高烈度區大跨度井字梁屋蓋結構設計

雒成焱

（甘肅省城鄉規劃設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著社會的發展，對建筑無柱大空間的需求越來越多，而實現這種大空間的結構方法也是多種多樣，如網架結構、桁架結構、懸索結構、型鋼混凝土主次梁結構、預應力混凝土結構、普通混凝土井字梁結構等。這些豐富多樣的大跨度屋蓋結構形式各有優缺點，其中普通混凝土井字梁結構是一種施工難度小、且能承擔較大屋面荷載的最常見的屋蓋形式[1]。位于高烈度區（8 度0.3g）的井字梁結構一般抗震等級高、截面及配筋也比較大，跨度大于20m 的較少。本文結合25m×25m 的井字梁屋蓋，通過對井字梁的不同布置方式、計算參數的選取進行分析調整，通過減輕自重的方式減小配筋，使得結構更加安全可靠、經濟合理，對位于高烈度區的類似工程提供一定的借鑒作用。

1 工程概況

本項目位于甘肅省天水市麥積區全國養老示范基地，為基地內一地上2 層地下1 層的結構單元，采用鋼筋混凝土框架結構。內設25m×25m 的方形宴會廳，層高7.8m；25m×25m 的八角形多功能教室，層高5.1m。宴會廳屋面為種植屋面，上有約0.5m 厚覆土；多功能教室屋面為上人屋面，且人員集聚的可能性較大。計算模型如圖1 所示。

圖1 結構單元空間模型示意圖

該結構單元抗震設防分類標準為重點設防類，結構安全等級為一級，設計使用年限50 年。抗震設防烈度為8 度，地震加速度為0.30g，地震分組為第二組，特征周期0.40s，場地類別Ⅱ類，基本雪壓0.20kN/m2，基本風壓為0.35kN/m2。抗震等級為框架一級，大空間部位局部單跨的抗震等級為框架特一級。

2 屋蓋井字梁設計

2.1 井字梁布置

常見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。

本工程宴會廳大屋蓋采用正交正放井字梁，分別采用一般井字梁（方案1）和大井字套小井字梁（方案2）布置對比，詳見圖2，圖3。一般井字梁方案梁截面均為0.40m×1.65m；大井字套小井字梁方案中大井字梁為0.60m×1.65m，小井字梁為0.25m×0.60m；板厚均0.2m；梁格尺寸均為2.8m×2.8m；大屋蓋周邊柱截面為1.2m×1.2m；混凝土強度等級采用C40。

圖2 一般井字梁（方案1）示意圖

圖3 大井字套小井字梁（方案1）示意圖

2.2 結構計算與分析

結構計算采用YJK 軟件進行計算[2]。因本工程屋蓋跨度大，局部有錯層且平面布置不規則，故兩種方案計算時均考慮偶然偏心（偏心率為0.05），考慮雙向地震作用，考慮豎向地震作用并計算最不利地震方向的地震作用。由于梁柱尺寸較大，計算時考慮梁端剛域的有利影響。兩種方案的計算結果見表1。

表1 結構計算對比表

計算結果表明，兩種方案均能滿足結構安全要求，方案1 底部剪力明顯大于方案二，這是由于方案1 樓蓋自重較大引起的。方案1 優點：無明顯主次梁關系，各網格梁相互約束作用明顯，受力較均勻，樓蓋整體性好，剛度大，撓度及裂縫較小；方案1缺點：結構自重大，混凝土用量及鋼筋用量大，屋蓋邊梁受力大，截面及配筋很大。方案2 優點：自重較小，小井字梁截面及配筋小，屋蓋邊梁受力小，截面配筋也小，施工簡便，造價低；方案2 缺點：大井字梁與小井字梁形成明顯的主次梁關系，導致大井字梁受力大，縱筋配筋很大，且在不對稱荷載作用下大井字梁受扭明顯，撓度及裂縫相對方案1 大。各方案建材用量（僅為屋蓋層）對比見表2。綜合分析后，最終采用方案2，結構自重小，造價低，小井字梁范圍內建筑凈空大，適用性好。

表2 方案1 與方案2 屋蓋層建材用量對比表

2.3 屋蓋中震下不屈服復核計算

本工程為乙類建筑，結構計算時對井字梁及相鄰的支撐構件按中震下正截面和斜截面均不屈服進行復核計算，荷載效應采用標準組合，材料強度取標準值[3-5]。經復核，截面尺寸滿足要求，配筋有所增大，其中大井字梁配筋增大明顯，小井字梁配筋增幅很小，總體配筋增大約8%，施工圖設計時按小震彈性和中震不屈服包絡設計。

3 屋蓋井字梁加強措施

大跨度屋蓋由于其力學性能所限，其對地震作用敏感，內部多余約束較少，抗豎向荷載和水平作用的能力較差，抗連續倒塌能力差，個別構件有缺陷會導致嚴重安全事故，甚至屋蓋垮塌，而在計算中很難全面考慮這些不利因素，因此在施工圖設計時對一些關鍵構件要采取必要的加強措施[6]。本工程采用的加強措施如下：

（1）對單跨部位的大井字梁，適當增大梁底配筋，箍筋全長加密加粗，以增大梁的延性和抗剪能力。

（2）對四周支撐屋蓋的框架柱，箍筋全高加密，并在柱中心設置芯柱。

（3）井字梁邊梁截面加寬，箍筋全長加密，以提高邊梁抗扭性能，增強屋蓋的整體性。

4 結論及建議

1）對于帶有覆土的大跨度屋蓋，充分考慮屋面荷載是結構安全的首要保證。本工程覆土厚度0.5m，考慮使用過程中屋面因排水不暢導致積水的可能性很大，因此設計時屋面附加恒載按15kN/m2考慮，保證大屋蓋結構安全。

2）大跨度混凝土屋蓋自重一般占比很大，梁內很大一部分配筋是為了抵抗自重，因此在設計時選用的方案應盡可能地減小自重，降低豎向地震作用。大井字梁套小井字梁是一種解決此問題的很好的方案，對本工程來講，混凝土用量可降低18.5%，鋼筋用量可降低17.8%。

3）采用大井字梁套小井字梁時，荷載通過小井字梁集中于大井字梁，因此設計要特別注意加強大井字梁的計算與構造。

大跨度屋蓋的設計一般應進行多方案比較，選擇相對合理的方案。一般井字梁和大井字套小井字梁各有優缺點，選擇時要根據屋面跨度、荷載大小、地震烈度等因素選用，切不可一概而論。本文最終所采用的帶覆土的屋蓋井字梁布置形式綜合考慮了結構的安全性、適用性，同時兼顧了經濟性。