异形大跨度屋盖结构选型

潘召辉，宋延勇，孙娜

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

异形大跨度屋盖结构选型

潘召辉，宋延勇，孙娜

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

对某医疗建筑中异形大跨度屋盖的结构形式进行了探讨。首先，阐述了常用的几种大跨度屋盖结构形式在本工程中的适用性;然后，从安全性和经济性两方面对比了钢筋混凝土井字梁和实腹钢梁两种结构方案，结果表明,后者更适合本工程。

异形；大跨度屋盖；钢筋混凝土井字梁；钢梁

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.001

1 工程概况

本工程为某医疗教学科研综合楼项目。整个项目由3个单体建筑组成，3个单体建筑通过架空连廊相连接，其建筑平面如图1所示。3个单体建筑均为地下1层，地上5层的多层框架结构。结构抗震设防烈度为6度第一组，抗震设防分类为重点设防类别（乙类），场地类别为Ⅱ类，地震作用按6度计算，按7度要求采取抗震措施[1]。由于建筑功能的要求，在左侧单体建筑的顶层设置了尺寸约为26.7m×21.8m的大会议室，其具体位置见图1中的阴影范围。该范围内的4根柱子在顶层被抽掉，同时该范围内屋面被整体抬升1.0m，形成了相对独立的屋盖。本文将就该异形大跨度屋盖的结构形式进行探讨。

图1 某工程建筑平面示意图

2 结构方案适用性比较

大跨度屋盖通常采用预应力钢筋混凝土梁、钢筋混凝土井字梁、钢网架以及实腹钢梁等结构形式。其中，预应力钢筋混凝土及钢筋混凝土井字梁这两种形式在混凝土结构中使用时整个结构材料统一，整体性较好，钢结构的屋盖形式在混凝土结构中使用时整体性较差。从图1中可以看出，本工程中的大跨度屋盖整体呈梭形，且此部分屋面抬升1.0m后，屋盖结构相对独立，周边无水平结构构件拉结。同时，由于建筑使用功能对楼层净空高度的要求，在立面高度确定的条件下，屋盖

结构所占用的高度有所限制。

2.1 预应力钢筋混凝土梁

预应力钢筋混凝土结构能够充分利用高强度材料的性能，提高构件的抗裂能力，同时,还可以减轻构件的截面尺寸及自重，是混凝土结构中大跨度楼、屋盖理想的一种结构形式。但是，预应力钢筋混凝土构件的材料质量要求高，构造、施工复杂，对施工技术水平要求高，这就造成这种结构形式存在施工周期长，综合成本高等劣势[2]。本工程仅局部几根梁需要采用预应力钢筋混凝土梁，考虑到工程总承包的工期要求以及成本控制等因素，该结构形式并非优选方案。

2.2 钢筋混凝土井字梁

与预应力钢筋混凝土构件相比，钢筋混凝土井字梁的构件截面会有所增大，屋盖结构的自重也会相应增大，同时，构件的抗裂能力也会变差。但由于钢筋混凝土井字梁结构施工工艺与普通混凝土结构无异，其施工质量容易保障，同时可以缩短施工周期。因此，钢筋混凝土井字梁结构体系在本工程中可以采用。

2.3 钢网架

钢网架通过调整网格布置，对异形的屋盖具有较好的适应性。由于钢网架自身重量较轻，其吊装施工方便快捷，而且对下部混凝土结构竖向构件和基础的影响也相对较小。但是，钢网架的高跨比一般为1/10～1/18[3]，对于本工程中26.7m× 21.8m的屋盖结构，钢网架自身的高度需要1.3m以上，加上混凝土楼板的厚度，整个屋盖结构占用的楼层净高比较大。同时，钢网架与混凝土楼板之间的节点处理较复杂，楼板开洞等也较难处理。所以，钢网架也非本工程优选方案。

2.4 实腹钢梁

与混凝土屋盖结构相比，钢梁可以减轻屋盖结构自身的重量。同时，实腹钢梁通过采用较小的梁间距，可以做到比网架更低的结构高度，有利于建筑楼层净高的保证。然而，大跨度实腹钢梁的截面往往较高，板厚也较厚，经济性较网架差。下文将此方案与钢筋混凝土井字梁方案进行对比。

3 方案计算结果比较

本工程大跨度屋面为非上人屋面，屋面恒载取为5.0kN/m2（不含楼板自重），活荷载为0.5kN/m2。采用YJK（V1. 7）软件对结构进行整体分析及截面设计，并将钢筋混凝土井字梁方案和实腹钢梁方案的计算结果进行对比。

3.1 钢筋混凝土井字梁结构方案

3.1.1 截面设计

当屋盖采用钢筋混凝土井字梁时，结构的平面布置如图2所示，井字梁在由大截面梁围合成的六边形范围内设置。井字梁横向（长向）、纵向（短向）梁间距均控制在2.0～2.3m范围内，图2中JZL-1和JZL-2截面分别为300mm×1350mm和350mm×1350mm，周围大截面梁截面为500mm×1500mm，柱截面为600mm×700mm，板厚100mm。梁、板采用C30混凝土，屋面层柱采用C35混凝土，钢筋采用HRB400。经计算，横向梁的跨中最大配筋率约为0.8%，两侧较短跨配筋率有所降低；纵向梁的跨中最大配筋率约为1.2%，两侧较短跨也有所降低。

图2 钢筋混凝土井字梁屋盖结构布置图

3.1.2 裂缝、挠度验算

将井字梁横、纵向梁的跨中配筋率均调整到1.5%左右，进行梁挠度和裂缝的验算。经计算，井字梁的最大裂缝宽度为0.23mm，可以满足混凝土规范0.30mm的限值要求[4]。不考虑起拱时，井字梁的挠度如图3所示。可以看出，在未计及支座梁挠度的条件下，横、纵向梁最大挠度分别达到95.8mm和92.3mm，均不能满足混凝土规范l0/300的要求，需要通过起拱来解决挠度过大的问题。然而，该屋盖相对孤立，屋盖范围以外无梁、板等水平结构构件拉结，加之钢筋混凝土井字梁的自重较大，屋盖四周的柱子可能不足以为井字梁的起拱提供足够的约束，存在梁、柱在使用过程中开裂较大的风险。此外，圆弧处的斜向梁跨度较大，作为井字梁的支座，其自身的挠度

超过了20mm，对井字梁的受力较为不利。

图3 钢筋混凝土井字梁屋盖挠度图

3.2 实腹钢梁结构方案

3.2.1 截面设计

当屋盖采用实腹钢梁时，结构的平面布置如图4所示，钢梁在由混凝土梁围成的六边形范围内设置。大跨度钢梁（GL-1）沿屋盖短向布置，钢梁中心间距约为2.2m，在其垂直方向布置两道次梁（GL-2），钢材均采用Q235B。与钢梁相连的混凝土梁、柱截面见图4，屋面板为100mm厚组合楼板，闭口压型钢板仅作模板。与钢筋混凝土井字梁相比，屋盖结构所占的净高减少了250mm。计算时，钢梁两端与混凝土结构铰接，钢梁应力比控制在0.9以下，钢梁截面见表1。经计算，钢梁的最大应力比为0.89。

图4 实腹钢梁屋盖结构布置图

表1 钢梁截面表

3.2.2 挠度验算

在恒活荷载作用下，钢梁的弹性挠度如图5所示。由图可见，在未考虑起拱的情况下，钢梁的最大挠度为51.69mm，可以满足钢结构规范l0/400的限值要求[5]。相较于钢筋混凝土井字梁结构，由于钢梁自重较混凝土构件轻，作为钢梁支座的混凝土边梁挠度也较小。设计中，为了改善外观和使用条件，对钢梁进行了适当的起拱。

图5 实腹钢梁挠度图

4 方案经济性比较

钢筋混凝土井字梁和实腹钢梁两种结构方案在结构材料和施工工艺上完全不同，两者在经济指标上也存在较大差异。表2列出了屋盖部分结构的工程量以及屋盖结构的总质量。套用本工程所在地的计价定额，钢筋混凝土井字梁方案的屋盖部分工程造价约为41万元，实腹钢梁方案的工程造价约为64万元，后者约为前者1.5倍。然而，从总重量来看，钢筋混凝土井字梁方案的屋盖总重远超实腹钢梁方案。屋盖重量的增大带来了地震作用增大以及基础受力的增加，从而间接增加了工程的造价。在施工方面，钢结构的施工过程省去了大部分的模板工程和钢筋绑扎的工作量，施工速度要优于钢筋混凝土井字梁方案。所以，两种方案的综合经济指标相差不多。

StructuralForm Selection forSpecial-shaped LargeSpanRoof

PANZhao-hui,SONGYan-yong,SUNNa

(China IPPR InternationalEngineeringCorporation,Beijing 100089，China)

Thestructuralform of thespecial-shaped largespan roofinamedicalbuilding isdiscussed in thispaper.Firstly,theapplicability ofseveralcommonlyused structuralformsof largespan roofisdescribed；Then,theschemeof reinforced concretewell-shapedbeam and the schemeofsteelbeam arecompared from twoaspectsofsafetyandeconomy,theresultshowsthattheschemeofsteelbeam ismoresuitable for thisproject.

special-shaped;largespan roof;reinforced concretewell-shapedbeam;steelbeam

TU208.5;TU231

B

1007-9467（2016）07-0023-03

潘召辉（1988～），男，河北邢台人，助理工程师，从事结构工程设计与研究，（电子信箱）p_zhaohui@126.com。