李葛葛 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230088）

1 引言

随着我国经济和社会的快速发展，使得城市用地尤其是核心区域的土地日益缺乏，为了提高城市用地的利用率，我国一方面大力发展高层建筑和超高层建筑，另一方面也产生了开发利用城市地下空间的大趋势。在工程实际中，无梁楼盖（板柱结构）由于室内楼板下没有梁，空间通畅简洁，平面布置灵活，能有效降低建筑物层高，这也被国内外众多学者以及实际工程广泛研究与应用。例如，2014年，邹国辉[1]以武汉某商用写字楼工程为背景，对地下室板柱结构分别采用经验系数法、等代框架法、有限元法进行计算和对比分析。2015年，Liu Jin⁃rong等[2]建立了钢筋混凝土板柱构件连接节点的宏模型，并进行了板柱结构的连续性倒塌分析。2016年，吴乐宁[3]对某大型地下车库板柱结构的配筋进行了设计优化。

由于地下土质工况复杂和建筑生产的一次性，决定了每项建设规划都需要根据当地的地质地貌、土体结构、地下水等一系列的影响因素去制定项目规划、设计方案和施工方案。另外，我国大部分施工单位的管理模式不成熟，施工人员的现场经验不足，加之一些设计人员的设计水平不高，这些因素导致工程安全问题和质量问题不断增多。

本文主要通过剖析某城市实际工程坍塌事故发生的原因，总结设计、施工方面的不足之处，吸取经验和教训，避免类似工程事故的发生，为无梁楼盖结构在地下室中的应用提供一些意见和建议。

2 工程概况

2.1 工程项目介绍

某城市住宅小区工程地上共13栋高层，地下车库分为三区和四区，其中三区为地下一层，四区为地下二层，地下室结构形式均为无梁楼盖结构。地下车库顶板厚度350mm，柱帽厚度250 mm～450mm，顶板混凝土强度C30，墙柱及柱帽混凝土强度C35。地下室顶板面相对标高：高区-1.950m，低区-4.450m。高区设计顶板上覆土厚度1.5m，低区设计顶板上覆土厚度2m，高低过渡区设计顶板上覆土厚度2m～4m（图1）。三区和四区交接处车库顶板上回填土施工过程中，三区地下车库顶板局部坍塌，坍塌现场及堆土情况如图2、图3所示，局部坍塌位置如图4中阴影部分所示。

图1 设计堆土高度

图2 三区地下车库坍塌现场

图3 现场堆土情况

图4 地下车库分区示意图

2.2 坍塌前后情况调查

在坍塌前，施工单位发现在三区及四区交接墙处负一层距地面300mm处出现水平向裂缝，裂缝位于AF～AB轴之间，长度约23m。

坍塌后第一时间调查发现：坍塌区域(1/21)/(1/S～1/W)轴以及与12#楼交接的位置，地下车库顶板与墙体交接处钢筋破坏形态主要有三类：第一类为板钢筋被拉断(图5)，板与墙体脱离；第二类为板钢筋从套筒或搭接位置断开(图6)；第三类为板钢筋从墙体中整体拔出，此类破坏形态主要位于锚固连接位置(图7)。坍塌区域(1/25)/X轴车库顶板钢筋屈服但未拉断，混凝土破碎，板未完全脱落(图8)。坍塌区域(1/22)/AB轴柱偏心受压破坏(图9)。坍塌区域(1/22)/U轴柱帽根部冲切破坏(图10)，板整体坍塌。

图5 (2/22)/(Y-AA)轴位置车库顶板钢筋拉断

图6 (2/22)/(X-Y)轴位置板钢筋从套筒或搭接位置断开

图7 (1/21)/(AA-AD)轴板钢筋从墙体中拔出(东侧)

图8 (1/25)/X轴位置板脱落

图9 (1/22)/AB轴柱偏心受压破坏

图10 (1/22)/U轴柱帽根部冲切破坏

现场实测坍塌区域附近高区覆土厚度2.8m～3.3m，低区覆土厚度2.294m，后对坍塌情况进行分析论证，推测过渡区实际覆土厚度为5.8 m左右，超载严重。

3 现场检测结果分析

现场构件的实体质量检测项目包括：混凝土抗压强度、车库顶板板底钢筋间距及保护层厚度、车库顶板板厚、车库柱钢筋配置及截面尺寸、车库顶板板面钢筋保护层厚度和钢筋力学性能检测。

通过对以上实测项目进行分析，得出以下几点结论。

①现场实测的混凝土抗压强度均符合设计要求，具体表现：地下车库柱设计混凝土强度等级为C35，回弹法抽检坍塌区附近地下车库柱混凝土现龄期抗压强度推定值在36.3MPa～52.9MPa之间；地下车库柱、柱帽及墙设计混凝土强度等级均为C35，钻芯法抽检坍塌区附近地下车库柱混凝土芯样试件抗压强度值在41.6MPa～49.0MPa之间；柱帽混凝土芯样试件抗压强度值分别为48.3MPa和49.4MPa，墙混凝土芯样试件抗压强度值在43.1MPa～48.1MPa之间；地下车库顶板设计混凝土强度等级为C30，钻芯法抽检坍塌区附近地下车库顶板混凝土芯样试件抗压强度值在39.4MPa～49.1MPa之间。

②抽检到的坍塌区附近地下车库柱配筋及截面尺寸均符合设计要求。

③钢筋的拉伸、弯曲性能实验表明，现场钢筋符合相关标准中关于钢筋性能的规定，同时重量偏差、内径和横肋高均符合标准规定的要求。

PKPM计算结果 表1

盈建科计算结果 表2

理正计算结果 表3

综合所述，可以得出初步的结论，现场实体结构的施工质量较好，施工质量缺陷不是造成坍塌的主要原因。

4 计算分析

4.1 结构承载力复核验算

局部坍塌区域均位于三区地下室，采用结构设计软件PKPM2010V3.1版、盈建科建筑结构设计软件V2012-1.7.1.0版和理正结构设计工具箱软件6.5PB3版分别进行结构承载力复核验算。计算结果汇总见表1～表3，从表中可以得出以三点结论：

①三种软件对原设计工况下结构承载力的验算结果表明，结构的承载力基本满足规范要求，设计缺陷不是导致坍塌事故的主要原因；

②现场实际工况下，超载区域实际覆土荷载对结构的作用效应超出结构构件的抗力设计值。超载区域的结构在实际覆土荷载作用下已处于不安全状态；

③通过软件复核验算，可以确定现场框架柱可能存在的两种基本破坏形式：一是超载区域框架柱柱帽冲切破坏；二是超载区域板的配筋不足，导致框架柱柱顶发生水平方向的位移，造成框架柱偏心偏压，框架柱偏心受压破坏最终倾覆。

4.2 有限元分析

针对三四区交界处墙体出现了长达23m的水平裂缝和三区车库柱的偏心受压破坏，采用通用有限元软件ABAQUS对局部区域进行了细部受力分析。模型采用实体单元，材料按弹性考虑，跨度按实际情况，边界条件为墙、柱底固接，水平向板端约束X向位移。

从图11可以看出，在设计工况下，此局部区域结构的受力情况良好。从图12可以看出，在实际工况下，950mm高处墙体的最大拉、压应力分别为4.8N/mm2和-5.5N/mm2，三四区交界处剪力墙在地下车库负一层距地面1m范围内受了较大的拉应力，使得墙体出现沿水平方向的狭长裂缝。

图11 设计工况下应力云图（单位：N/mm2）

图12 实际工况下应力云图（单位：N/mm2）

取三区车库某一根柱进行有限元受力分析，其中，柱截面尺寸按设计值取值，结合PKPM软件的计算结果，读取柱顶最大轴压力N=5760kN，柱顶弯矩M=390kN·m，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[4]考虑20mm附加偏心距。从图13中应力云图可看出，柱的最大压应力达到33.3N/mm2，远远超过柱的抗压强度设计值16.7N/mm2。因此，在现场实际工况下，部分柱产生偏压破坏。

图13 柱有限元分析应力结果（单位：N/mm2）

5 结论

通过现场检测结果以及软件计算分析、论证可以得到该工程地下室坍塌事故的主要原因如下：

①超载堆土是导致坍塌事故的直接原因，超载堆土导致AB/（1/22）轴柱首先压弯破坏，交界处剪力墙强度不足以嵌固三区车库顶板，导致三区车库顶板在交界处产生转动位移，12#楼与三区车库顶板交界处未凿毛导致超载情况下节点处发生竖向滑移，以及顶板配筋不足以支承堆土荷载发生竖向位移，这些原因综合后导致板进一步发生竖向位移，板的坠落使其他柱柱顶发生水平位移，加剧P-△效应，柱产生偏压破坏，随后发生连续性坍塌；

②本工程板柱结构在设计上和施工上存在诸多缺陷，例如柱帽抗冲切承载力的富余度不足，板配筋不合理，对结构关键部位的设计缺乏经验，施工管理混乱，对关键性的施工工序未充分重视。

6 经验启示

通过对本工程地下室无梁楼盖结构坍塌事故原因分析和研究，对类似的地下室无梁楼盖结构有以下经验启示：

①应该增大柱帽的抗冲切承载力使其有合理的富余，保证结构有足够的可靠度；

②柱上板带配筋力求合理，应该设置箍筋或弯起钢筋，以保证板柱节点处的抗剪承载力；

③地下室板柱结构和剪力墙结构之间不宜设置错层；如必须有错层时，应当增强剪力墙的抗弯刚度和强度，如在交界处剪力墙部位设置边梁或暗梁，每隔一定距离增设扶壁柱或暗柱，加强剪力墙的配筋和增加剪力墙厚度等，并且要保证错层连接节点处的钢筋锚固；

④施工单位应加强对自身施工管理人员的培训与教育；规范自身施工行为，严格作业顺序；对涉及结构安全与质量的问题应引起充分重视，特别是发生过相关工程事故的关键工序及结构的关键部位。