井字梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)技巧分析

摘 要 從井字梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展、建筑功能需求與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、布置原則、計(jì)算與構(gòu)造等方面對(duì)井字梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。文章結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及多模型計(jì)算分析對(duì)比，提出了井字梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技巧。

關(guān)鍵詞 井字梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);應(yīng)用;設(shè)計(jì)技巧

1井字梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)大跨度、大空間建筑功能的需求也日益突出。井字梁結(jié)構(gòu)作為由雙向板發(fā)展、演化而來的空間受力結(jié)構(gòu)，由于雙向板為雙向受彎構(gòu)件，隨著跨度的增加，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致板厚度的增大。雙向板下部混凝土的受拉能力很低，主要依靠受拉鋼筋來提供承載力。隨著板厚的增大，導(dǎo)致自重增大，為了減少自重，充分發(fā)揮截面抗彎能力，將樓板下部混凝土兩向均勻、間隔挖除，僅保留布置受拉鋼筋的鋼筋混凝土帶，這就形成了雙向井字梁系[1]。

2井字梁結(jié)構(gòu)的需求與優(yōu)勢(shì)

由于井字梁結(jié)構(gòu)具有能滿足較大空間需求、各向受力均勻、建筑效果美觀、大方簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，在民用建筑中已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用與發(fā)展。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，對(duì)大跨度建筑功能需求異常突出。對(duì)于有大空間需求的辦公樓會(huì)議室、食堂宴會(huì)廳、學(xué)校階梯教室、禮堂、展覽廳、車站、大型商場(chǎng)等公共建筑，不允許建筑功能區(qū)范圍內(nèi)有豎向構(gòu)件，或者要求梁底應(yīng)平齊等原因，導(dǎo)致其樓（屋）蓋采用井字梁結(jié)構(gòu)。

由于井字梁結(jié)構(gòu)具有自重輕，傳力路徑簡(jiǎn)單、明確，抗扭能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，所以合格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮井字梁結(jié)構(gòu)安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的特點(diǎn)。井字梁作為傳統(tǒng)的樓（屋）蓋形式，具有受力均勻、傳力明確、協(xié)同工作等力學(xué)優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于12～25米跨度的局部或頂部大空間結(jié)構(gòu)中。另外，斜放正交井字梁系由于其梁系的均勻排布給建筑賦予了不一樣的韻律美。

3井字梁結(jié)構(gòu)的布置

井字梁結(jié)構(gòu)通過X、Y兩向梁系協(xié)同工作，類似于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的受力形式，變形形式同雙向板構(gòu)件。結(jié)構(gòu)受力形式保證了各個(gè)梁受力均勻變化，荷載傳遞明確、簡(jiǎn)單，協(xié)同受力的優(yōu)點(diǎn)。

為節(jié)省建筑空間，保證經(jīng)濟(jì)性，梁截面尺寸不應(yīng)過大，在滿足合適配筋率的前提下，應(yīng)減少梁截面寬度、高度。井字梁系間距的布置對(duì)井字梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性影響特別顯著，故井字梁結(jié)構(gòu)中梁系間距的確定應(yīng)根據(jù)跨度大小，一般在2.0～3.5米之間。項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，按照經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、撓度限制，不斷調(diào)整間距，優(yōu)選出最優(yōu)梁系間距。由于梁系間距控制在3.5m以下，兩向梁系具有相互支撐作用，梁的抗扭能力較強(qiáng)，截面寬度可取高度的1/4～1/5之間。為滿足抗扭、抗剪要求，邊梁截面尺寸比井字梁系大25%左右。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，井字梁采用偶數(shù)根布置時(shí)，受力更均勻，更易發(fā)揮各個(gè)梁的抗力水平。對(duì)于兩向跨度比不大于1.5的井字梁結(jié)構(gòu)可采用正放正交形式。對(duì)于兩向跨度比大于1.5的結(jié)構(gòu)，可采用斜放正交井字梁形式，或者在長(zhǎng)向中部設(shè)置大梁以將井字梁分割為兩跨井字梁。

4井字梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與構(gòu)造要求

初步計(jì)算分析時(shí)，對(duì)于正放正交井字梁，可取截面高跨比在1/15～1/20之間，對(duì)于斜放正交井字梁，可取截面高跨比在1/20～1/25之間。根據(jù)井字梁配筋率、撓度限值等指標(biāo)來優(yōu)選其截面尺寸。井字梁配筋應(yīng)控制在三排鋼筋以內(nèi)，鋼筋較密時(shí)可采用并筋形式，配筋率不應(yīng)大于2.75%。井字梁按照撓度控制時(shí)，應(yīng)扣除施工時(shí)的合理起拱值，該值為扣除施工模板構(gòu)造起拱后的設(shè)計(jì)起拱值。

由于井字梁支座的定義與模擬對(duì)其內(nèi)力計(jì)算影響巨大，井字梁兩端應(yīng)按照鉸接或者實(shí)際邊梁約束能力進(jìn)行分析計(jì)算。邊梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮井字梁系對(duì)邊梁的實(shí)際扭矩、剪力作用，適當(dāng)加大邊梁截面尺寸和加強(qiáng)抗扭抗剪鋼筋，以提高其抗扭、抗剪能力。

按照雙向板樓（屋）蓋的基本構(gòu)造要求，在井字梁施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注明兩向梁系交叉處，短向梁受拉鋼筋應(yīng)放置于長(zhǎng)向梁受拉鋼筋的外側(cè)，以保證主要受力方向梁的截面計(jì)算高度。負(fù)筋的長(zhǎng)度與梁的剛度有關(guān)，剛度越大，負(fù)彎矩越大。不同項(xiàng)目井字梁剛度、跨度差異大，負(fù)彎矩鋼筋長(zhǎng)度難以統(tǒng)一規(guī)定，國(guó)標(biāo)圖集《16G101-1》中要求設(shè)計(jì)圖紙中注明上部縱筋伸出支座的長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)時(shí)梁端支座處負(fù)筋深出長(zhǎng)度應(yīng)依據(jù)其彎矩包絡(luò)圖確定。

梁下部受拉鋼筋連接宜避免采用搭接方式，宜采用機(jī)械連接或焊接。梁下部鋼筋連接位置宜位于支座ln/4范圍內(nèi)。正交正放井字梁相交處不存在支座關(guān)系，故不考慮負(fù)彎矩作用，支座鋼筋應(yīng)按照不應(yīng)小于梁跨中下部縱向受力鋼筋計(jì)算所需截面面積的1/4設(shè)置。由于考慮荷載不利布置情況，梁梁相交處會(huì)存在剪力的傳遞，故兩向梁均應(yīng)設(shè)置附加箍筋。由于井字梁截面高寬比較大，應(yīng)在井字梁兩側(cè)增設(shè)抗扭腰筋。梁柱相交處由于剛度差別較大，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)該區(qū)域相關(guān)范圍樓（屋）蓋鋼筋的配置。對(duì)于跨度較大的井字梁，應(yīng)按照相關(guān)范圍內(nèi)提高框架梁、柱構(gòu)件的抗震等級(jí)，適當(dāng)按照框架梁構(gòu)造要求設(shè)計(jì)井字梁。對(duì)于斜放正交井字梁，由于角部長(zhǎng)度較短的斜梁剛度相對(duì)較大，計(jì)算表明，該短斜梁對(duì)垂直其方向梁系具有支座作用，形成了支座關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照多跨梁設(shè)計(jì)并采取構(gòu)造措施[2]。

5井字梁結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選

井字梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重布置方案的優(yōu)選，不同的方案布置在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上會(huì)有較大的差別，進(jìn)而決定著項(xiàng)目設(shè)計(jì)的成敗。

5.1 是否避開柱位

一種觀點(diǎn)認(rèn)為：若井字梁避開柱位，井字梁層傳遞水平力的能力較弱，且該層柱頂端約束較弱，抗側(cè)力降低，對(duì)抗震不利。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為：若不避開柱位，與框架柱相連的井字梁受力較大，產(chǎn)生巨大的剛度差別。避開柱位時(shí)保證了井字梁系的協(xié)同工作、均勻受力。

筆者認(rèn)為，若不避開柱位，采用“硬抗”的方式，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致框架柱配筋較大，配筋率超限和截面抗剪超限，柱位處井字梁配筋也容易超限。進(jìn)而會(huì)提高超限處各個(gè)構(gòu)件的截面，此種方式造成了各個(gè)井字梁系剛度懸殊大，出現(xiàn)受力集中點(diǎn)，進(jìn)而相應(yīng)位置梁柱在地震作用下可能會(huì)首先破壞。關(guān)鍵構(gòu)件的破壞會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下被各個(gè)擊破，會(huì)出現(xiàn)連續(xù)倒塌的情況。所以布置時(shí)為避免梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中問題，避開框架柱位置，使各個(gè)梁系受力均勻，變形協(xié)調(diào)是比較合適的做法。若由于為保證水平抗側(cè)剛度等原因，井字梁的布置不能避開柱位時(shí)，應(yīng)提高邊梁的截面尺寸，以提高非柱位井字梁的支座約束，進(jìn)而減少柱位處井字梁的受力。

5.2 支座約束按照鉸接與剛接

在軟件分析計(jì)算普及之前，由于采用《井字梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》算法，設(shè)計(jì)人員形成了井字梁支座是沒有豎向位移的固結(jié)支座。如今，絕大部分項(xiàng)目均采用有限元分析軟件進(jìn)行分析驗(yàn)算，避免陷入之前形成的思維慣性。應(yīng)按照井字梁兩端實(shí)際約束情況，考慮真實(shí)的剛度約束和位移的影響，通過有限元分析軟件模擬實(shí)際支座形式進(jìn)行分析計(jì)算。實(shí)際操作時(shí)可按照約束強(qiáng)弱來選擇鉸接或者半剛接。在非柱位處的井字梁，由于邊梁剛度有限，對(duì)該井字梁端部的約束較小，應(yīng)適當(dāng)釋放井字梁端部彎矩作用。

5.3 正放正交與斜放正交

雙向板長(zhǎng)寬比在1.5左右時(shí)，處于從雙向板受力向單向板受力過渡過程，由兩向均勻受力向受力不均勻過渡。為了避免發(fā)生井字梁系兩向受力差別較大，不能充分利用截面抗彎剛度的現(xiàn)象，可以從兩個(gè)方面來加以處理。第一，在長(zhǎng)向中部增加大梁，將井字梁分割為兩跨。第二，采用45度斜放正交布置井字梁系，兩斜向梁長(zhǎng)基本相當(dāng)，受力均勻。通過計(jì)算分析與設(shè)計(jì)比較，可以得知斜放正交井字梁可以更好地協(xié)調(diào)兩向受力，能更好地控制梁撓度，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

6結(jié)束語

由于每個(gè)項(xiàng)目都具有單一性、不可復(fù)制性，在實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整梁間距、截面尺寸等模型布置參數(shù)，對(duì)比配筋面積、混凝土用量、撓度等指標(biāo)，選取相對(duì)較優(yōu)的井字梁布置形式，以滿足經(jīng)濟(jì)效益的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2] 夏炎，魏大平.斜放井字梁特性和工程應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（4）：66-69.

作者簡(jiǎn)介

何浩亮（1990-），男，新疆維吾爾自治區(qū)，烏魯木齊市;助理工程師，現(xiàn)就職單位：新疆天恒基建筑設(shè)計(jì)院有限公司。