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摘要：本文以设计历时六年多的香港西九龙地铁总站及历时一年多的香港国际机场扩建项目的厚板设计实践为案例，总结了厚板设计方法及工程经验。香港西九龙地铁总站站台板厚约700mm~1300mm之间，筏板厚度在1750mm~3200mm之间，对厚板拉弯剪扭内力采用了基于板带方法进行分析与设计，各板带单元按拉弯、压弯构件对承载力极限状态及正常使用极限状态进行承接连续验算；香港国际机场扩建项目筏板厚度在1600mm~3200mm之间，亦采用基于板带的设计方法，但各板带单元仅按纯弯构件进行两个极限状态包络设计，并满足各状态下的构造措施。
关键词：无梁楼盖；厚板；板带设计方法；拉弯压弯构件
0 引言
近两年，国内出现了几起无梁楼盖工程事故，本文总结的设计方法基于香港规范及英国规范，相对于国内的设计，具有一定的借鉴意义，以期加快国内工程精细化设计进程。
香港西九龙地铁总站是连接港深澳大桥与京九铁路香港站的交通枢纽，该工程地下结构为四层，局部五层，采用耐久使用年限120年进行设计。工程标段号810A、810A地下室均为无梁楼盖结构体系，顶板及以上为框架梁板体系，上盖预留两座约220m塔楼办公楼或酒店，作为后期建设预留；工程标段号为811B、811A为地下部分采用了无梁楼盖体系。基础均采用了桩筏基础。主跨纵横大多数为12mx11.5m，靠近地连墙及不规则柱网处板跨略有差别，最大跨度约16m。
香港国际机场扩建项目采用筏板基础，典型筏板板厚3m，南北向柱下设置4.5m条状抗剪带。
本文主要总结上述两个工程中无梁楼盖体系及厚筏板的典型设计方法及构造要求。
1设计原则
项目投标阶段，采用了粗略的等代梁法进行估算；设计阶段，采用基于板带的设计原则，考虑轴力与弯矩的组合效应进行设计，分承载力极限状态和正常使用阶段分别进行设计。
1.1模型模拟方法及分析方法
采用CSI通用有限元软件Etabs对地上地下结构整体建模，建模过程中，主要有以下关键事项：
a．混凝土徐变和收缩，采用温度荷载进行模拟；
b．悬挂结构及非框架梁不参与侧向力（如风、地震）的分配；
c．考虑活荷载不利布置，但不考虑活荷载叠加折减效应。
按抗浮控制和抗压控制的两种状态，采用CSI计算厚板的safe软件，接力Etabs数据，进行板内力分析。抗浮状态，不考虑抗压桩的拉拔力，整体结构采用钢桩抗浮，不考虑土体支撑作用；抗压模型，不考虑抗浮所需的钢桩受压，考虑承压混凝土桩与土的共同作用。单独建立不考虑土体压缩的抗浮模型避免了利用软件提供的非线性分析方法，因safe软件的该功能不被香港屋宇署认可。
1.2设计目标
a．满足承载力极限状态；
b．正常使用极限状态。
1.3设计流程概要
采用有限元软件进行内力分析
1.4构造要求概述
a.各柱上（筏板为柱下）板带的上述c项钢筋结果，需满足延性设计要求的最大最小配筋率，最终配筋结果可不满足该要求；
b.跨中板带需满足最小配筋要求。
2工程的内力分析与构件设计
2.1荷载工况、荷载组合及活载不利布置
香港西九龙地铁总站按以下因素考虑荷载组合：1.裙楼顶盖浮土存在与否；2.火车动力存在与否；3.风荷载；4.塔楼建立前后的地震力；5.温度荷载；6.混凝土徐变与收缩；7.地下通道存在与否；8.高速公路存在与否。及上述恒、活（若有）分别作用和同时作用进行组合。
承载力极限状态荷载分项系数恒荷载1.4，活荷载1.6，恒活与风组合全取1.2，地震1.4，高速公路与地下通道按有利及不利组合，分项系数分别取0.9/1.4（有风参与时1.2）、1.3/1.6。
这些组合工况经过多次审核、审定确定，且对不同部位，如筏板、不同无梁楼盖楼板、竖向构件因单工况而有所不同。考虑到活荷载不利布置的放大系数，承载力极限状态验算的组合数达57x4=228种，正常使用极限状态验算的组合数有17x4=68种，部分截图如右表所示：
而香港国际机场扩建项目仅作为常规项目，荷载组合比较简单，无高速公路、地下通道，因无高层建筑也未考虑抗震设计（香港地区一般工程不考虑抗震设计）。
2.2采用许可的有限元软件进行内力分析
香港屋宇署和房屋署每年都会对各种结构设计软件进行评估及测试，同一软件的不同功能也会有详细评定结果。只有通过测试并公布的软件的具体某一功能，才可在工程中使用，且工程师具有对软件是否适用单项工程应做具体判定；西九龙总站和香港国际机场项目均采用了Etabs v9.7.2和safe12.2.1版本，仅仅使用线性分析功能。
2.3关于两个极限状态的设计
基于有限元的板带设计原理，是由软件通过凝聚单元节点内力，输出各板带的每个点的板带宽度的内力，然后承接各个单工况的内力结果，进行内力组合后，对两个极限状态的连续设计。对各单工况内力的调整，均有工程师完成，这是属于工程设计的范畴。这是国际工程设计的通用做法。通用有限元软件开发公司CSI的后处理过程一直比较弱，其原因在于其软件开发的理念。他们认为，将工程师需要把控设计过程交给程序员，是对工程师称号的侮辱。
3无梁楼盖的设计
3.1厚板的设计方法
1.等代框架法（又称经验系数法）
早期的厚板不考虑楼板剪切变形影响，多采用等代梁等规范中的方法，该设计方法使用简单，技术成熟，对于结构简单、轴网规则的工程很适用。各国规范规定比较类似，均有对应条文，此处从略。
2.基于有限元分析结果的板带设计方法
早期板带设计方法源自等代梁法，即将等代框架进一步细分。基于有限元分析结果的板带设计方法产生于有限元分析法的快速发展之后。CSI公司开发的Safe软件适用于荷载较为复杂的各种板类构件内力分析，可接力其Etabs软件的三维模型数据，考虑竖向力作用下各单工况竖向构件的变形，分析结果准确可靠。
3.2基于板带方法的纯弯构件
香港国际机场扩建项目筏板按纯弯构件设计，即不考虑板内轴力与弯矩叠加效应。对温度荷载效应，按不与其他荷载效应叠加，分别满足即可。
3.3基于有限元的板带方法的拉弯压弯构件设计
西九龙总站项目无梁楼盖厚板设计流程如下：
a.利用软件自带设计功能，参考考虑轴力及弯矩综合作用的配筋结果，对每层结构划分典型计算单元，称之为Bay，一个Bay可包含多个柱网（见上图）；
b.利用有限元软件进行内力分析，从Etabs模型中获取各个Bay各单工况下的板带轴力；从Safe模型中抽取Bay的各单工况下的弯矩；
c.利用独立开发的软件Sectan（已通过屋宇署审核）获取同一板厚不同配筋下1m宽板带的N-M图，由b项内力数据反取满足各组合工况内力的最小配筋，对各个板带的各个点配筋进行汇总，获得承载力极限状态下的配筋结果；
d.利用独立开发验算拉弯构件裂缝的Excel表格（已通过屋宇署审核），采用上述配筋对正常使用状态下组合工况内力进行裂缝复核，对不满足裂缝要求的点，提高配筋等级直至满足要求，汇总配筋结果，此配筋结果即为同时满足两个极限状态的配筋结果；
e.采用safe软件的挠度计算结果判定是否满足正常使用的变形要求；
f.进行冲切验算，满足截面要求时，再计算各个柱周圈需要设置的抗冲切钢筋；
g.接力c项的配筋结果，对各板带抗剪进行复核，截面满足的条件下，不满足抗剪要求的，增设抗剪钢筋。
按此流程，两个极限状态的设计均考虑了各个工况的轴力与弯矩的叠加效应。在大开洞区域，有些部位轴力起到控制作用，板内顶底钢筋基本相同。与力学模型相符。
需注意的是，Safe软件基于有限元的板带方法考虑了双方向板带的扭转效应（wood armor效应），板带的分析内力与计算配筋的内力不完全一致，角部相差较多。
3.4冲切验算
无梁楼盖冲切设计非常重要，若设计不良将可能导致结构脆性破坏。香港地区结构冲切设计原理基本与国标相似，但规定的更为详细。并与相应算例。板厚无变化时有如下两个步骤：
首先，应验算柱边冲切应力满足混凝土截面抗剪延性破坏；其次，按可能破坏面延伸范围每隔1.5倍板厚两圈拉筋进行复核冲切力，验算时应扣除冲切面内的有利面荷载，不断往后验算，直至不需要配置拉筋抗冲剪。6d范围以内的处理完全一致，不再赘述。香港规范关于冲切验算条文如右图所示：
3.5设计过程中出现的问题及解决方法
设计过程中，较为突出是有限元软件分析结果的应力集中问题，一般表现为拉压应力集中。解决方法如下：
1.每个Bay按板块位置适当划分区域，分区域取单工况对不利轴力与弯矩进行组合（如右图所示）；
2.对洞口边单元划分不规则的，可适当细分洞口边板块的单元，并不考虑洞边节点的轴应力。
在建模过程中，板单元与柱单元重叠，这种情况，一般软件输出的内力包含了柱中心节点内力。Safe软件也是如此，在抽取内力后，后续设计中，对内力数据进行线性插值，取柱边内力数据进行配筋设计，但对于板内轴力。
3.6板的配筋图
国际上绝大部分国家和地区，结构配筋图都比较具体，可直接指导施工，无需施工单位进一步做加工图进一步深化。无梁楼盖板图较一般图纸复杂，主要表现在以下方面：
a.板的配筋图顶底钢筋搭接位置有所不同；同层钢筋错位搭接。
b.柱上板带柱顶钢筋按其板带宽度方向，进行实配钢筋再分配，将2/3总面积的钢筋放入中间1/2板带宽范围内；两侧1/4板带宽度各放置总面积的1/6。这与国内规范规定类似。
c.抗剪分布钢筋采用各一拉一，冲剪钢筋沿着柱子周圈每隔0.75d放置（第一圈距柱边0.5d，d为板厚）
3.7筏板与无梁楼盖的对比
1.承载力极限状态验算的区别
筏板需按桩抗压和抗拔状态分别验算，抗压模型中，桩位内力成倒楼盖式分布，当其与上柱位错位时，筏板内力比较复杂，钢筋不应在受力较大部位做接头。普通无梁楼盖钢筋成正常的三段式配筋，在有竖向转换构件时，板内底部钢筋需足够并满足上柱冲切验算。
2.正常使用极限状态验算的区别
与土壤接触的部分，筏板按0.2mm限值进行裂缝验算，不与土壤接触的上表面，按0.3mm裂缝限值验算。室内的普通板顶底均按0.3mm裂缝控制即可。
4结语
国内工程设计多依赖软件结果，一定程度上影响了工程师设计水平的提高，工程事故的发生绝非偶然。
无梁楼盖结构体系的设计原理相对简单，但应重视冲切验算，但规范规定不够细致，缺乏相关算例，尤其在有洞口及存在薄厚板变化时对设计的影响，应概念清晰。
荷载统计及活荷载折减未做差别对待，均采用规范最低要求做法，工程具有特殊性，应对不同工程做不同考量，逐步做到精细化设计。
参考文献
[1]Code of Practice for Structural Use of Concrete 2004.
[2]混凝土结构设计规范：GB50010-2010[S].中国建筑工业出版社，2011.
论文作者:刘爱坤1,Edgar Wong2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/6
标签：内力论文; 荷载论文; 楼盖论文; 香港论文; 厚板论文; 组合论文; 工况论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;