井字梁結(jié)構(gòu)布置分析與設(shè)計(jì)

井字梁結(jié)構(gòu)布置分析與設(shè)計(jì)

摘

要：本文介紹了井字梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及井字梁結(jié)構(gòu)布置原則，并通過工程實(shí)例對(duì)井字梁結(jié)構(gòu)的布置進(jìn)行受力分析和總結(jié)。關(guān)鍵詞：井字梁;結(jié)構(gòu)布置;受力分析：TU318

：A0概念井字梁是由兩個(gè)方向截面相同、同位相交、不分主次、雙方向形成井字型的結(jié)構(gòu)。它由鋼筋混凝土雙向板發(fā)展而來。增加雙向板的跨度時(shí)，可以扣除板的下部受拉區(qū)的混凝土，混凝土本身是一種受壓構(gòu)件，扣除混凝土可以減輕混凝土自重的同時(shí)，能更好的發(fā)揮鋼筋的抗拉強(qiáng)度。讓鋼筋在幾條線上集中發(fā)揮抗拉能力，這種結(jié)構(gòu)形式使鋼筋與混凝土分工明確，并且經(jīng)濟(jì)合理。1井子梁特點(diǎn)[1]井字梁結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布置方式，在建筑行業(yè)中受到設(shè)計(jì)者的青睞。井字梁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大空間結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中。井字梁樓蓋由雙向板和交叉梁系組成的空間受力結(jié)構(gòu)體系，分為正交和斜交井字梁兩種形式。這種結(jié)構(gòu)體系能夠滿足建筑物有較大空間的使用功能，受力清晰，其截面高度低于單跨梁，可以降低層高、節(jié)約材料，經(jīng)濟(jì)造價(jià)大大降低。它能夠滿足行政辦公樓、電影院、商場(chǎng)門廳等大空間的設(shè)計(jì)問題，外觀整齊，給人一種美觀而舒適的感覺。井字梁結(jié)構(gòu)體系與其他結(jié)構(gòu)體系梁比較，有如下特點(diǎn)：（1）各向梁同向工作，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(duì)于受高限制且建筑又需要跨度的建筑，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）施工便利能夠提供整體美觀的效應(yīng)。2井字梁結(jié)構(gòu)的布置[2]井字梁結(jié)構(gòu)體系在兩個(gè)方向的傳力關(guān)系可以體現(xiàn)在井字梁結(jié)構(gòu)的布置上，井字梁的布置同時(shí)影響周邊支撐結(jié)構(gòu)受力情況。一般情況下井字梁布置遵循以下原則：（1）采用雙向相同的井字布置。井字結(jié)構(gòu)的周邊支撐體系（柱和環(huán)梁）條件（約束）相同時(shí)，一般優(yōu)先考慮兩個(gè)方向的梁格間距相同布置，即采用兩方向向相同的井字布置。這時(shí)，井字樓蓋的荷載能夠被四周較均勻分配。（2）其次采用偶數(shù)布置。井字梁采用偶數(shù)布置時(shí)，邊梁受力更加合理。井字梁的布置與邊梁受力大小密切相關(guān)。（3）井字梁的間距。是根據(jù)建筑上的一要求和具體結(jié)構(gòu)平面尺寸確定，通常取跨度的1/12～1/6，一般取值在1.2～3m較為經(jīng)濟(jì)，但不宜超過3.5m，a/b宜相等或接近1。同時(shí)還應(yīng)綜合考慮剛度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求。3井字梁的構(gòu)造要求（1）井字梁施工圖表示方法[3]。為明確區(qū)分井字梁與作為井字梁支座的梁，井字梁用單粗虛線表示，作為井字梁支座的梁用雙細(xì)線虛線表示。井字梁通常由非框架梁構(gòu)成，并以框架梁為支座。在結(jié)構(gòu)平面布置圖中，中間無兩端是框架柱連接的梁，只有周邊是框架梁框起的一片區(qū)域網(wǎng)格，在該區(qū)域相互正交的所有井字梁均為單跨，多跨的井字梁為多片網(wǎng)格區(qū)域相連，并且多片網(wǎng)格區(qū)域相互貫通，且相鄰兩片網(wǎng)格區(qū)域分界線即為該井字梁的中間支座。（2）井字梁的截面。一般常用的井字梁截面高度為結(jié)構(gòu)跨度1/20～1/15，當(dāng)結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的跨度不一樣時(shí)，取短方向跨度。這是應(yīng)充分考慮井字梁結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的荷載分配關(guān)系。井字梁樓蓋四周可以是環(huán)梁支撐。只有主梁時(shí)應(yīng)有一定強(qiáng)度及剛度，以保證自身絕對(duì)不變形。若邊梁剛度和扭矩較大，其井字梁截面高度按單跨梁規(guī)定L/8～L/12。其梁寬因考慮布置四肢箍，擴(kuò)大至350mm，并增加了抗扭縱筋。（3）根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]（GB50010-2010）第3.3.2條規(guī)定確定撓度值，對(duì)于一般構(gòu)件撓度值為L/200～L/300;對(duì)于使用對(duì)結(jié)構(gòu)撓度有較高要求的構(gòu)件，撓度L/250～L/400。（4）確定井字粱的跨度比[5]。由于井字粱的跨度比雙向板大得多。所以長短跨比值控制比雙向板嚴(yán)格些。設(shè)Ll為井字粱長向跨度，L2為井字粱短向跨度，當(dāng)L1/L2=1時(shí)，其彎矩、剪力、變形僅為同跨簡(jiǎn)支架的一半左右;當(dāng)Ll/L2>1.5時(shí).粱的彎矩、剪力、變形都將大于簡(jiǎn)支粱的對(duì)應(yīng)值。所以。井字粱的合理跨度比應(yīng)控制在1<Ll/L2<1.5。（5）井字梁結(jié)構(gòu)樓蓋的混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)高于C20[2]?；炷量梢該胶弦恍┚從齽?，適當(dāng)降低水灰比，也可采取減少溫差、跳倉施工、加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)等施工措施。這樣可以避免和減小混凝土樓蓋產(chǎn)生收縮裂縫。（6）井字梁與周邊框架梁相交的端節(jié)點(diǎn)宜采用鉸接設(shè)計(jì)[5]，邊框架粱仍需有足夠的剛度，可以采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，如果采用剛接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，邊梁需進(jìn)行抗扭強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度計(jì)算。否則邊梁容易剪扭不滿足規(guī)范要求。（7）井字梁的配筋要求。井字梁的配筋要求和一般梁的配筋要求基本相同，設(shè)計(jì)中仍需要注意以下幾點(diǎn)：1）兩個(gè)方向井字梁交點(diǎn)的格點(diǎn)按照梁的彈性支座考慮，井字梁只有在其兩端支承處的兩個(gè)支座。為此，兩個(gè)方向的井字梁在布置鋼筋時(shí)，不能在格點(diǎn)處斷開梁下面的縱向受拉鋼筋，而應(yīng)該錨入兩端支座。如果鋼筋不夠長時(shí)，可以采用焊接形式，鋼筋的焊接質(zhì)量需要符合有關(guān)規(guī)范要求。2）在兩個(gè)方向井字梁交點(diǎn)處，長跨度方向井字梁下的縱向受拉鋼筋應(yīng)放在短跨度方向井字梁下面的縱向受拉鋼筋上面，這與一般結(jié)構(gòu)的雙向板的配筋方式相同。3）由于兩個(gè)方向的井字梁不分主次梁，兩個(gè)方向的井字梁在格點(diǎn)處無須設(shè)置橫向附加鋼筋，但應(yīng)配置適量的構(gòu)造負(fù)筋。配置在兩方向的交叉格點(diǎn)處梁的上部，防止在荷載不均勻分布情況下交叉格點(diǎn)可能產(chǎn)生負(fù)彎矩，這種負(fù)鋼筋不宜小于其下部縱向受拉鋼筋的1/3且不宜少于2根12。4工程概況該工程為河北省某鋼鐵廠辦公樓，建筑平面大致呈矩形，長約56m，寬約15m。建筑物共4層，總高16.8m。一、二層層高均為3.9m，三、四層層高均為4.5m?？偨ㄖ娣e約為3400m2。由于功能要求，柱距較大，均采用7.5m柱距。采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為II類。采用天然地基，持力層為粘土，地基承載力特征值為fak=220kPa。上部結(jié)構(gòu)梁、板、柱均采用C30混凝土。該工程一層為會(huì)議室、接待室、更衣室、食堂，二層為各個(gè)部門辦公室，三層局部15m×15m要求職工之家，四層為檔案室、資料室。所以中間抽柱子。在三層及四層取消，局部形成15m×15m的較大空間。如果按普通的主次框架梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)該工程，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單明了，傳力途徑簡(jiǎn)單合理。圖1主次框架梁樓蓋示意圖但是采用此種交梁樓蓋的同時(shí)，也帶來不利影響，主要有幾下幾方面：（1）職工之家、檔案室、資料室荷載偏大，而且板格及梁跨相對(duì)較大，如果按照普通主次梁傳遞受力方式，較大的跨度使梁的截面普遍偏大，并且配筋偏多。如果解決這個(gè)問題，可以采取加大梁截面或者梁布置偏密。但是如果梁高度增大，對(duì)于二層房間所要求的空間不符，而且不設(shè)吊頂時(shí)美觀性較差;如果加密布置梁，對(duì)于造價(jià)經(jīng)濟(jì)方面不合適。另外，荷載傳遞路徑由短方向傳遞給板接著次梁然后主框架梁最后傳給框架柱。按照此方案次梁較密，然后次梁集中將荷載傳給框架主梁，以造成框架主梁彎矩過大，造成彎矩分布不均勻，以致于結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件受力不均勻，各個(gè)結(jié)構(gòu)桿件受力性能發(fā)揮不均勻。更好的滿足主框架梁斜截面受剪、正截面受彎及扭曲截面剪扭承載力計(jì)算要求，就必須加大梁截面和配置較多的縱向鋼筋、受剪箍筋及側(cè)向受扭鋼筋。（2）交梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系布置中，次梁荷載集中傳遞框架梁，其框架主梁需要較大截面和剛度，另外，本工程第三層和四層取消了中間框架柱，該建筑物整體剛度在該層受到影響，建筑物整體剛度變小，周邊的邊柱共同承擔(dān)了被取消的框架柱所承受的荷載。按照結(jié)構(gòu)受力按剛度分配原則，柱位置及截面受到限制，框架柱抵抗框架梁傳遞荷載作用，如果支承框架柱上的框架梁剛度較大，梁柱區(qū)域節(jié)點(diǎn)成為受力薄弱點(diǎn)而造成破壞，抗震規(guī)范要求“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的原則，顯然本工程交梁樓蓋設(shè)計(jì)方案不符規(guī)范要求。采用普通的交梁樓蓋布置可能引起上述不利影響，本工程建筑物雙方向柱網(wǎng)尺寸相同且比較規(guī)整，盡可能滿足業(yè)主對(duì)大空間的要求，本工程結(jié)構(gòu)布置采用了井字梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系。合理的結(jié)構(gòu)布置時(shí)充分發(fā)揮井字梁結(jié)構(gòu)有點(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，而且體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性上。由于實(shí)際工程中每個(gè)井字結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條件都不一樣，因此具有合理的結(jié)構(gòu)布置結(jié)果也各不相同。一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)布置不僅要遵從布置原咋，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)每個(gè)工程的具體情況處理。本工程就針對(duì)結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行受力分析。本工程L1/L2<1.5（該工程L1=L2=15m），考慮到經(jīng)濟(jì)因素，兩道井字梁之間的軸線距離宜控制在2m～3m，最后決定雙方向均取2.5m，兩個(gè)方向強(qiáng)度及剛度相同，荷載就會(huì)兩個(gè)方向分布相同。井字梁布置有“避”和“抗”兩種方式，如圖2圖3所示。圖2為模型1～模型3采取“抗”的方式，圖3為模型4采取“避”的方式。本工程第三層為例針對(duì)井字梁布置進(jìn)行受力分析?？蚣苤叽?00×700，恒荷載4kN/m2，活荷載4kN/m2。分析模型僅對(duì)模型1進(jìn)行調(diào)整。各分析模型的部分結(jié)果見表1。（1）對(duì)比4個(gè)模型的支座負(fù)彎矩計(jì)算結(jié)果可見：與框架柱相連的梁支座約束較強(qiáng)，相應(yīng)的支座彎矩也較大。井字梁與周邊框架梁連接的支座約束較弱，相應(yīng)的井字梁負(fù)彎矩也較小。即使模型2周邊框架梁增大剛度，與之相連的井字梁支座負(fù)彎矩也沒有明顯的增加，表明井字梁與周邊框架梁支座可以近似為鉸接。（2）模型2與模型1計(jì)算結(jié)果可見：周邊框架梁剛度增加后，主要增加框架梁寬度，可以增加抗扭剛度，框架梁支座負(fù)彎矩增加顯著，支撐在周邊框架梁上的井字梁的支座彎矩增加明顯，跨中彎矩則變化不大。周邊框架梁剛度的改變，可以調(diào)整兩方向連接在框架柱上和支撐在框架梁的井字梁內(nèi)力分配。（3）模型3與模型1結(jié)算結(jié)果可見：中間的框架梁截面減小，支座負(fù)彎矩減少不明顯，但是跨中彎矩變化較大，減少比較明顯，減少27%。與周邊框架梁相連的井字梁JZ1支座和跨中彎矩增加明顯。這說明通過調(diào)整與框架柱相連的大井字梁截面尺寸，各井字梁之間的內(nèi)力分配關(guān)系發(fā)生改變。模型1～3大井字梁與柱采取“抗”的方式，大井字梁是與框架柱相連的井字梁，小井字梁套嵌在大井字梁之間，形成大井字梁套小井字梁的結(jié)構(gòu)形式。小井字梁把樓面荷載傳給大井字梁，大井字梁再把荷載傳給框架柱。大小井字梁的分格，可以使樓板及小井字梁的截面更為經(jīng)濟(jì)合理;大井字梁將小井字梁傳來的荷載向兩個(gè)方向傳遞，由于本工程雙方向跨度相同。雙方向大井字梁承受的荷載相同，大井字梁把荷載直接傳給框架柱，這樣，周邊框架梁的抗扭剛度受井字梁的影響較小。（4）模型4調(diào)整井字梁布置形式。井字梁與框架柱采取“避”的方式，井字梁避開框架柱。通過計(jì)算可見：靠近框架柱的井字梁彎矩及剪力都比其他井字梁大，周邊框架梁負(fù)彎矩及支座剪力增加明顯，尤其剪力增加一倍，根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，框架支撐梁剪扭驗(yàn)算超限。為滿足支撐梁的抗扭剛度，可以增大支撐梁的寬度。如果采取此方案，靠近柱位的區(qū)格需做加強(qiáng)處理。通過模型1～3與模型4對(duì)比，本工程采取抗的方式更合理。本工程考慮模型1與模型3配筋結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比如圖4及圖5。由配筋計(jì)算結(jié)果可見，模型3與框架柱連接的大井字梁端部支座負(fù)筋超筋。模型1井字梁及周邊支撐梁都在適筋范圍內(nèi)，所有構(gòu)件都滿足設(shè)計(jì)要求。所以采取模型1更經(jīng)濟(jì)合理。真正的大井字梁套小井字梁的結(jié)構(gòu)形式。5總結(jié)通過本工程計(jì)算分析可以得出：井字梁結(jié)構(gòu)體系的布置，影響該結(jié)構(gòu)體系的傳力關(guān)系和受力關(guān)系，井字梁結(jié)構(gòu)布置中，有的框架柱與兩方向井字梁相連，還有與周圍框架梁相連。兩方向井字梁之間內(nèi)力分配以及同方向井字梁之間內(nèi)力分配，受周邊框架梁以及井字梁的截面大小影響，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同要求可以調(diào)整相應(yīng)截面。另外，調(diào)整井字梁以及周邊框架梁的截面尺寸還可以改變框架柱和周邊框架梁的受力大小。實(shí)際工程中遇到的井字結(jié)構(gòu)是各式各樣，甚至有時(shí)要求在指定條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員一定對(duì)井字結(jié)構(gòu)布置及受力有深刻的了解，一般一個(gè)受力合理的且較經(jīng)濟(jì)的井字梁結(jié)構(gòu)布置，概念設(shè)計(jì)固然重要行，但是還需要考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，這就需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反復(fù)調(diào)整計(jì)算才能得到滿意的結(jié)果。Referenc