建筑结构中井字梁设计技术

2013-04-16张强

建材世界 2013年2期

张强

（锦州市建筑设计研究院，锦州 121001）

随着我国综合国力的提升，建筑业迎来了一个蓬勃发展的时期，并且在可以预见的将来还将长期保持这种发展态势。在建筑业的这轮发展期内，各种大空间建筑的发展越来越多涌现。从降低梁高，增大建筑净空方面考虑，由于井字梁优秀的双向受力性能，在大空间建筑中受到青睐，在礼堂、宾馆以及大型商场等大空间公共建筑的入口大厅处得到了很多应用。

1 钢筋混凝土井字梁概述

钢筋混凝土井字梁这一结构形式实际是从钢筋混凝土双向板演化而来的。双向板作为一种受弯构件，在增大其跨度以满足大空间的要求时，势必同时带来厚度的增加，这一点是显然的。但问题也随着而来：板下部受拉区的混凝土抗拉能力很低，一般在设计时都不予考虑而仅将其作为安全储备，导致了材料的浪费，同时板中所配钢筋的承载能力很大一部分被自重所消耗，很不经济。为了解决这一问题，减轻大跨度双向板的自重，可将板下部受拉区混凝土的一部分挖去，将受拉钢筋布置在双向相交的几条线上，再将这“几条线”适当增高便形成了梁结构，这样钢筋和混凝土能更加合理的工作，其承载能力的利用率也得到提高，相应提高了结构的经济性。双向板经过这样变形，成为了双向井字式的区格梁板，而且两个方向上的梁高度相同，没有主次之分，也即钢筋混凝土井字梁。

钢筋混凝土井字梁结构可广泛应用于不适宜采用钢网架结构的大空间建筑屋（楼）盖筋混凝土结构。作为一种双向受力构件，井字梁能够降低梁高，增大建筑净空，提供更多的使用面积，且使建筑外观更加美观。钢筋混凝土井字梁最主要的参数之一是其截面的尺寸，它对结构混凝土用量和承载能力和配筋方式起着直接作用，是设计中的一项重要参数。

钢筋混凝土井字梁结构是一种交叉梁系，具有前述种种优点，但它毕竟不同于普通的受力梁，设计时应有自己该考虑的因素。而作为一种经常遇到的结构形式，广大设计人员又必须牢固掌握其设计方法，因此探讨钢筋混凝土井字梁结构的合理设计方法就具有重要的工程实际意义。该文从钢筋混凝土井字梁的平面布置方式、井字梁的计算与配筋和井字梁设计中应注意的几个问题等方面详细介绍了钢筋混凝土井字梁结构的设计构造要求和计算方法，并提出设计中应注意的几个问题，供结构设计同行参考。

2 钢筋混凝土井字梁的平面布置方式

2.1 正交井字梁

正交井字梁的方向平行于屋（楼）盖矩形平面的两条边，梁的长边与短边长度之比小于或等于1.5，且长短边的尺寸相差越少越好。

2.2 斜交井字梁

斜交井字梁一般用在屋（楼）盖矩形平面长短边之比大于1.5的情况。这种情况下，斜向布置的井字梁承载能力要比正交的好。当屋（楼）盖矩形平面长短边尺寸相差不多时，平面四角的井字梁由于长度短而具有较大的刚度，可以作为中部长井字梁的弹性支撑，对长边的受力是有利的。从方便计算上考虑，斜交井字梁一般按对称于矩形平面的纵横轴布置，斜交的交角可以是90°也可以是45°，故其对不规则屋（楼）盖平面的适应性较强。

2.3 三向井字梁

三向布置井字梁多用于屋（楼）盖为三角形或六边形平面的情况，具有良好的空间作用，受力合理，结构刚度大，能够有效减小结构高度，增大建筑净空。

2.4 设有内柱的井字梁

当屋（楼）盖的井字梁内布置有内柱时，主梁可沿柱网双向布置，而次梁则布置在主梁形成的网格内，主梁和次梁的高度不一定要求相等，可按情况灵活设置。

2.5 设有外伸悬挑部分的井字梁

为了减少井字梁跨中弯矩和挠度，使梁内弯矩分布更平缓，有时可在单跨简支梁和多跨连续梁的一端或两端设置外伸悬挑。

3 井字梁楼盖构造

1）采用钢筋混凝土井字梁方案的屋（楼）盖平面结构跨度应处于一定范围内，跨度过大或过小时都不宜采用井字梁结构，一般以8～24m为宜，且应使长短边跨度相差尽量小。一般来说，当梁长跨和短跨跨度之比处于1～1.5之间时最为理想，应尽量给与保证。若由于种种原因无法满足此要求的话，宜在长向跨度中间设置大梁，将长跨梁分割为2个短跨梁，从而形成两个井字梁体系。除此之外，采用斜交井字梁也是一种很好的解决方法。

2）井字梁屋（楼）盖的区格尺寸应尽量根据计算图表确定，一般可按1.2～3m来取，该范围内的尺寸一方面能够较好的满足建筑和结构的受力要求，另一方面经济性也较好。

3）从承载能力角度考虑，井字梁屋（楼）盖混凝土强度等级不宜过低；从减少或避免屋（楼）盖混凝土产生收缩裂缝的角度考虑，井字梁屋（楼）盖所采用的混凝土强度等级也不宜过高，一般来说可取C20，跨度较大的情况下也可取C30。

4）井字梁和支承边梁宜采用铰接节点连接，且应采取相应构造措施保证边梁具有足够大的刚度。当两者采用刚性节点连接时，需对边梁进行抗扭验算，包括强度和刚度两个方面，并使边梁截面高度高出井字梁高度20%～30%。

5）当井字梁或其支承边梁与柱相连接时，应将井字梁或支承梁考虑为框架梁，并对其验算地震条件下的抗弯、抗剪和抗扭承载能力，并采取相应的抗震构造措施。当梁截面尺寸无法满足计算要求时，可在梁高度不变的情况下适当增大梁的宽度。

4 井字梁的计算与配筋

4.1 井字梁截面的确定

2个方向的井字梁高度应取相同值，当屋（楼）盖承受的均布荷载q＝6～10kN/m2时，井字梁高度可取两个方向梁跨度较小值的1/15～1/20。若屋（楼）盖承受较大的均布荷载，如q＞10kN/m2，可对梁高度值适当增大，取1/12～1/25。

梁截面宽度的取值方法与普通梁的相同，即按梁高度的一定比例取值。考虑到井字梁的跨度较小，一般承受较小的剪力，从而可以减小梁截面的宽度。梁截面宽度的取值与井字梁井格的大小是负相关的，井字梁越大，提供给梁的侧向约束作用就越大，相应梁的宽度就可以取小值，反之则需取大值。

4.2 井字梁的内力计算

根据井字梁间距大小的不同，所采用的计算方法也各异。当梁间距不大于1.25m时可将梁的混凝土折算成混凝土板的厚度，近似按照双向板进行计算；当梁间距大于1.25m时，则应按井字梁进行计算。考虑到井字梁的计算相对来说较为复杂，可作出以下假定以简化计算：

1）忽略梁所受的剪力和扭矩的作用，这是由井字梁的跨度一般较小得到的。

2）梁在两个方向上具有相同的刚度。基于这2个假定，可按照结构设计计算手册所提供的计算图表计算出井字梁弯矩、剪力和挠度的设计控制值。

4.3 井字梁的配筋

井字梁的配筋和普通梁的配筋并无本质上的区别，2者的区别仅在一些细节上面，设计中可在以下几个方面加以注意：

1）两方向梁的交点处短跨梁的纵向受拉钢筋应布置在长跨梁纵向的下方，并保证节点处箍筋的配置，这一点与双向板的规定是相同的。

2）两个方向梁在布筋时需注意纵向受拉钢筋在梁节点处应当延伸至各井字梁的端支座处而不能断开，这是由于两个方向梁节点并不能作为一般支座而只能视为弹性支座。

3）由于井字梁不分主次梁，故梁节点处不必设置附加横向钢筋，但需各自布置适量构造负筋，用来承担特殊荷载产生的负弯矩。

5 井字梁设计中应注意的几个问题

5.1 井字梁的受力规律

1）通过改变边梁的刚度，可以调整两方向连接在框架柱上和支撑在边梁上的井字梁内力分配关系。

2）通过调整与框架柱相连和与边梁相连的各井字梁截面尺寸，可以改变各井字梁之间的内力分配关系。

3）通过减小与框架柱相连的井字梁端部尺寸，可以有效降低井字梁的端部弯矩和框架柱的柱端弯矩。

5.2 井字梁与柱的关系

1）井字梁与柱子采取“避”的方式，调整井字梁间距以避开柱位；避免在井字梁与柱子相连处井字梁的支座配筋计算结果容易出现的超限情况；减少梁柱节点在荷载作用下，由于两者刚度相差悬殊而成为受力薄弱点以致先破坏，由于井字梁避开了柱位，靠近柱位的区格板需另作加强处理。

2）井字梁与柱子采取“抗”的方法，把与柱子相连的井字梁设计成大井字梁，其余小井字梁套在其中，形成大小井字梁相嵌的结构形式，使楼面荷载从小井字梁传递至大井字梁再到柱子。

5.3 井字梁的荷载计算

《井字梁结构静力计算手册》等各类手册中的荷载值并未包括构件自重，故设计井字梁结构时不能忽视梁自重荷载而仅考虑梁上均布恒载和活载，由于井字梁结构属空间共同受力体系，因此无法简单地将每条井字梁的自重用均匀线荷载按两边支座简支去计算内力，再与梁上均布荷载所引起的内力进行叠加。

5.4 井字梁支座处反力

在井字梁结构设计中，某些设计人员计算井字梁支座处反力时往往仅将该梁最大剪力作为井字梁支座处反力，而忽略了周边板的三角形或梯形荷载。实践证明，周边板的三角形或梯形荷载引起的反力与梁最大剪力相比是不能忽略的，在基础设计中特别是采用浅基时这部分荷载对基础的影响更大，并在很大程度上影响基础的安全性。

5.5 井字梁支点附加筋和支座负筋

若井字梁结构设计和受力条件合理，则在交叉点处一个方向的梁向另一个方向的梁传递的荷载为P＝k·q·a·b（k为荷载传递系数，k＜1）。当井格尺寸a＝b＝1.5m，荷载q＝10N/m2时，则应为P＜22.5kN，可见在井字梁交叉点处没有必要设置吊筋来承担井字梁之间所传递的集中荷载，但应保证在井字梁交叉处外梁侧设置箍筋。

在井字梁支座为简支且承受均布荷载的情况下，井字梁不需专门设置受力负筋，因矩形井字梁结构边界长宽比在一定范围内，其上部为受压区，下部为受拉区。虽然存在一个方向的梁向另一个方向的梁传递荷载的情况，但2个方向的梁并无严格意义上的主次梁之分。对于井字梁结构的设置，更应体现其整体受力的特点，就像四边简支的双向受力构件，只需按一定的要求在2个方向的梁底配置受拉钢筋，上部配置架立筋即可。