关于人民防空地下室无梁楼盖顶板采用锥形柱帽的分析

江文科

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510000）

近年来，无梁楼盖结构地下室顶板发生了多起倒塌事故，引起了结构设计行业人士的广泛关注。地下室顶板荷载情况多较为复杂，园林树木，景观假山，覆土变化等荷载等较难真实的反映在计算模型中，导致计算模型与实际使用情况有一定的出入，另外，施工过程中的施工堆载，重型车辆的行驶更是难以预见，给无梁楼盖结构安全造成较大的威胁。但为何相同条件下，梁板结构却很少出现倒塌事故？笔者认为这必然有其设计不尽合理的原因，尤其是常用的锥形柱帽（单倾角柱帽）的一些实际工程常规做法，个人认为其难以达到设计的承载力要求，下面我将就人民防空地下室无梁楼盖顶板采用锥形柱帽与托板柱帽的做法进行对比分析，了解目前锥形柱帽的一些常规做法及其不合理性，并给出解决这些问题的办法。

1 锥形柱帽与托板柱帽的对比分析

假设某人民防空地下室柱跨8000mm，柱截面均为600mm×600mm，无梁楼盖板厚300mm，锥形柱帽和托板柱帽均为3000mm×3000mm×500mm，顶板等效静荷载标准值为55kN/m3，恒载标准值为2kN/m2（不含结构自重），活载标准值为4kN/m2，钢筋混凝土强度等级为C30，钢筋等级为HRB400，某结构计算软件计算得出柱帽施工图分别如图1~图2所示。

图1 锥形柱帽施工

图2 托板柱帽施工

从表1得出，锥形柱帽混凝土含量较托板柱帽减少了约60%，钢筋含量较托板柱帽减少了约63%，其混凝土含量及钢筋含量均大幅小于托板柱帽。

表1 材料用量对比

下面我们从两者的柱边剖面B-B，及柱帽顶部（楼板底部）剖面C-C进行分析。

由图3、图4可知，柱边B-B剖面中，锥形柱帽底部钢筋数量极少，柱帽混凝土由少量的放射筋及箍筋约束。而托板柱帽混凝土由较密的钢筋网将混凝土约束。

图3 锥形柱帽B-B剖面

图4 托板柱帽B-B剖面

由图5、图6可知，柱帽顶部C-C剖面中，锥形柱帽通过4根直径22钢筋与顶板连接，两者连接相当薄弱，尤其在施工过程中，往往先浇筑柱及柱帽部分混凝土至楼板底，然后再浇筑楼板，因此形成的施工冷缝令柱帽与楼板的连接更差。而托板柱帽与顶板由密布钢筋连接，有效地将柱帽与顶板连接成整体。

图5 锥形柱帽C-C剖面

图6 托板柱帽C-C剖面

某结构计算软件抗冲切验算结果对比如下：

由图7、图8可知，锥形柱帽的受冲切承载力与托板柱帽基本相同。

图7 锥形柱帽抗冲切验算结果

图8 托板柱帽抗冲切验算结果

通过上述某结构计算软件计算结果对比，我们发现锥形柱帽相对于托板柱帽，有混凝土含量少、钢筋含量少、柱帽与楼板连接薄弱，受冲切承载力相同等特点。对于无梁楼盖而言，柱帽的受冲切承载力非常关键，尤其在不设置受冲切钢筋的情形下，混凝土受冲切承载力的可靠性必须得到保证，因此，柱帽混凝土应有足够数量钢筋的约束，否则就如同少筋混凝土一样，容易开裂失效。

2 锥形柱帽的做法分析

通过上面的分析对比，相对于托板柱帽而言，锥形柱帽更容易出现承载力不足的问题。为解决此问题，首先应增加柱帽底部放射钢筋的数量，以满足“柱帽最小配筋率”的构造要求。目前很多人民防空地下室的实际工程中，锥形柱帽的配筋大都没有“柱帽最小配筋率”这个概念，从而导致某些工程项目锥形柱帽的放射钢筋数量很少（常见的是8条直径10mm的放射钢筋），给工程设计带来很大的安全隐患。而很多的设计人员认为，柱帽底部为受压区，对钢筋的数量没有要求，这是不正确的，根据《人民防空地下室设计规范（GB 50038—2005）》第4.11.9条：

4.11.9 钢筋混凝土受弯构件，宜在受压区配置构造钢筋，构造钢筋面积不宜小于受拉钢筋的最小配筋率；在连续梁支座和框架节点处，且不宜小于受拉主筋面积的1/3。

从上述条文可以看出，对于钢筋混凝土受弯构件，其受压区也必须配置足够的构造钢筋，这个条文的要求分了两点：①对所有的钢筋混凝土受弯构件作了最小配筋率的要求；②对于连续梁及框架节点处，除了宜满足最小配筋率要求外，尚宜根据其实际配置受拉钢筋数量的1/3配置受压区的构造钢筋。柱帽显然属于钢筋混凝土受弯构件，柱帽底部则属于受压区，所以，柱帽底部的配筋必须满足上述条文的规定。

根据《人民防空地下室设计规范（GB 50038—2005）》第D.3.1条：

D.3.1无梁楼盖的板内纵向受力钢筋的配筋率不应小于0.3%和0.45ftd/fyd中的较大值。

从上述条文可以看出，当混凝土强度等级小于C50，且钢筋强度等级为HRB400时，柱帽底部最小配筋率不宜小于0.3%。

托板柱帽因其是等截面构件，可直接由配筋率乘以其截面尺寸得出所需的钢筋数量，而锥形柱帽是变截面构件，笔者认为可以按其平均截面高度来确定其截面尺寸，如下图9中的锥形柱帽柱根处高度为500mm，平均截面高度则为500/2＝250mm，最小配筋率为0.3%，得每沿米配筋为250×1000×0.3%＝750mm2/m，锥帽高为250mm处对应的柱帽宽度为1800mm，则柱帽底部配筋应为750×1.8＝1350mm2，图9中实配钢筋为7根16mm钢筋，则7×201=1470mm2>1350mm2，配筋满足“柱帽最小配筋率”要求。

图9 锥形柱帽设置放射钢筋

需要注意的是，应根据柱的截面尺寸来选择适当的放射钢筋数量，放射钢筋数量越多，在柱范围交集的钢筋就会越密，过密则会影响柱的混凝土浇筑质量，所以首先应控制柱范围钢筋的疏密程度，在此基础上再对放射钢筋的直径进行选择，最终满足“柱帽最小配筋率”的构造要求。

除此以外，也要考虑锥形柱帽的“箍筋”对放射钢筋的约束能力。柱帽范围类似于加腋框架梁的支座箍筋加密区，在图9中，对于大尺寸的柱帽而言，外围一圈直径10mm间距100mm的环箍对放射钢筋的约束能力无疑是相当薄弱的，增大环箍直径及肢数可以提高环箍对放射钢筋的约束能力，但由于尺寸过大的问题，增加的环箍长度大，经济性差，同时施工也较不方便，个人认为可以在锥帽范围设置适量的拉结筋，由拉结筋来增强对放射钢筋的约束。另外，在柱边冲切锥线范围的拉结筋，对提高柱边受冲切承载力也有帮助，做法如图10所示。

3 结语

综上所述，通过增加锥形柱帽底部放射钢筋的数量，使其满足“柱帽配筋率”构造要求，同时在锥帽范围设置适量的拉结筋，以增强对放射钢筋的约束，通过这两项措施可以有效的保证柱帽受压区承载力的可靠性，增强锥形柱帽与楼板的连接，同时提高柱边受冲切承载力。

图10 锥形柱帽设置拉结筋