淺談井字梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算

龔偉

摘 要 井字梁結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的空間受力體系，屬于交叉梁系，本文分析了建筑設(shè)計(jì)中井字梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，井字梁結(jié)構(gòu)的一般布置原則以及構(gòu)造要求和計(jì)算分析時(shí)應(yīng)注意的問題，并通過具體的案例做了計(jì)算分析，以供同行參考。

關(guān)鍵詞 井字梁 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 計(jì)算

一、井字梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用

隨著我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，井字梁結(jié)構(gòu)因其合理的受力特點(diǎn)和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布置方式，在工業(yè)、民用以及一些公共建筑中得到了較為廣泛的應(yīng)用。例如，會議室、大型閱覽室以及一些禮堂、賓館和商場等公共建筑的出入口和門廳。

井字梁結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的空間受力體系，屬于交叉梁系，對于鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)，由于梁板整體澆筑，各向梁布置沒有主次之分，與其他一般結(jié)構(gòu)布置相比，有以下顯著特點(diǎn)：

1.各向梁協(xié)同工作，共同承擔(dān)和分配樓面荷載，具有良好的空間整體性能。

2.比一般梁板結(jié)構(gòu)具有較大的跨高比，對于層高受限且建筑上又需要大跨度的建筑，具有廣泛的適用性。

3.由于減少了結(jié)構(gòu)的高度和自重，梁截面也小于一般梁板結(jié)構(gòu)中的主次梁，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4.施工便利，能提供整齊美觀的天棚。當(dāng)然，由于該結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計(jì)算是通過雙向交叉梁間的變形協(xié)同來實(shí)現(xiàn)的，因此，其平面?zhèn)髁褪芰ο鄬?fù)雜，結(jié)構(gòu)分析難度也較大。井式梁結(jié)構(gòu)有多種梁格布置方式，常用的有正交正式網(wǎng)格梁、正交斜向網(wǎng)格梁和斜交斜向網(wǎng)格梁、三向網(wǎng)格梁、設(shè)內(nèi)柱的網(wǎng)格梁等。

另外，目前國內(nèi)工程應(yīng)用比較多的除一般混凝土井字梁結(jié)構(gòu)外，還有預(yù)應(yīng)力混凝土井字梁結(jié)構(gòu)和勁性混凝土井字梁結(jié)構(gòu)。

二、井字梁結(jié)構(gòu)的一般布置原則

一般井字梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)選擇合理的網(wǎng)格間距，確定井字梁截面高度并進(jìn)行井字梁系布置，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析和結(jié)構(gòu)剛度分析。下面，就井字梁結(jié)構(gòu)的布置做一簡單介紹，僅供大家參考。

1.井字梁格間距的選擇。梁格間距一般根據(jù)建筑要求和結(jié)構(gòu)平面尺寸確定，通常取各方向跨度的1/12～1/6，且一般不超過4m。

2.井字梁截面高度的選擇。常用的井字梁截面高度取短向跨度的1/20～1/15，同時(shí)應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)兩方向的荷載分配關(guān)系。

3.井字梁系布置。井字梁系布置很關(guān)鍵，不僅影響井字梁體系在兩個(gè)方向的傳力關(guān)系，而且也影響周邊支撐結(jié)構(gòu)的受力大小和剛度。通常梁系布置，有下列布置原則：（1）優(yōu)先采用偶數(shù)布置。（2）優(yōu)先采用雙向井格相同的井字布置。當(dāng)井字梁結(jié)構(gòu)的周邊支撐體系約束條件相同時(shí)，宜采用雙向井格間距相同和雙向井字梁線剛度相同的布置方式。

合理的結(jié)構(gòu)布置是充分發(fā)揮井字梁結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的最關(guān)鍵的因素，這不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)受力的合理性上，還體現(xiàn)在方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)上。一般來說，合理的井字梁結(jié)構(gòu)布置宜使兩方向梁線剛度相同。井字梁結(jié)構(gòu)體系的布置，決定了該結(jié)構(gòu)體系的傳力關(guān)系和受力關(guān)系；當(dāng)井字梁結(jié)構(gòu)布置在兩個(gè)方向不等強(qiáng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的使用荷載主要由梁系較強(qiáng)的方向承擔(dān)；井字梁結(jié)構(gòu)布置中，兩方向井字梁有的與框架柱相連，有的與周邊環(huán)形梁相連。通過調(diào)整兩方向井字梁之間以及同方向各井字梁之間的內(nèi)力分配關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不同要求。

實(shí)際工程中，通常一個(gè)受力合理而且較為經(jīng)濟(jì)的井字梁結(jié)構(gòu)，不僅需要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，還需要從多次的反復(fù)計(jì)算和調(diào)整才能得到最終滿意的結(jié)果。

三、一些構(gòu)造要求和計(jì)算分析時(shí)應(yīng)注意的問題

1.井字梁截面高度的取值以剛度控制為主，除考慮樓蓋的短向跨度和計(jì)算荷載大小外，還應(yīng)考慮其周邊支承梁抗扭剛度的影響。

2.由于井字梁樓蓋的受力及變形性質(zhì)與雙向板相似，井字梁本身有受扭成分，故宜將梁距控制在3 m以內(nèi)，最大不應(yīng)超過4 m。

3.井字梁一般可按簡支端計(jì)算。

4.井字梁的支承井字梁樓蓋四周可以是墻體支承，也可以是主梁支承。墻體支承的情況是符合計(jì)算圖表的假定條件：井字梁四邊均為簡支。當(dāng)只有主梁支承時(shí)，主梁應(yīng)有一定的剛度，以保證其絕對不變形。

5.井字梁樓蓋兩個(gè)方向的跨度如果不等，則一般需控制其長短跨度比不能過大。長跨跨度L1與短跨跨度L2之比，L1/L2最好是不大于1.5，如大于1.5小于等于2，宜在長向跨度中部設(shè)大梁，形成兩個(gè)井字梁體系或采用斜向布置的井字梁，井字梁可按45°對角線斜向布置。

6.兩個(gè)方向井字梁的間距可以相等，也可以不相等。如果不相等，則要求兩個(gè)方向的梁間距之比a/b=1.0～2.0。實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使a/b在1.0～1.5之間為宜，最好按井字梁計(jì)算圖表中的比值來確定，應(yīng)綜合考慮建筑和結(jié)構(gòu)受力的要求，一般取值在1.2 m～3m較為經(jīng)濟(jì)，但不宜超過3.5 m。

7.井字梁結(jié)構(gòu)跨中撓度較大，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，還要求結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)中各梁的最大的撓度值和最大裂縫寬度，以符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）的要求。井字梁的撓度f一般要求f≤1/250，要求較高時(shí)f≤1/400。

8.井字梁的樓板井字梁現(xiàn)澆樓板按雙向板計(jì)算，不考慮井字梁的變形，即假定雙向板支承在不動支座上。雙向板的最小板厚為80 mm，且應(yīng)大于等于板較小邊長的1/40。

四、工程算例分析及介紹

目前，由于經(jīng)濟(jì)及技術(shù)的限制，新疆范圍內(nèi)磚混結(jié)構(gòu)的建筑還是比較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在做辦公樓和宿舍樓等公用建筑時(shí)經(jīng)常會遇到井字梁結(jié)構(gòu)形式；但對于井字梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算，很多設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)仍存在很多誤區(qū)。針對這一問題，中國建筑工業(yè)出版社于2008年5月出版的《PKPM結(jié)構(gòu)CAD軟件問題解惑及工程應(yīng)用實(shí)例解析》提供了較好的設(shè)計(jì)方法，可供許多觸及井字梁設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們參考。

工程算例：某三層磚混結(jié)構(gòu)宿舍樓擴(kuò)建工程，三層層高均為3.3 m，建筑總高為10.350 m，8度抗震設(shè)防。JL1、JL2、JL3、JL4截面為250×450，BL1、BL2截面為240×500，梁板混凝土等級C20。

建筑長×寬為8.4×10.5 m，井字梁的雙向區(qū)格尺寸均為2.1 m，這種情況做井字梁結(jié)構(gòu)是比較經(jīng)濟(jì)合理的。

計(jì)算程序如下：

1.在PMCAD“人機(jī)交互”中按工程實(shí)際情況建模，墻體按磚墻輸入；在“設(shè)計(jì)參數(shù)”中“總信息”一欄中“結(jié)構(gòu)體系”選用“配筋砌體”，結(jié)構(gòu)主材選用“砌體”。

2.“砌體信息及計(jì)算”中“砌體結(jié)構(gòu)總信息”里“結(jié)構(gòu)類型”選擇“配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)”，然后進(jìn)行抗震計(jì)算（可不輸入邊梁，或者輸入邊梁將邊梁與井格梁相交的節(jié)點(diǎn)支座由剛接改為鉸接），生成“SATWE數(shù)據(jù)”。

3.在SAT-8中進(jìn)行井字梁計(jì)算及分析，讀取“混凝土構(gòu)件配筋及簡圖”，查看井字梁計(jì)算結(jié)果。

查看井格梁計(jì)算結(jié)果，計(jì)算配筋結(jié)果很小，但是井格梁的最大撓度與JL2端跨裂縫寬度較大，經(jīng)過調(diào)整，井格梁及邊梁的實(shí)際配筋為：JL1受力筋為3Ф20（HRB400級鋼筋），JL2受力筋為5Ф22（HRB400級鋼筋）。