【深度】无梁楼盖倒塌的原因

这是一封含金量极高的回信,《混凝土规范》资深专家白生翔研究员针对当前地库无梁楼盖倒塌原因引起的争论,在信中详细阐述了“直冲”、“直剪”和“弯冲”等的破坏机理,并对当前多起无梁楼盖倒塌事故的原因给出了自己的判断。全文内容略有些长,相信您耐心读完后一定会受益匪浅。

高文皂总工:

研读了来函,从中看出您是一位既能认真研究学问又有丰富设计经验的专家。为此,我在本函中将对“直冲”(即双向沿正截面剪坏)与“直剪”(即单向沿正截面剪坏)的理念以及地库无梁楼盖倒塌的可能原因,从个人的立场阐述自己的学术观点,供参考:

“直冲”破坏

1、从外行的角度谈谈子弹射击玻璃的破坏现象,当高速子弹射到四边嵌固的平板玻璃上,在冲击波与子弹冲量作用下,玻璃将被直穿出一个孔,此可称为“直冲”,这大概是冲击波速远大于玻璃的应力波速度而造成上述的所谓“直冲”破坏;当一位大力士用尖头锤击玻璃,在猛烈的敲击下,玻璃将会产生钉锤下的小孔及其沿小孔周边呈局部的放射状的裂缝,这样的破坏现象很类似我们钢筋混凝土板发生的受冲切承载力破坏,故可称之为“冲切”;如果对该平板玻璃施加一个居中的集中荷载,按静力加荷方式直至玻璃破坏,此时会发现平板玻璃的跨厚比较大的情况下,会出现类似数条大裂缝而迅即脆性破坏,这属玻璃特性,但在此拟其为呈平板结构的受弯状破坏,或者此拟为钢筋混凝土平板呈双向板塑性铰线似的破坏。

2、对金属板产生“直冲”破坏的典型例子是:冲床冲孔,其孔必然是垂直的。

3、发生“直冲”破坏的条件是:被“直冲”破坏的板类部件本身要具备足够的刚性和整体承载力,才能实现局部的“直冲”破坏;局部的“直冲”承载力将会受到周边结构部位的约束,其“直冲”能力将会有较大提高,这里可能会涉及双向或三向的强度问题。

4、对钢筋混凝土板进行“直冲”的试验研究,据我的估计是极少的,在六十余载从事钢筋混凝土研究中,甚少见到这方面的论文可供参照。我个人曾在下放到预制构件厂工作时,模拟杯口基础底板冲切试验,但发现破坏均呈“冲切”的喇叭口状,如下列图示;对于素混凝土板进行“直冲”试验,按我的想象,可按下列图示来做:

【深度】无梁楼盖倒塌的原因

素混凝土板试验

从上述两种破坏图示意中可知,两种试验的承载力值必定是:

【深度】无梁楼盖倒塌的原因

实际冲切锥呈喇叭状破坏面上主要靠混凝土抗拉强度来抵抗破坏面上的主拉应力(概念表述,并不准确);而在“直冲”试验中,“直冲柱体”受到周边混凝土块体的约束,沿破坏面上的压剪强度会有较大提高。

因此,不能简单地看到柱头顶穿楼板呈“直冲柱体”状的破坏面,就认为是“直冲”破坏。

“直剪”破坏

1、“直剪”,顾名思义,直接承受单向的剪力,因此可定义为剪跨比且沿垂直的单向正截面上发生的破坏,就称其为“直剪或纯剪破坏”。

2、国内外对“直剪”的研究做了大量的试验,典型的试验方法如下图所示。

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3、许多国家的标准中,均提供“直剪”或“纯剪”的承载力计算公式,归纳得比较科学合理的可能是fib《模式规范》MC2010中所给出的表达式,在“北京某地库钢筋混凝土无梁楼盖连续倒塌原因初步评估”中已给出,可供参考。

4、在混凝土结构构件中遇到“直剪”的地方是:叠合构件的叠合面、分两次浇捣且面积较大的施工面、楼板与托板之间的界面等,在此情况下,近似取是可行的;至于框架梁梁端,由于其较大,取进行“直剪”的承载力计算是偏于不安全的。

5、“弯剪”破坏与“直剪”破坏的区别:两者均是发生在正截面上的破坏,此时的“弯剪”破坏是在较大且纵向受拉钢筋可达到屈服为前提,尽管剪力值V的存在会产生一些斜裂缝,但最终破坏将表现为正截面受压区混凝土达到剪压强度为准,其计算相当于在正截面上要满足下列两个平衡条件,即此处Vc为受压区混凝土提供的受剪承载力(有压筋时尚应将其计入),Mu,v是考虑剪力影响后的按受压区混凝土剪压强度计算的受弯承载力。我已撰写出关于“钢筋混凝土正截面弯剪承载力计算法”一文,正在打印中。在楼盖中会产生支座负弯矩塑性铰线的地方,该处的正截面承载力计算就宜用上述的弯剪相关的承载力计算,而不是现行《规范》中按与两个互不相关的公式进行计算。当然,这将是一个需要展开学术争鸣的问题。

三、无梁楼盖的破损过程及其倒塌

1、当前,大家对地库无梁楼盖的倒塌有多种观点和原因分析,但均是指看到倒塌后的状态来做出评估的,并且大家均以柱头冲破楼盖而仍然歪斜挺立,作为发生“冲切”破坏或“直冲”破坏的重要依据。但是,如果不对无梁楼盖承担覆土过程中,楼盖本身在受力过程中产生的效应变化进行分析,就难于合理判断究竟哪个是主导原因导致楼盖连续倒塌的。

2、首先,对楼盖按常规的设计要求下存在哪些不足、欠缺甚至是错误,应有一个全面的了解(遗憾的是我在这方面难于做到,在后面的论述中必然会带来欠妥的后遗症),这是作出科学合理评估的前提条件。

3、按照《规范》GB50010的逻辑理念,无梁楼盖应有:正常使用极限状态、承载能力极限状态、连续倒塌极限状态。下面将以有限的知识、局限的信息为基础,提出个人主观的三个极限状态的发展历程,供您参考和评论:

(1)据有关方提出,该工程的混凝土强度、配筋、几何尺寸等质量情况良好;唯有从混凝土取样时,发现楼板与托板的界面存有接搓缝,取出芯样后即分离。按规定的设计工况下,该楼盖柱顶处的冲切验算不符合《规范》GB50010的要求;还有认为柱顶上防连续倒塌的楼板底部整体配筋不符合《规范》GB50011式(6.6.4)的要求等。

(2)处于上述情况下的楼盖,在其板顶上不断填土加载下,按钢筋混凝土结构构件的受力机理,在楼板配筋率不大的情况下,定会产生裂缝。作为柱支撑的楼板,必然会在最大负弯矩和最大正弯矩处逐步出现裂缝并不断扩展,其裂缝如下图所示。

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上述图示仅反应主要的裂缝开展模式,但不一定是唯一的,还有其他相近的裂缝开展模式。

(3)在继续增大堆载条件下,柱边负弯矩裂缝将会扩展到托板内,由托板内的受压区抗力来平衡柱间距的区格板内纵向受拉钢筋中的拉力,这样的受力状态将有可能在纵筋达到屈服强度之前就会出现;跨中正弯矩裂缝同样会不断扩展,此时x、y两个方向的正、负弯矩将产生明显的内力重分布。

(4)由材质的不均匀性、几何尺寸的偏差性、荷载堆置的不匀衡性等随机因素,即使是配筋相同的正方形中间区格板,在x、y轴方向,总会有一个方向最早进入纵向受拉钢筋屈服的状态,且屈服范围会随荷载增大不断扩大,在上述的随机因素影响下,正方形区格板会发生在x或y轴中的一个方向首先产生单向的塑性铰线并继续扩展延伸,导致另一个方向上的塑性铰线延缓扩展,最终达到极限平衡理论所述的最不利之一的极限承载力,此时双向板变成了单向板的破坏,由此构成柱支撑楼板的主要破坏模式。

从极限平衡理论出发,尚应去寻找可能发生的其他最不利破坏模式,对配筋相同的正方形中间区格板,在上述的随机因素影响极小的情况下,可能会发生下列图示的破坏模式,它是在正常使用极限状态下就已开始形成,并逐步发展到两个方向基本同步达到承载能力极限状态。

【深度】无梁楼盖倒塌的原因

鉴于上述两种破坏模式的承载力差异不大,所以苏联规程在上世纪三十年代就提出无梁楼盖可按两个方向分别采用单向板计算,美国规范在上世纪六十年代提出的“直接设计法”,本意与苏联规程基本一致;苏联规程也早于美国规范提出采用“等代框架”的设计计算方法。

4、如果我们承认下列事实:

(1)北京地库结构存在上述的设计和施工质量问题;

(2)地库倒塌时实际承受到了大约为荷载标准组合值的水平;

(3)地库无梁楼盖在达到承载能力极限状态时,会产生上述的正、负弯矩塑性铰线。

于是我们就会想到可能会发生下列的破坏:

(1)如果托板与楼板之间真是无粘结状况,此时的楼盖实际上就成为了无托板的板柱结构,大大降低了抗冲切的截面有效高度,发生“冲切破坏”的可能性将会很大,通过计算可作出估计。

(2)如果托板与楼板之间的接搓缝仍有一定的粘结强度,可保证托板与楼板整体工作,于是沿柱边的负弯矩塑性铰线正截面上的受压区将会处于托板内,即使此时的铰线未充分形成,即是截面上纵向受拉钢筋未达到屈服或局部屈服,截面处于此受力状态下,其纵向钢筋拉力将会与受压区的压力,构建起对楼、托板交界面(接搓面)产生纯剪切作用,导致有限的粘结抗剪强度失效,随之接近素混凝土的托板开裂后即会塌落,改变了楼盖原有的受力结构体系,楼板额外地骤然地承担极大的原有荷载,导致楼板迅即形成悬索状受力,这股由楼板内纵向钢筋的拉力骤然增大并拉拽边墙纵筋进入强化段后拉断或被拔出,紧接着内跨区格板产生类同性质的破坏,连锁反应地造成地库大范围倒塌。这就是我们在“初步评估”报告中论述的观点。

5、按柱头处楼板破坏特征确定破坏主因的可靠性:

(1)我提到地库连续倒塌将会破坏掉承载能力极限状态的破坏特征,因为在楼板中纵向钢筋从柱头处被拉断的过程中,完全有可能将柱头旁的楼、托板残余物顺带掉落,当然也不能说是百分之百掉了,如有残余物,要作出判断也会存在困难