某18 m×31 m 大跨混凝土楼盖结构比选

逯跃林

中机十院国际工程有限公司（471000）

1 概述

随着人们对大型开敞空间要求的增多，大跨度楼盖在设计中越来越多，大跨度混凝土楼盖在结构设计时倾向于主次梁体系或井字梁体系，一般井字楼盖刚度较大，较一般的主次梁楼盖有更好的高跨比，但是哪种形式是最合理的形式往往没有深入的探讨，文章以实际案例出发对比多个结构形式，力争选出最优解。

项目概况:某小学多功能馆，共3 层总高17.40 m，局部形成平面尺寸为18 m×31 m 的大跨空间。功能为1 层报告厅，2 层文体活动中心，3 层篮球场。层高为5.70 m+4.20 m+7.50 m。6 度0.05 g，乙类，场地类别Ⅱ类，第三组。重要性系数1.1，抗震等级为三级，对18.0 m 跨梁、柱抗震等级为二级。恒载: 不包含板自重，1～2 层1.20 kN/m2，屋面5.0 kN/m2。活载:1 层3.5 kN/m2，2 层4.0 kN/m2，屋面0.5 kN/m2，平面如图1 所示。

图1 平面图

由于3 层均需要大空间，在局部形成18 m×31 m 的大空间，方案要求：结构梁高在800 mm 以内；由于该项目成本控制，要求含钢量不高于50 kg/m2。

对于和大跨度相连的框架柱均可以采用900 mm×1 000 mm（所有梁、柱截面单位均为mm），大跨楼盖周边梁均采用500 mm×1 200 mm，以保证周边有较强的抗弯刚度来抵抗荷载作用下的竖向变形。下面从梁高、挠度、混凝土和钢筋含量几个方面对几种方案进行探讨，由于3 层荷载差别不大，以下对比仅以单层作为基准。以下几种方案均采用北京盈建科软件有限责任公司研发的YJK3.1 版本进行整体结构、构件配筋、混凝土及钢筋含量等的分析[1-3]。

2 方案对比

2.1 主次梁梁板结构

为减少主梁受荷范围，楼盖采用单向次梁，单个区格均形成单向板，使荷载直接传递至周边较大刚度处，结构平面布置如图2 所示。

图2 主次梁体系

主次梁体系主梁500 mm×1 100 mm，次梁400 mm×900 mm，主梁挠度42.80 mm，次梁挠度67.1 mm，混凝土规范要求挠度限值为18 000/300=60 mm；次梁施工时按照跨度的千分之二起拱后挠度为31.1mm。其综合混凝土含量为0.42 m3/m2，钢筋含量为42 kg/m2。

本方案混凝土及钢筋含量均能达到预期，但是主梁过高不能满足方案要求。

2.2 现浇空心楼板结构

为最大限度的增加楼盖整体刚度，减轻结构自重，减小结构高度，采用现浇空心楼板体系，结构平面如图3 所示。

图3 现浇空心楼盖体系

采用700 mm 厚空心楼板，板内空腔尺寸600 mm×600 mm×550 mm，上下预留75 mm 混凝土板，两方向肋宽150 mm，短向暗梁尺寸1 500 mm×700 mm；周边框架梁的约束使得框架柱对空心楼盖不产生冲切效应，无需设置柱帽；楼盖空心率48%，满足规范要求的不超过50%。

大跨空心板整体性能非常好，空间变形小，板中心竖向挠度仅15.90 mm，实际受力也较小，从计算结果来看，跨高比仍有提升空间；但是板厚仍较厚，虽为空心楼板，综合折算板厚约为348 mm，钢筋含量较高，经计算其综合混凝土含量为0.43 m3/m2，钢筋含量为70 kg/m2。对大跨度楼盖来说现浇空心楼盖施工时内置空腔容易上浮，施工时应采取必要的措施。从成本方面考虑该方案不能满足要求。

2.3 正放密肋梁结构

空心楼盖由于折算板厚仍较大，进而试着扩大空腔体积，双层板改为单层板，肋间净距1 000 mm，双向梁高均为300 mm×800 mm；结构平面如图4所示。

图4 正放密肋梁体系（1.0 m×1.0 m）

该正放密肋梁较现浇空心楼板空间作用减弱，竖向挠度较大,梁跨中最大挠度值达到46.8 mm，含钢量较现浇空心板结构降低。经计算其综合混凝土含量为0.41 m3/m2，钢筋含量为65 kg/m2。

2.4 斜放密肋梁结构

由于该跨度为18 m×31.2 m，长宽比达到1.73，故尝试斜放密肋梁体系。肋间净距1 000 mm，双向仍采用梁高300×800 mm；结构平面如图5 所示。

图5 斜放密肋梁体系

对于斜放密肋梁，平面四角的梁长度较短刚度较大，其对斜向长梁起弹性支承作用。斜向长梁竖向挠度68.8 mm，由于斜向梁较长，角部短梁的弹性支承作用有限，其竖向挠度仍较大，仍需要施工起拱方可满足规范要求。经计算其综合混凝土含量为0.42 m3/m2，钢筋含量为69 kg/m2。

2.5 井字梁结构

密肋梁体系由于梁间距较密，对梁的承载力利用效率较低。大部分梁均处于构造配筋，整体含钢量较高；再者由于梁区格较密，施工时支模困难，需要采用专用空腔模板，成本较高。故增大梁间距采用井字梁体系；并对比不同井字梁区格其主梁配筋率、竖向挠度、混凝土及钢筋含量。

井字梁梁高均采用300 mm×800 mm，根据柱间距将梁区格分为2.0 m×2.0 m、2.0 m×2.6 m、3.0 m×2.6 m、3.0 m×3.9 m，前三种结构形式板厚为100 mm，第四种结构形式由于梁间距较大板厚采用110 mm。如图6 所示。

图6 不同区格井字梁体系

与密肋梁相比随梁间净距的增大，梁钢筋利用效率更好，井字梁较密肋梁其空间利用率更好；不同区格的井字梁其挠度变化规律为先减小后增大趋势，四种方案框架梁最大挠度值分别为46.0 mm、42.0 mm、38.0 mm、41.8 mm；从结果来看合理的区格划分对井字梁发挥效力大小影响较大。混凝土含量随着间距的增大混凝土含量逐渐降低。对于3.9 m×3.0 m 井字梁由于区格较大板厚增大，其混凝土含量略有增加。

进一步对比不同梁区格最不利框架梁梁配筋见表1。

从表1 可知梁区格从2.0 m×2.6 m 区格变化至2.6 m×3.0 m 时梁配筋降低约15%，从2.6 m×3.0 m 变化至3.0 m×3.9 m 时梁配筋率增大约17.6%；配筋变化相当显著，也表明合理的梁区格对配筋率的影响巨大。

表1 不同间距井字梁配筋对比

在本例的特定跨度和特定边柱间距下发现2.6 m×3.0 m 区格，每个区格约7.8 m2时梁板整体效果最好，其空间利用率最好[4]。

3 结论

1）对比不同方案其梁高、混凝土含量、钢筋含量、挠度见表2。

表2 不同方案混凝土、钢筋、挠度对比

从表2 可知2.6 m×3.0 m 区格的井字梁体系在梁高、混凝土含量、钢筋含量以及挠度方面优势明显，在特点跨度以及柱距中大跨度混凝土楼盖选型中可优先选用。

2）往往设计人员在设计大跨度井字梁时，当柱子相连框架梁超筋时倾向于加大该主梁的截面，然而往往其截面越大，刚度就越大，其产生相同变形受到的力就越大，其配筋率反而会就越高，往往主梁会加宽或加高至较大截面才能满足规范要求。这样就导致其受力体系非井字梁整体受力，而变成主次梁体系。整体效率变差。因此在井字梁体系中应该注重梁的合理布置，使梁区格位于较合理的区间范围内；如本案例对于18 m×31.0 m 跨度，梁分担合理面积约为8 m2。