浅析克拉玛依教育基地工程教学楼井字梁结构方案

浅析克拉玛依教育基地工程教学楼井字梁结构方案

薛建

中国建筑上海设计研究院有限公司

摘要：目前，由于经济、政治以及文化等领域的发展，诸多建筑需要大空间的布局，这时往往采用井字梁楼盖结构，井字梁楼盖布置方案也有多种，本文通过对克拉玛依教育基地工程某教学楼项目井字梁屋盖做经济技术分析，并统计部分对比数据，对井字梁的布置方案及注意事项做一定的探讨。

关键词：井字梁；楼盖；钢筋混凝土；配筋；挠度

近年来，为了满足部分建筑在使用功能上的特殊要求，例如某些建筑的门厅、餐厅、教室、会议室、展览厅等，这些房间一般需要较大的使用空间，工程设计人员往往在这些位置布置钢筋混凝土井字梁楼盖。

钢筋混凝土井字梁楼盖与一般现浇钢筋混凝土楼盖受力特点不同，它具有两个方向共同受力的优势，这个优势可以降低梁高，并且井字梁楼盖造型也较美观。因此，近年来井字梁楼盖体系得到了普遍应用。下面就克拉玛依教育基地工程某教学楼项目对该楼盖体系做一定技术经济分析。

克拉玛依教育基地工程某教学楼在局部位置自一层至五层分别在每层设置三个阶梯教室，分别容纳162人、126人、96人，由轴线至轴线计算其平面尺寸分别为17.2米×13米、13.6米×13米、12.2米×13米。该项目梁、板纵筋均采用HRB400钢筋，梁、板混凝土采用C30，该屋面按上人屋面设计。由于建筑需要控制净高，并需要大空间，经过综合考虑，尝试在阶梯教室部位采用井字梁布置方案。

该建筑162人阶梯教室采用正交井字梁楼盖，126人阶梯教室与96人教室结构布置时合并在一起，两阶梯教室间仅用砌体填充墙分隔为两个教室。为了使技术经济分析简化，这里仅分析126人阶梯教室与96人阶梯教室屋盖的井字梁布置方案。该处井字梁屋盖平面轴线间长为25.8米，轴线间宽为13米，长宽比为1.98。最初，考虑的是采用正交正放的梁格布置方案，分别如下图1、2所示。这两种布置方案中，楼盖受力性能介于双向受力与单向受力之间。其中，短跨向梁内力远远大于长跨向梁内力，这两种正交正放的梁格布置方案都使得纵横两个方向井字梁相互协同工作能力及空间整体受力性能大打折扣。经过分析研究讨论，最后考虑采用正交斜放的梁格布置方案，如图3所示。

在上述3种井字梁楼盖布置方案中，每种布置方案的特点分别如下：

布置方案1的主要问题是短向井字梁及与其相连的框架柱承受比较大的内力，且纵横两个方向井字梁相互协同工作能力及空间整体受力性能大打折扣。

布置方案2的好处是通过调整短向井字梁位置，使井字梁避开所有框架柱，使短向井字梁无主次之分，该向井字梁受力相对更接近、更均匀，并且解决了梁与柱交接位置梁端负弯矩及框架柱外侧弯矩过大这一问题。但这种布置方案不利的地方是边梁要承受很大的扭矩，在扭矩的作用下边梁附近楼板板面容易开裂，这种布置方案也使得纵横两个方向的井字梁相互协同工作能力及空间整体受力性能大打折扣。

布置方案3一般只在平面长宽比超过1.5时采用，这种布置使得斜向梁跨度相近，所以井字梁楼盖空间受力性能较好，四角斜向短井字梁可起到斜向长井字梁弹性支座的作用，使斜向长井字梁的实际跨度大为减小，因此其内力及配筋也相应减小。但该布置方案不利的地方是四角斜向短井字梁及与其相连的框架柱要承受很大内力。

对以上三种布置方案采用PKPM软件反复验算分析，最终统计了这三种井字梁布置方案的构件尺寸分别如表1所示，并通过统计计算得出该三种方案分别需要的混凝土用量。

一般来说，井字梁高度可取梁跨度的1/15～1/20,该项目受建筑层高的限制,井字梁高度控制较严，所以尽量压缩梁高，加大梁宽度，上述三种布置方案中井字梁高均未超过0.95米。由于井字梁间距较小，划分的梁格也较小，两个方向井字梁之间互相有很好的侧向约束作用，即使梁宽较小，也不会产生侧向失稳，所以往往根据纵筋得摆放要求来确定梁宽，一般以纵向钢筋不超过2排为宜。这样处理可以减少因纵横两个方向纵筋放置位置相互冲突而影响施工质量，也可以尽量保证双向井字梁的截面有效高度。

上述三种井字梁布置方案各有优劣，很难直观判定优劣，故需对其力学性能、经济性、外观、使用要求等进行全面对比分析后，才能最终确定合理可行的布置方案。下面对该三种布置方案进行力学性能、经济性、施工难易程度、外观、使用要求等进行分析比较。

一、力学性能分析

布置方案1

大井字梁底部纵筋计算面积达到6800mm2,顶部纵筋计算面积达到4600mm2,大井字梁两端框架柱外侧计算配筋达到4300mm2。从计算结果来看，该方案存在如下几个问题：（1）大井字以及大井字梁两端的框架柱钢筋较多，钢筋摆放较密，施工质量难以保证，会留下较大安全隐患；（2）如大井字梁按照计算结果进行配筋，则裂缝宽度与挠度超过限值，如大井字梁按照裂缝与挠度要求进行配筋，则需增加约30%的纵筋，则梁底纵筋超过2排，且在增加梁配筋的同时还需提高框架柱的配筋量，框架柱的配筋非常困难且非常不合理；（3）根据《混凝土结构设计规范2015版》（GB50010-2010）9.3.8条文说明，如屋面框架梁端上部和框架柱顶端外侧钢筋配筋率过大时，容易引起顶层端节点核心区混凝土的斜压破坏。故对梁上部纵向钢筋面积进行控制，其面积限值为，依据该条，大井字梁顶部纵向钢筋面积不得大于5192mm2，考虑裂缝控制的梁顶纵筋计算面积非常接近该值，实际配筋非常困难。在工程设计时，设计人员往往忽视梁上部纵筋面积限值这一要求，尤其在遇到大跨度钢筋混凝土屋面梁时，这样使得结构存在安全隐患，所以必须引起足够的重视。

布置方案2

该方案中由于双向井字梁介于双向受力与单向受力之间，短向井字梁对边梁扭矩过大，如计算时假定井字梁端与边梁节点为铰接，短向井字梁底部纵筋最大计算面积为4500mm2，最小计算面积为1300mm2，长向井字梁底部纵筋最大计算面积为1200mm2，最小计算面积为700mm2。从计算结果来看，该方案主要存在下列几个问题：（1）纵横两个方向井字梁受力不均匀，短跨向井字梁配筋非常大，长跨向井字梁配筋非常小。（2）如把井字梁端与边梁节点假定为铰接，梁顶配筋非常少，容易导致井字梁端部和边梁位置板顶开裂，如将井字梁端与边梁节点假定为刚接，则边梁扭矩比较大，箍筋配置比较困难。（3）如大井字梁按照计算结果进行配筋，则裂缝宽度与挠度超过限值，如大井字梁按照裂缝与挠度要求进行配筋，则需增加非常多的纵筋，梁底纵筋超过2排。

布置方案3

该方案两个方向井字梁受力比较均匀，因此配筋也比较均匀，两个方向井字梁底部纵筋最大计算面积都为1900mm2，起最小计算面积都为1400mm2，且两个方向配筋比较相似。大部分井字梁底部纵筋计算配筋率都能控制在梁的经济配筋率（0.6%～1.5%）范围内，考虑裂缝与挠度因素配筋后，井字梁底部纵筋最大实际配筋面积为2454mm2，一般井字梁为2281mm2，具有较好的经济性。由于纵横向井字梁配筋量均匀合理也不太大，钢筋配置简单，使得施工时容易保证质量。同时框架柱计算配筋也有减少，外侧纵筋最大计算面积为3200mm2，这种布置方案改善了框架柱的受力，“强柱弱梁”的设计原则容易实现。根据实际配筋计算井字梁裂缝及挠度，该方案裂缝与挠度较容易控制。

二、经济性分析

为了比较这三种井字梁布置方案的综合经济技术指标，分别对这三种布置方案进行实际配筋，分别如图4、5、6所示。

根据三种方案实际配筋结果，分别对其混凝土、钢筋的材料造价进行估算，结果如表2所示。其中，材料的价格是近似根据当地采购前后三个月平均值确定，钢筋取4500元/吨，混凝土取385元/m3。

根据表2结果，方案2造价比方案1高约34%；方案2造价比方案3高约11%；方案3造价比方案1高约20%，如考虑方案1中框架柱受力比方案3大很多，并且由此会增加框架柱造价这一因素，方案1和方案3综合造价已经相差不大。

三、其他分析

方案1及方案2中梁高均比方案3高，且方案3中梁斜向布置造型比较新颖美观。

四、确定井字梁布置方案

从各方面分析结果来看，方案2无任何优势。两向受力也不均匀，且假定井字梁端与边梁铰接容易导致板面开裂，井字梁裂缝和挠度也难以控制；造价也远高于另外两个方案。方案1和方案3在力学性能与工程造价两方面各有优劣，其中方案1力学性能劣势较大，类似于主次梁的荷载传递方式，使短跨向大井字梁的超静定次数较少；同时由于方案1大井字梁纵筋面积较大，尤其大井字梁顶部纵筋较多，容易导致核心区混凝土的斜压破坏。此外，大井字梁和大井字梁端部框架柱配筋太多，施工难度大，施工质量难以控制。方案1相对方案3造价优势又不特别明显。方案3斜向交叉井字梁布置的空间受力性能优势明显，两个方向井字梁的空间协调性好，两个方向井字梁内力及变形相近，并且方案3具有更多的超静定次数，楼盖受力可靠。从整体受力来看，方案3中井字梁受力合理，弯矩变化平缓，配筋面积起伏不大，钢筋放置均匀，容易满足井字梁的纵筋净距要求，降低了施工难度，施工质量容易保证。此外，井字梁斜向布置，造型新颖美观，增加了建筑的艺术性。因此，经过综合分析，最终决定采用方案3的井字梁布置方案。

本项目井字梁楼盖施工过程中，应该注意以下几个事项。

（1）考虑井字梁端部与柱节点处钢筋数量比较多，节点顶部钢筋比较拥挤，不利于自上而下浇筑混凝土，施工质量难以保证，因此该位置宜采用《混凝土结构设计规范2015版》（GB50010-2010）第11.6.7条图11.6.7中（h）的施工方法，如图7（b）所示；而不宜采用图11.6.7中（g）的施工方法，如图7（a）所示；以防井字梁、柱节点处混凝土浇捣不密实而出现节点施工质量问题。

（2）部分井字梁配筋较多，容易使得井字梁截面有效高度受到很大削弱，因此要采取有效措施保证主要受力构件和受力较大构件的截面有效高度。主要有以下几点措施：框架梁与框架梁相交处长向框架梁的顶筋置于短向框架梁顶筋之上，多排的纵筋按图8摆放；框架梁和非框架梁交接处，框架梁负筋置于非框架梁之上，纵筋有多排时按图9摆放。

（3）在框架柱位置，有多根梁交于一点的情况。边梁跨度却相对较小，计算弯矩也不大。在此处，纵筋摆放时应先保证负弯矩大的长向井字梁，再保证短向井字梁，最后保证边梁。当梁内纵筋有多排时，参照图9摆放。

（4）本工程井字梁跨度较大，部分梁计算挠度超限，施工时应考虑预先起拱，起拱量可取短向梁跨度的1/400。本工程在井字梁楼盖正中区域起拱35mm，约为短向跨度的1/370，本工程已经建成并投入使用，使用情况良好。

（5）该工程两个方向井字梁在相交处互为支座，该支座为弹性支座，而不是一般支座。两个方向井字梁底部纵筋不能在井字梁相交处断开，而应将井字梁底部纵筋直通至各自的端支座，如井字梁底部纵筋长度不足，应采用焊接连接，其焊接质量应符合相关规范的要求。

（6）该工程有些井字梁布置时，局部井字梁之间具有明显的主次梁搁置关系，部分井字梁相交处应根据实际受力情况设置吊筋及附加箍筋，不得有遗漏。

结语

由于井字梁结构能给建筑提供更大的空间，近年来得到普遍应用。但井字梁布置方式多种多样，设计人员应充分注意到井字梁的受力特点，选择合适的楼盖布置方案，确保设计的合理性和安全性。

参考文献

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[2]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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[4]程懋堃，柯长华，等.建筑设计技术细则结构专业[M].北京：北京市建筑设计标准化办公室，2005.