高烈度区大跨度井字梁屋盖结构设计

雒成焱

（甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

随着社会的发展，对建筑无柱大空间的需求越来越多，而实现这种大空间的结构方法也是多种多样，如网架结构、桁架结构、悬索结构、型钢混凝土主次梁结构、预应力混凝土结构、普通混凝土井字梁结构等。这些丰富多样的大跨度屋盖结构形式各有优缺点，其中普通混凝土井字梁结构是一种施工难度小、且能承担较大屋面荷载的最常见的屋盖形式[1]。位于高烈度区（8 度0.3g）的井字梁结构一般抗震等级高、截面及配筋也比较大，跨度大于20m 的较少。本文结合25m×25m 的井字梁屋盖，通过对井字梁的不同布置方式、计算参数的选取进行分析调整，通过减轻自重的方式减小配筋，使得结构更加安全可靠、经济合理，对位于高烈度区的类似工程提供一定的借鉴作用。

1 工程概况

本项目位于甘肃省天水市麦积区全国养老示范基地，为基地内一地上2 层地下1 层的结构单元，采用钢筋混凝土框架结构。内设25m×25m 的方形宴会厅，层高7.8m；25m×25m 的八角形多功能教室，层高5.1m。宴会厅屋面为种植屋面，上有约0.5m 厚覆土；多功能教室屋面为上人屋面，且人员集聚的可能性较大。计算模型如图1 所示。

图1 结构单元空间模型示意图

该结构单元抗震设防分类标准为重点设防类，结构安全等级为一级，设计使用年限50 年。抗震设防烈度为8 度，地震加速度为0.30g，地震分组为第二组，特征周期0.40s，场地类别Ⅱ类，基本雪压0.20kN/m2，基本风压为0.35kN/m2。抗震等级为框架一级，大空间部位局部单跨的抗震等级为框架特一级。

2 屋盖井字梁设计

2.1 井字梁布置

常见的井字梁布置方式有正交正放井字梁、斜交斜放井字梁、三向井字梁等。

本工程宴会厅大屋盖采用正交正放井字梁，分别采用一般井字梁（方案1）和大井字套小井字梁（方案2）布置对比，详见图2，图3。一般井字梁方案梁截面均为0.40m×1.65m；大井字套小井字梁方案中大井字梁为0.60m×1.65m，小井字梁为0.25m×0.60m；板厚均0.2m；梁格尺寸均为2.8m×2.8m；大屋盖周边柱截面为1.2m×1.2m；混凝土强度等级采用C40。

图2 一般井字梁（方案1）示意图

图3 大井字套小井字梁（方案1）示意图

2.2 结构计算与分析

结构计算采用YJK 软件进行计算[2]。因本工程屋盖跨度大，局部有错层且平面布置不规则，故两种方案计算时均考虑偶然偏心（偏心率为0.05），考虑双向地震作用，考虑竖向地震作用并计算最不利地震方向的地震作用。由于梁柱尺寸较大，计算时考虑梁端刚域的有利影响。两种方案的计算结果见表1。

表1 结构计算对比表

计算结果表明，两种方案均能满足结构安全要求，方案1 底部剪力明显大于方案二，这是由于方案1 楼盖自重较大引起的。方案1 优点：无明显主次梁关系，各网格梁相互约束作用明显，受力较均匀，楼盖整体性好，刚度大，挠度及裂缝较小；方案1缺点：结构自重大，混凝土用量及钢筋用量大，屋盖边梁受力大，截面及配筋很大。方案2 优点：自重较小，小井字梁截面及配筋小，屋盖边梁受力小，截面配筋也小，施工简便，造价低；方案2 缺点：大井字梁与小井字梁形成明显的主次梁关系，导致大井字梁受力大，纵筋配筋很大，且在不对称荷载作用下大井字梁受扭明显，挠度及裂缝相对方案1 大。各方案建材用量（仅为屋盖层）对比见表2。综合分析后，最终采用方案2，结构自重小，造价低，小井字梁范围内建筑净空大，适用性好。

表2 方案1 与方案2 屋盖层建材用量对比表

2.3 屋盖中震下不屈服复核计算

本工程为乙类建筑，结构计算时对井字梁及相邻的支撑构件按中震下正截面和斜截面均不屈服进行复核计算，荷载效应采用标准组合，材料强度取标准值[3-5]。经复核，截面尺寸满足要求，配筋有所增大，其中大井字梁配筋增大明显，小井字梁配筋增幅很小，总体配筋增大约8%，施工图设计时按小震弹性和中震不屈服包络设计。

3 屋盖井字梁加强措施

大跨度屋盖由于其力学性能所限，其对地震作用敏感，内部多余约束较少，抗竖向荷载和水平作用的能力较差，抗连续倒塌能力差，个别构件有缺陷会导致严重安全事故，甚至屋盖垮塌，而在计算中很难全面考虑这些不利因素，因此在施工图设计时对一些关键构件要采取必要的加强措施[6]。本工程采用的加强措施如下：

（1）对单跨部位的大井字梁，适当增大梁底配筋，箍筋全长加密加粗，以增大梁的延性和抗剪能力。

（2）对四周支撑屋盖的框架柱，箍筋全高加密，并在柱中心设置芯柱。

（3）井字梁边梁截面加宽，箍筋全长加密，以提高边梁抗扭性能，增强屋盖的整体性。

4 结论及建议

1）对于带有覆土的大跨度屋盖，充分考虑屋面荷载是结构安全的首要保证。本工程覆土厚度0.5m，考虑使用过程中屋面因排水不畅导致积水的可能性很大，因此设计时屋面附加恒载按15kN/m2考虑，保证大屋盖结构安全。

2）大跨度混凝土屋盖自重一般占比很大，梁内很大一部分配筋是为了抵抗自重，因此在设计时选用的方案应尽可能地减小自重，降低竖向地震作用。大井字梁套小井字梁是一种解决此问题的很好的方案，对本工程来讲，混凝土用量可降低18.5%，钢筋用量可降低17.8%。

3）采用大井字梁套小井字梁时，荷载通过小井字梁集中于大井字梁，因此设计要特别注意加强大井字梁的计算与构造。

大跨度屋盖的设计一般应进行多方案比较，选择相对合理的方案。一般井字梁和大井字套小井字梁各有优缺点，选择时要根据屋面跨度、荷载大小、地震烈度等因素选用，切不可一概而论。本文最终所采用的带覆土的屋盖井字梁布置形式综合考虑了结构的安全性、适用性，同时兼顾了经济性。