井字梁结构设计中的常见问题

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摘要:随着国内建筑行业的蓬勃发展,井字梁结构被广泛应用。其结构布置方式和受力特性受到高度重视。文章综述了井字梁结构特点及设计原则,以及井字梁的平面布置形式,并结合设计中经常遇到的问题进行了针对性的分析探讨。

关键词:井字梁;结构设计;平面布置;楼盖设计

中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0140-02

随着国内建筑业的蓬勃发展,井字梁结构被越来越多的采用,该种结构是由钢筋混凝土双向板演变而来,由于双向板为受弯构件,其跨度越大厚度也越大,同时一般不考虑双向板下部混凝土的抗拉能力,而将该部分拉应力由板下钢筋承担,因此设计过程中尤其是遇到大跨度时,为了减轻自重而将板下部受拉区混凝土挖去一部分,使受拉钢筋集中在双向相交的几条线上,然后增高其高度使其形成梁,从而实现钢筋与混凝土实现合理的共同作用,而若将板变为两个方向形成井字式区格梁板则成为双向板,即所说的井字梁或称网格梁。井字梁结构设计对整个建筑工程设计质量产生很大影响,由于其独特的结构布置方式和受力特性而应在设计过程中受到充分重视。

一、结构特点及设计原则

(一)结构特点

由于井字梁是由双向板演变而来,因此其板厚具备双向板的随跨度增大厚度增加的特征,但若板厚增大到一定程度时下部受拉区混凝土往往被拉裂,因此在设计时一般挖去受拉区内部分混凝土,同时将受拉区钢筋集中在几条线上,经过“改造”的双向板即转化为井字梁。该种结构形式具有较大的跨高比,因此在层高受限制的大跨度建筑物内比较适用;能够减轻结构自重,降低工程造价;该种结构能形成规则的梁格,造型美观,能提供美观的顶棚。

(二)井字梁的设计原则

设计过程中若井字梁周围根据强度需要须设置柱子时,应通过调整梁间距的措施来避免梁柱发生冲突,同时应加强柱间的区格板;若井字梁楼盖不同方向的跨度不等时,则设计过程中应控制两个方向跨度比,该比值最好不超过1.5,若超过该值则应在长跨中部设置大梁以形成两个井字梁体系;井字梁梁格间距应根据建筑要求及结构平面尺寸确定,同时要综合考虑刚度和经济指标要求,通常取跨度的1/12～1/6,并不宜超过4m;通常情况下井字梁四周处梁端扭矩值最大,最大值范围一般为跨度的1/5～1/4之间,因此该范围内应适当采取抗扭措施。

二、井字梁的平面布置形式

正式井字梁。该种井字梁与楼盖或屋盖的矩形平面两边相互平行,并保证其长短边尽量接近,比值不大于1.5。

斜交井字梁。该种结构出现于楼盖长短边之比大于1.5时,为提高梁的承载能力而设计的。该种结构中中部梁为等长度等受力,与矩形平面长度无关,但当长短边尺寸较接近时,由于平面四角的井字梁对中部梁起到弹性支撑作用而有利于长边受力;

三向井字梁。该种结构一般用于楼盖或屋盖平面为三角形或六边形等不规则形状时,该结构具有空间作用好、受力合理、刚度大等优点;加设内柱或悬挑的井字梁。当设计包含内柱的井字梁时一般沿柱网双向布置主梁,然后在主梁网格内布置次梁,该种情况下主次梁高度可以不等;当建筑物设计时遇到单跨简支或多跨连续的井字梁时可设外悬挑部分,该种结构形式可以减少井字梁跨中的弯矩和挠度,增强结构抗震性及抗荷载性能。

三、井字梁楼盖构造设计

建筑物采用井字梁楼盖时其楼盖平面结构跨度宜为8～24m,并且应尽量保证两向跨度相等或相近,对于正交井字梁楼盖其长短向跨度比应大于1.5,当不能保证该比值时则应在长向加设大梁或采用斜交网格的井字梁体系;为了尽量避免或减小井字梁楼盖混凝土产生收缩裂缝,楼盖混凝土强度不宜过高,但为了保证其强度,混凝土强度等级也不应低于C20,当跨度较大时应采用C30。井字梁与结构支撑体系边梁的节点宜采用铰接节点,同时要保证边梁有足够的刚度,设计中若必须采用刚接节点,则必须计算边梁的抗扭强度和刚度,同时最好使边梁高度比井字梁高度高出20%～30%;与柱连接的井字梁应按照框架结构考虑,若计算中梁截面不足,则应适当增大梁宽而保证梁高不变;井字梁设计时应按照弹性方法计算,并保证其挠度值控制在L/300～L/400以内(其中L为短向跨度),当建筑物楼盖跨度较大时应设计其施工时起拱来减小其挠度。

四、井字梁设计布置

(一)井字梁平面尺寸

设计过程中若遇到井字梁的两侧两个方向的跨度不一样时,应尽量控制其长短跨度比最好不超过1∶1.5,若不能保证该值时则应采取在长跨方向加梁或采用斜向布置井字梁的方法解决,当井字梁采用斜向布置时应保证其对角线板跨相同,此时井字梁也要保证高度一致。

(二)井字梁间距

设计时为了尽量保证美观井字梁两个方向的间距应尽可能相同,若不能保证等同的间距则也要保证其间距比L1/L2不大于1.5,并应保证梁间距不大于4m。

(三)井字梁高度

设计中井字梁不同方向上的高度也应保证相等,从而实现井字梁不分主次,同时也保证了建筑物的美观。其具体高度应根据荷载及跨度大小来决定。

(四)井字梁的宽度

设计时若采用现浇井字梁时梁宽宜取梁高的1/3～1/4,其中梁高较小时取1/3,梁高较大时取1/4;若采用预制井字梁,则梁宽宜为梁高的1/2.5～1/3.5,梁高较小时取1/2.5,梁高较大时取1/3.5。

(五)井字梁的配筋

一般来讲井字梁的配筋等同于一般梁的配筋,但在异向梁相交的角点处,钢筋的设置应保证短跨方向的下层纵向受拉钢筋位于长跨方向的下层纵向受拉钢筋的下面,即等同于双向板的配筋原则;不同方向的井字梁交点格点处应设计为弹性支座而不能是一般支座,因此在进行两个方向梁配筋时应保证梁下层纵向受拉钢筋不在格点处断开,而是直接通过两端支座,若梁长超过钢筋时应保证焊接的连接方式进行连接,其焊接质量应符合设计及相关规范要求;由于井字梁在不同方向上不分主次,因此在其相交格点处不必附加横向钢筋,但必须在不同方向上部增设适量的构造负筋,用来防止在荷载分布不均匀时产生负弯矩,该处负筋长度一般为下部纵向受拉钢筋的1/3。

(六)井字梁内力计算

井字梁楼盖属高次超静定结构,其内力应根据梁间距不同而采用不同的计算方法,当梁间距小于1.25m时,其计算方法可按照双向板的计算方法,同时并可以将梁的混凝土折算成板的厚度;当梁间距大于1.25m时,则其内力应按照井字梁计算,该种情况计算时一般可不考虑剪力和扭矩作用,同时也不必假设两个方向梁刚度相等的方式进行计算,当然也可参照相关手册中相关计算图表来查表、计算井字梁最大弯矩、剪力以及挠度等值。

(七)支座处反力的计算

设计过程中设计人员往往将该井字梁的最大剪力作为井字梁支座处反力,而忽略了井字梁周边板的三角形或梯形荷载,事实上该部分荷载不能忽视,尤其是建筑物基础较浅时,该部分荷载会对基础会产生很大影响,甚至其会在一定程度上影响整体结构的安全性。

五、结语

井字梁结构属于复杂的空间受力体系,并且其一般跨度较大,该种结构形式能够在保证建筑安全的前提下提高建筑空间,因此得到广泛运用,但由于其结构复杂,所以在设计过程中对于经常出现的问题应谨慎对待,严格按照规范进行设计才能保证最终设计成果质量。

参考文献

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[4]徐归玉.钢筋混凝土井字梁楼盖设计的几点体会[J].科技资讯,2008,(27).

作者简介:孙力(1962-),男,河北张家口人,张家口市建筑勘察设计院工程师,研究方向:工业与民用建筑。