座截面处的弯矩分配系数。计算时,先算出总弯矩,再乘以相应的弯矩分配系数即可得到各控制截面的弯矩。经验系数法板带弯矩分配系数如下表所示：
表3.1.1：经验系数法板带弯矩分配系数
截面位置 柱上板带 跨中板带
内跨 支座处截面 0.50 0.17
跨中处截面 0.18 0.15
端跨 边支座处截面 0.33 0.04
跨中处截面 0.26 0.22
第一内支座处截面 0.50 0.17
注：1在总弯矩量不变的条件下，必要时可将柱上板带负弯矩的10%分配给跨中板带；
2对边跨，当有悬臂板且悬臂长度较大时，应考虑悬臂板产生的弯矩对边支座和内跨弯矩的影响。

表中弯矩分配系数是在一定的条件下简化得到的，只要满足这一定的条件，各截面弯矩值的误差在工程设计允许的范围内。采用经验系数法要满足的一定条件如下:
（1）每个方向至少有三个连续跨;
（2）任一区格板的长边与短边之比值不应大于1.5;
（3）同方向最大跨度与最小跨度的比值不应大于1.2;
（4）活荷载为均布荷载，且不大于恒荷载的三倍。
当可变荷载为人防荷载时，考虑到在人防荷载作用下，构件支座处允许出现适当的塑性变形，产生内力重分布，人防设计手册[1]提供的考虑塑性内力重分布后的弯矩分配系数如表3.1.2所示:
表3.1.2：人防荷载作用下板带弯矩分配系数
截面位置 柱上板带 跨中板带
内跨 支座处截面 0.43 0.15
跨中处截面 0.23 0.19
端跨 边支座处截面 0.38 0.20
跨中处截面 0.23 0.19
第一内支座处截面 0.43 0.15
黄成若等人，在试验分析研究的基础上，提出了考虑塑性内力重分布的弯矩分配系数。【2】如表3.2.3所示，表3.2.3为设有边梁时的板带弯矩分配系数。
表3.1.3：考虑塑性内力重分布板带弯矩分配系数
截面位置 柱上板带 跨中板带
内跨 支座处截面 0.42 0.15
跨中处截面 0.24 0.19
端跨 边支座处截面 0.34 0.07
跨中处截面 0.27 0.24
第一内支座处截面 0.42 0.15
经验系数法中的总弯矩按下式计算，计算每一方向的总弯矩时，均假定可变荷载满跨布置。
MX=qby(cx/3)2/8
My=qbx(cy/3)2/8
式中，q—竖向分布荷载设计值;
cX,cY—柱帽在弯矩方向的有效宽度，无柱帽时取零;
—无梁楼盖的计算跨度；
bx,by—无梁楼盖竖向分布荷载的计算宽度。
3.2等代框架法
凡是不适合用经验系数法的，可用等待框架法来计算无梁楼盖的内力。应用等待框架法也有限制条件，即无梁楼盖任一区格长跨和短跨之比不大于3。
等代框架法是将整个结构沿纵、横向柱列划分为具有“框架梁”和“框架柱”的纵、横向框架，其框架梁的高度取板厚，框架梁的宽度取值与荷载的性质有观，当为竖向荷载作用时，取板跨中心线间的距离，当为水平荷载作用时，取板跨中心线间的距离的一半。
按等代框架法计算内力时，应考虑活荷载不利布置，最后得到的框架梁弯矩值按表3.2.1的弯矩分配系数进行分配。
表3.2.1：等待框架法板带弯矩分配系数
截面位置 柱上板带 跨中板带
内跨 支座处截面 0.75 0.25
跨中处截面 0.55 0.45
端跨 边支座处截面 0.75 0.25
跨中处截面 0.55 0.45
第一内支座处截面 0.90 0.10
注1.在总弯矩量不变的条件下，必要时允许将柱上板带负弯矩的10%分配给跨中板带；
2.对有柱帽的板，在竖向荷载作用时，所有截面的计算弯矩可乘以0.8的折减系数。
3.3弹性有限元分析法
应用中国建筑科学研究院编制的TAT和SATWE软件，再配合SLABCAD复杂楼板分析与设计软件，可以对无梁楼盖结构进行各种荷载作用下的分析与设计。具体方法和要求详见软件使用手册。
4.板柱节点的设计
要问无梁楼盖结构的设计重点，笔者以为当属板柱节点的设计。前已所述，无梁楼盖结构板柱节点的破坏属脆性的冲切破坏，且在水平荷载作用下，板柱节点部位会产生不平衡弯矩，不平衡弯矩在板柱间的往复作用，会大大消弱板柱节点的抗冲切承载能力。有关板柱节点的抗冲切验算现行混凝土结构设计规范【3】已作详细规定，在此不作论述，此处笔者仅根据设计经验及所搜集到的资料，对提高板柱节点抗冲切承载力的措施作以归纳，简述如下：
（1）结构布置时，尽量将无梁楼盖结构建筑设计成刚性方案，使水平荷载集中地由抗侧力结构承担，减小板柱节点部位由水平荷载产生的往复弯矩；
（2）结构布置时，应在无梁楼盖结构的周边设置边梁，利用边柱受扭卸去边柱、角柱板柱节点内由竖向荷载产生的一部分弯矩和剪力；纵横方向的柱网尺寸不应相差太大；每一方向的柱网不宜小于三跨；
（3）设置抗冲切钢筋提高板柱节点的抗冲切承载力，抗冲切钢筋有箍筋和吊筋；
（4）内埋钢结构抗剪键，提高板柱节点的抗冲切承载力，抗剪键可采用型钢制作，常用工字钢。构件的翼缘宽厚比和腹板高厚比应满足规范要求。
（5）当柱网尺寸较大时设置柱帽或托板；
（6）采用较高强度的混凝土，适当增加板厚。