钢井字梁在大跨结构中的设计探讨及应用

汲小娟

【摘要】现代施工中加入井字梁的设计技术，可以为建筑提供较大的空间，使建筑空间布局更加灵活，所以在建筑结构设计中，大多数的钢框架结构都会采用井字梁技术来获取楼层处的大空间，屋顶的大空间可采用空间网架、桁架等结构形式。本文通过对井字梁结构的特点、设计、计算分析、注意事项等方面的研究，以确保设计的钢结构井字梁结构更加经济合理。

【关键词】建筑结构设计;井字梁结构;设计技术;应用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

21.

井字梁是由钢筋混凝土双向板演化而来的新型结构形式。针对双向板下部受拉区混凝土抗压能力低、自重较大等缺点，将板下部受拉区混凝土挖去一部分，同时将受拉钢筋布置在双向相交线上，并对其进行适当增高，形成梁结构，也就成为钢筋混凝土井字梁。钢结构井字梁受力同钢筋混凝土井字梁，主要适用于钢网结构大空间建筑的楼盖结构，可以有效降低梁高，增大建筑内部的净空间，提高空间的利用率，而且可以使得建筑结构更加美观。

1、钢井字梁的概述

钢结构井字梁以钢材制作为主的结构形式，钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，故适用于建造大跨度的承重结构;材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定;材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载;建筑工期短;其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。钢结构今后应研究高强度钢材，大大提高其屈服点强度;此外要轧制新品种的型钢以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。

2、钢井字梁结构的设计原则

2.1井字梁楼盖根据柱网、网格和跨度可分为：方形网格、矩形网格、双向跨度相等、双向跨度不相等。井字梁楼盖的梁布置根据建筑或美观要求，也可布置为斜交。常用形式为以下两种：

（1）正交井字梁

网格梁的方向与屋盖或楼板矩形平面两边相平行。尽量控制长跨与短跨之比值不大于1.5，选用正交井字梁为最好。

（2）斜交井字梁

若设计确实需要屋盖或楼盖平面长跨与短跨之比大于1.5时，选用斜交井字梁较为合适，这样可以提高各向梁承受荷载的效率。当斜向网格梁用于长边与短边尺寸较接近的情况，平面四角的梁短而刚度大，对长梁起到弹性支承的作用，有利于长边受力。为构造及计算方便，斜向梁的布置应与矩形平面的纵横轴对称，两向梁的交角可以是正交也可以是斜交。此外斜向矩形网格也适用于不规则平面。

2.2在对井字梁进行设计时，要熟悉其基本受力规律。通常情况下，通过对边梁刚度的改变，可以对连接在框架柱上以及支撑在边梁上的井字梁的内力分配关系进行调整，可以设计成全部等高的井字梁，而当井字梁无法避开框架柱时，也可将与柱相连的井字梁设计成大井字梁，形成大小井字梁相嵌的结构形式。

3、钢井字梁在大跨结构中应用分析实例

3.1 工程简介

某饭店由主楼和裙房组成，主楼采用钢框架-钢筋混凝土核心筒结构，基础形式为桩筏基础。地下二层，地上二十二层，室内外高差为0.45米。层高为：地下负二层3.8m，负一层5.8m，一～四层5.4m，五层及以上3.9m。建筑主要屋面板高度为91.8m。主楼房屋高度为91.8m，单元长度为39.4m，单元宽度为30.1m，高宽比为2.33，长宽比为1.31。工程建筑结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值0.15g，建筑场地类别为Ⅲ类，钢筋混凝土核心筒及负二、负一层抗震等级为一级（负二层二级），抗震构造措施为特一级（负二层一级），地上钢框架抗震等级为三级，抗震构造措施等级为二级，嵌固端位于负一层顶，楼盖采用钢筋桁架楼承板。

3.2 大跨结构钢井字梁截面选择

（1）本工程裙房部分大空间处结构方案比对。裙房二层为大空间多功能厅，层高5.4m，网格长宽为22mX20m，为满足建筑功能使用的净高要求，梁高有限，且设备管道均需穿梁才能满足，根据甲方要求，梁底净高4.5m，设计在必选过程中做了三种方案：

方案一是做单向次梁，箱型截面高700mm，壁厚40mm，梁宽500mm，每2.1m设一道。梁挠度、强度、楼板舒适度经计算方可满足结构规范要求，若做H截面需做到H750X500X30X40，方能满足结构各项要求。但不满足甲方对净高的要求，而且此方案难点是梁柱连接节点，必须确保此节点施工质量。

方案二是做钢井字梁，截面形式均为H700X500X25X40，梁格横向是3.2～3.4m，纵向是2.8m，四周主梁截面为H800X400X25X40，均采用Q345C，梁挠度、强度、楼板舒适度经计算可满足结构规范要求，若利用结构梁进行装修体现结构美，此方案可实现，中间网格处梁梁之间均为刚接，井字梁与四周主梁为铰接，左侧有部分悬挑处与主梁刚接。梁与梁连接节点多，施工难度较大，结构安全性非常好。

方案三是做主次梁，主梁做到H800X400X25X40，次梁做到H650X350X18X35，方才能满足强度及稳定要求，但不能满足净高要求。

（2）经方案比选，各方一致确定采用方案二，布置平面如下图1所示：

4、钢井字梁结构在施工上的相关问题

4.1按《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）（2018年版）及《建筑鋼结构防火技术规范》（GB51249-2017）相关规定，钢结构构件须刷防火涂料，并满足耐火极限一级要求。防火涂料由业主另行确定并由专业厂家施工。（1）钢柱耐火极限为3.0h，钢梁耐火极限为2.0h，非组合楼板耐火极限为2.0h，钢楼梯耐火极限为2.0h;型钢混凝土构件中的内置型钢不需要做防火处理。（2）防火涂料必须经国家检测机关检测合格及消防部门认可，防火涂料与钢结构防锈漆必须相容与适应，应选择绝热性好，具有一定抗冲击能力，能牢固地附着在构件上，有不腐蚀钢材的防火涂料。

4.2 钢井字梁施工技术

钢井字梁可先在地面或一层裙房顶（须经设计验算合格）将散件拼装成整体，周围设置吊点，一次吊装就位。此过程需要由专门设计人员经过吊装验算，分析吊点，并对吊点附近应力进行分析，使其满足强度要求。在提升过程中应先考虑吊点设置，将提升力及相对位移控制在允许范围内。通过整体提升既可以节约费用，又能保证拼装的质量。

结语：

井字梁结构设计技术在大空间建筑中的应用十分广泛，比如商场、仓库、食堂等。不仅能扩大建筑室内空间，还能在一定程度上增加建筑的美观度，充分满足大空间设计要求。在设计井字梁结构时，务必要重视井字梁的受力规律，弄清楚井字梁的内部构造，处理好梁和柱之间的关系，以确保井字梁设计的合理性。

参考文献：

[1]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[2]简明建筑结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3]建筑结构构造资料集[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[4]王圣翔.南阳玉器超市网壳结构设计与稳定性分析[J].建筑技术，2010，41（7）