加腋梁與井字梁在矩形樓蓋結(jié)構(gòu)上的分析比較

曹 法 書

(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037006)

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加腋梁與井字梁在矩形樓蓋結(jié)構(gòu)上的分析比較

曹 法 書

(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037006)

以某小型教堂中殿的矩形樓蓋為例，對(duì)加腋梁與井字梁兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案作了比較，闡述了兩種樓蓋結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算原理，分析了兩種方案的優(yōu)點(diǎn)和不足，指出對(duì)于長(zhǎng)寬比大于1.5的矩形樓蓋，采用加腋框架梁布置方案，能獲得更好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效果。

矩形樓蓋，加腋框架梁，井字梁，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在建筑設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到一些空間較大的矩形樓蓋，尤其是長(zhǎng)寬比大于1.5時(shí)，習(xí)慣做法是采用井字梁結(jié)構(gòu)布置，縱橫梁高度相同、整體美觀，但樓蓋自重很大，影響其抗震性能。如果采用主次梁布置方式，通過主框架梁加腋，來解決其截面高度，同樣會(huì)獲得良好的視覺效果，同時(shí)改善結(jié)構(gòu)的受力性能，降低經(jīng)濟(jì)成本。

1 工程概況

筆者設(shè)計(jì)的某小型教堂(見圖1)，建筑平面長(zhǎng)25.2 m，寬11.0 m，地上3層，層高均為4.2 m。每層平面內(nèi)有一個(gè)中殿大廳，11.0 m×19.2 m的大空間(長(zhǎng)寬比為17.5)。業(yè)主要求，該大廳凈高不低于3.5 m，要考慮結(jié)構(gòu)對(duì)使用功能視覺上的影響。

初步設(shè)計(jì)時(shí)，采用了鋼筋混凝土井字梁布置，分成3×6網(wǎng)格，梁截面均為250 mm×600 mm，樓板厚度為100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30(見圖2)。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用加腋梁布置方案，即在主次梁布置的基礎(chǔ)上，將②軸、③軸上的框架梁兩端豎向加腋，降低短向跨度上主框架梁的截面高度，達(dá)到增加建筑內(nèi)部?jī)舾叩哪康摹＞唧w做法是：主框架梁中間等截面為250 mm×600 mm，兩端各1.2 m范圍內(nèi)為變截面，高度由600 mm加大至850 mm(見圖3)。

2 對(duì)兩種結(jié)構(gòu)布置方案的對(duì)比分析

2.1 兩種不同結(jié)構(gòu)選型的計(jì)算原理

井字梁是一種常用于大跨度矩形樓蓋的結(jié)構(gòu)形式，在平面布置上，縱橫兩個(gè)方向上梁不分主次，高度相同，同位相交，協(xié)同工作。其作用原理如同雙向板，隨著雙向受彎板構(gòu)件跨度增加，設(shè)計(jì)板厚度加大，為了減輕自重，將其下部受拉區(qū)混凝土間隔挖掉，剩余部分集中變?yōu)榭v橫交錯(cuò)的幾道梁，使得鋼筋與混凝土更好地協(xié)同工作。框架梁豎向加腋是通過結(jié)構(gòu)構(gòu)形達(dá)到拱效應(yīng)來調(diào)整構(gòu)件內(nèi)力，將部分作用于梁上的豎向荷載轉(zhuǎn)化為桿件軸力，擴(kuò)大了剪力傳遞范圍，增加了核心區(qū)有效抗剪混凝土體積。適當(dāng)?shù)募右钙露龋D(zhuǎn)移了核心區(qū)的應(yīng)力集中，降低了梁端處的負(fù)彎矩和剪力，改善了節(jié)點(diǎn)的受力性能。

2.2 兩種不同結(jié)構(gòu)選型的內(nèi)力計(jì)算分析

經(jīng)過使用PKPM軟件，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)選型的建模計(jì)算，對(duì)比分析：二者對(duì)降低梁截面高度都起到了很好的效果，梁高僅為跨度的1/18，且梁下正彎矩配筋率不大，保證了業(yè)主關(guān)于建筑凈高的要求。

由圖4～圖7比較發(fā)現(xiàn)，井字梁布置雖然增加了兩道分格梁，但是對(duì)改善內(nèi)力作用沒有明顯效果。從數(shù)據(jù)上分析：加腋框架梁，由于端部的豎向加腋，使得梁計(jì)算跨度變小，跨中彎矩減小6.4%；隨著抗剪截面有效高度加大，剪力減小8.8%。

2.3 兩種不同結(jié)構(gòu)選型的施工操作、抗震性能比較

采用井字梁布置方案，現(xiàn)澆梁增加造成混凝土用量大，樓蓋自重變大，水平地震作用力也變大，對(duì)抗震性能不利。尤其橫向短跨上增加的次梁，對(duì)縱向邊框梁的扭矩效應(yīng)，使得邊框上梁端負(fù)彎矩配筋及抗剪、抗扭箍筋密集，造成施工中混凝土振搗不密實(shí)，埋下質(zhì)量隱患。

井字梁撓度簡(jiǎn)圖見圖8。

而采用框架梁加腋，統(tǒng)計(jì)分析，大廳樓蓋混凝土用量減少了41.8%，鋼筋用量減少了29.6%，樓蓋自重減輕了。從撓度圖上也可以看出(見圖9)，加腋梁方案雖然樓蓋整體剛度變小，但自重減輕，梁的彈性撓度值與井字梁方案相差無幾，既節(jié)省了建筑材料，又保證了混凝土澆筑質(zhì)量。

框架梁豎向加腋，相比同等跨度下等截面梁的截面高度變小，弱化了大跨度梁的線性剛度，在大空間矩形樓蓋上(尤其是長(zhǎng)寬比大于1.5)的應(yīng)用，體型簡(jiǎn)單，傳力途徑明確，符合了“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)概念。

建筑觀感上，井字梁布置使得頂棚梁太多，體型厚重，視覺上有壓抑感。而加腋梁布置簡(jiǎn)單，框架梁整體向上拱起，弧線狀的造型使結(jié)構(gòu)更顯穩(wěn)固，空間更顯高大。在主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)收時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)觀摩，得到了業(yè)主的認(rèn)可和贊揚(yáng)。

3 框架梁加腋的設(shè)計(jì)構(gòu)造

通過井字梁與加腋梁在矩形樓蓋上布置的對(duì)比分析，可以表明：井字梁適合在長(zhǎng)寬相等或相近的樓蓋上應(yīng)用，而對(duì)于長(zhǎng)寬比大于1.5的矩形樓蓋(其工作原理更接近單向板)，布置井字梁就不合適，應(yīng)該采用框架梁加腋的主次梁體型更合理。

框架梁加腋，PKPM建模可以采用“三段法”變截面輸入計(jì)算。構(gòu)造上，其坡度大約為1∶3，長(zhǎng)度Lh取梁跨的1/6～1/8，高度hh取梁高的0.4倍。加腋處由于梁的桿件軸力作用，需要配置斜向構(gòu)造鋼筋，其截面積不小于梁底縱筋的1/4，并且與梁底縱筋插空布置，如圖10所示。

框架梁加腋，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域剛度，使得梁柱與加腋連接點(diǎn)成為梁柱端頭的不利截面位置，加密區(qū)范圍應(yīng)從該點(diǎn)算起，同時(shí)在該點(diǎn)對(duì)應(yīng)處附加兩根箍筋。

4 結(jié)語(yǔ)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選擇大空間矩形樓蓋的布置方案時(shí)，要依據(jù)其使用功能、空間要求及經(jīng)濟(jì)造價(jià)等方面，從不同角度加以綜合分析比較。對(duì)于長(zhǎng)寬比大于1.5的矩形樓蓋，選擇加腋框架梁，提高了部分構(gòu)件的抗震性能，地震作用傳遞途徑更明確，體現(xiàn)了“安全適用、經(jīng)濟(jì)合理”的設(shè)計(jì)原則，值得在其他類似工程上借鑒。

[1] 徐重人.加腋梁的簡(jiǎn)化計(jì)算模型及其解析解[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007，37(3)：84-88.

[2] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(結(jié)構(gòu)2009版)[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

Analysis and comparison on rectangular floor structure of haunching frame beam and cross beam

Cao Fashu

(Datong 2nd Institute Building Design Academy Co., Ltd, Datong 037006, China)

Taking the rectangular floor structure of the small-scale church nave as an example, the paper compares two kinds of structure design schemes of haunching frame beam and cross beam, describes their calculation principles, analyzes their merits and defects, and finally points out that: it can achieve better using effect and economic benefits by applying haunching frame beam scheme for the rectangular floor with more than 1.5 of length-width rate.

rectangular floor， haunching frame beam, cross beam, structural design

1009-6825(2016)34-0047-03

2016-09-28

曹法書(1973- )，男，工程師

TU318

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