建筑結(jié)構(gòu)中井字梁設(shè)計(jì)技術(shù)

張 強(qiáng)

（錦州市建筑設(shè)計(jì)研究院，錦州 121001）

隨著我國綜合國力的提升，建筑業(yè)迎來了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，并且在可以預(yù)見的將來還將長期保持這種發(fā)展態(tài)勢。在建筑業(yè)的這輪發(fā)展期內(nèi)，各種大空間建筑的發(fā)展越來越多涌現(xiàn)。從降低梁高，增大建筑凈空方面考慮，由于井字梁優(yōu)秀的雙向受力性能，在大空間建筑中受到青睞，在禮堂、賓館以及大型商場等大空間公共建筑的入口大廳處得到了很多應(yīng)用。

1 鋼筋混凝土井字梁概述

鋼筋混凝土井字梁這一結(jié)構(gòu)形式實(shí)際是從鋼筋混凝土雙向板演化而來的。雙向板作為一種受彎構(gòu)件，在增大其跨度以滿足大空間的要求時(shí)，勢必同時(shí)帶來厚度的增加，這一點(diǎn)是顯然的。但問題也隨著而來：板下部受拉區(qū)的混凝土抗拉能力很低，一般在設(shè)計(jì)時(shí)都不予考慮而僅將其作為安全儲備，導(dǎo)致了材料的浪費(fèi)，同時(shí)板中所配鋼筋的承載能力很大一部分被自重所消耗，很不經(jīng)濟(jì)。為了解決這一問題，減輕大跨度雙向板的自重，可將板下部受拉區(qū)混凝土的一部分挖去，將受拉鋼筋布置在雙向相交的幾條線上，再將這“幾條線”適當(dāng)增高便形成了梁結(jié)構(gòu)，這樣鋼筋和混凝土能更加合理的工作，其承載能力的利用率也得到提高，相應(yīng)提高了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。雙向板經(jīng)過這樣變形，成為了雙向井字式的區(qū)格梁板，而且兩個(gè)方向上的梁高度相同，沒有主次之分，也即鋼筋混凝土井字梁。

鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于不適宜采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的大空間建筑屋（樓）蓋筋混凝土結(jié)構(gòu)。作為一種雙向受力構(gòu)件，井字梁能夠降低梁高，增大建筑凈空，提供更多的使用面積，且使建筑外觀更加美觀。鋼筋混凝土井字梁最主要的參數(shù)之一是其截面的尺寸，它對結(jié)構(gòu)混凝土用量和承載能力和配筋方式起著直接作用，是設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。

鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)是一種交叉梁系，具有前述種種優(yōu)點(diǎn)，但它畢竟不同于普通的受力梁，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有自己該考慮的因素。而作為一種經(jīng)常遇到的結(jié)構(gòu)形式，廣大設(shè)計(jì)人員又必須牢固掌握其設(shè)計(jì)方法，因此探討鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)方法就具有重要的工程實(shí)際意義。該文從鋼筋混凝土井字梁的平面布置方式、井字梁的計(jì)算與配筋和井字梁設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題等方面詳細(xì)介紹了鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)造要求和計(jì)算方法，并提出設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同行參考。

2 鋼筋混凝土井字梁的平面布置方式

2.1 正交井字梁

正交井字梁的方向平行于屋（樓）蓋矩形平面的兩條邊，梁的長邊與短邊長度之比小于或等于1.5，且長短邊的尺寸相差越少越好。

2.2 斜交井字梁

斜交井字梁一般用在屋（樓）蓋矩形平面長短邊之比大于1.5的情況。這種情況下，斜向布置的井字梁承載能力要比正交的好。當(dāng)屋（樓）蓋矩形平面長短邊尺寸相差不多時(shí)，平面四角的井字梁由于長度短而具有較大的剛度，可以作為中部長井字梁的彈性支撐，對長邊的受力是有利的。從方便計(jì)算上考慮，斜交井字梁一般按對稱于矩形平面的縱橫軸布置，斜交的交角可以是90°也可以是45°，故其對不規(guī)則屋（樓）蓋平面的適應(yīng)性較強(qiáng)。

2.3 三向井字梁

三向布置井字梁多用于屋（樓）蓋為三角形或六邊形平面的情況，具有良好的空間作用，受力合理，結(jié)構(gòu)剛度大，能夠有效減小結(jié)構(gòu)高度，增大建筑凈空。

2.4 設(shè)有內(nèi)柱的井字梁

當(dāng)屋（樓）蓋的井字梁內(nèi)布置有內(nèi)柱時(shí)，主梁可沿柱網(wǎng)雙向布置，而次梁則布置在主梁形成的網(wǎng)格內(nèi)，主梁和次梁的高度不一定要求相等，可按情況靈活設(shè)置。

2.5 設(shè)有外伸懸挑部分的井字梁

為了減少井字梁跨中彎矩和撓度，使梁內(nèi)彎矩分布更平緩，有時(shí)可在單跨簡支梁和多跨連續(xù)梁的一端或兩端設(shè)置外伸懸挑。

3 井字梁樓蓋構(gòu)造

1）采用鋼筋混凝土井字梁方案的屋（樓）蓋平面結(jié)構(gòu)跨度應(yīng)處于一定范圍內(nèi)，跨度過大或過小時(shí)都不宜采用井字梁結(jié)構(gòu)，一般以8～24m為宜，且應(yīng)使長短邊跨度相差盡量小。一般來說，當(dāng)梁長跨和短跨跨度之比處于1～1.5之間時(shí)最為理想，應(yīng)盡量給與保證。若由于種種原因無法滿足此要求的話，宜在長向跨度中間設(shè)置大梁，將長跨梁分割為2個(gè)短跨梁，從而形成兩個(gè)井字梁體系。除此之外，采用斜交井字梁也是一種很好的解決方法。

2）井字梁屋（樓）蓋的區(qū)格尺寸應(yīng)盡量根據(jù)計(jì)算圖表確定，一般可按1.2～3m來取，該范圍內(nèi)的尺寸一方面能夠較好的滿足建筑和結(jié)構(gòu)的受力要求，另一方面經(jīng)濟(jì)性也較好。

3）從承載能力角度考慮，井字梁屋（樓）蓋混凝土強(qiáng)度等級不宜過低；從減少或避免屋（樓）蓋混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的角度考慮，井字梁屋（樓）蓋所采用的混凝土強(qiáng)度等級也不宜過高，一般來說可取C20，跨度較大的情況下也可取C30。

4）井字梁和支承邊梁宜采用鉸接節(jié)點(diǎn)連接，且應(yīng)采取相應(yīng)構(gòu)造措施保證邊梁具有足夠大的剛度。當(dāng)兩者采用剛性節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，需對邊梁進(jìn)行抗扭驗(yàn)算，包括強(qiáng)度和剛度兩個(gè)方面，并使邊梁截面高度高出井字梁高度20%～30%。

5）當(dāng)井字梁或其支承邊梁與柱相連接時(shí)，應(yīng)將井字梁或支承梁考慮為框架梁，并對其驗(yàn)算地震條件下的抗彎、抗剪和抗扭承載能力，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。當(dāng)梁截面尺寸無法滿足計(jì)算要求時(shí)，可在梁高度不變的情況下適當(dāng)增大梁的寬度。

4 井字梁的計(jì)算與配筋

4.1 井字梁截面的確定

2個(gè)方向的井字梁高度應(yīng)取相同值，當(dāng)屋（樓）蓋承受的均布荷載q＝6～10kN/m2時(shí)，井字梁高度可取兩個(gè)方向梁跨度較小值的1/15～1/20。若屋（樓）蓋承受較大的均布荷載，如q＞10kN/m2，可對梁高度值適當(dāng)增大，取1/12～1/25。

梁截面寬度的取值方法與普通梁的相同，即按梁高度的一定比例取值。考慮到井字梁的跨度較小，一般承受較小的剪力，從而可以減小梁截面的寬度。梁截面寬度的取值與井字梁井格的大小是負(fù)相關(guān)的，井字梁越大，提供給梁的側(cè)向約束作用就越大，相應(yīng)梁的寬度就可以取小值，反之則需取大值。

4.2 井字梁的內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)井字梁間距大小的不同，所采用的計(jì)算方法也各異。當(dāng)梁間距不大于1.25m時(shí)可將梁的混凝土折算成混凝土板的厚度，近似按照雙向板進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)梁間距大于1.25m時(shí)，則應(yīng)按井字梁進(jìn)行計(jì)算。考慮到井字梁的計(jì)算相對來說較為復(fù)雜，可作出以下假定以簡化計(jì)算：

1）忽略梁所受的剪力和扭矩的作用，這是由井字梁的跨度一般較小得到的。

2）梁在兩個(gè)方向上具有相同的剛度。基于這2個(gè)假定，可按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊所提供的計(jì)算圖表計(jì)算出井字梁彎矩、剪力和撓度的設(shè)計(jì)控制值。

4.3 井字梁的配筋

井字梁的配筋和普通梁的配筋并無本質(zhì)上的區(qū)別，2者的區(qū)別僅在一些細(xì)節(jié)上面，設(shè)計(jì)中可在以下幾個(gè)方面加以注意：

1）兩方向梁的交點(diǎn)處短跨梁的縱向受拉鋼筋應(yīng)布置在長跨梁縱向的下方，并保證節(jié)點(diǎn)處箍筋的配置，這一點(diǎn)與雙向板的規(guī)定是相同的。

2）兩個(gè)方向梁在布筋時(shí)需注意縱向受拉鋼筋在梁節(jié)點(diǎn)處應(yīng)當(dāng)延伸至各井字梁的端支座處而不能斷開，這是由于兩個(gè)方向梁節(jié)點(diǎn)并不能作為一般支座而只能視為彈性支座。

3）由于井字梁不分主次梁，故梁節(jié)點(diǎn)處不必設(shè)置附加橫向鋼筋，但需各自布置適量構(gòu)造負(fù)筋，用來承擔(dān)特殊荷載產(chǎn)生的負(fù)彎矩。

5 井字梁設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

5.1 井字梁的受力規(guī)律

1）通過改變邊梁的剛度，可以調(diào)整兩方向連接在框架柱上和支撐在邊梁上的井字梁內(nèi)力分配關(guān)系。

2）通過調(diào)整與框架柱相連和與邊梁相連的各井字梁截面尺寸，可以改變各井字梁之間的內(nèi)力分配關(guān)系。

3）通過減小與框架柱相連的井字梁端部尺寸，可以有效降低井字梁的端部彎矩和框架柱的柱端彎矩。

5.2 井字梁與柱的關(guān)系

1）井字梁與柱子采取“避”的方式，調(diào)整井字梁間距以避開柱位；避免在井字梁與柱子相連處井字梁的支座配筋計(jì)算結(jié)果容易出現(xiàn)的超限情況；減少梁柱節(jié)點(diǎn)在荷載作用下，由于兩者剛度相差懸殊而成為受力薄弱點(diǎn)以致先破壞，由于井字梁避開了柱位，靠近柱位的區(qū)格板需另作加強(qiáng)處理。

2）井字梁與柱子采取“抗”的方法，把與柱子相連的井字梁設(shè)計(jì)成大井字梁，其余小井字梁套在其中，形成大小井字梁相嵌的結(jié)構(gòu)形式，使樓面荷載從小井字梁傳遞至大井字梁再到柱子。

5.3 井字梁的荷載計(jì)算

《井字梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊》等各類手冊中的荷載值并未包括構(gòu)件自重，故設(shè)計(jì)井字梁結(jié)構(gòu)時(shí)不能忽視梁自重荷載而僅考慮梁上均布恒載和活載，由于井字梁結(jié)構(gòu)屬空間共同受力體系，因此無法簡單地將每條井字梁的自重用均勻線荷載按兩邊支座簡支去計(jì)算內(nèi)力，再與梁上均布荷載所引起的內(nèi)力進(jìn)行疊加。

5.4 井字梁支座處反力

在井字梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，某些設(shè)計(jì)人員計(jì)算井字梁支座處反力時(shí)往往僅將該梁最大剪力作為井字梁支座處反力，而忽略了周邊板的三角形或梯形荷載。實(shí)踐證明，周邊板的三角形或梯形荷載引起的反力與梁最大剪力相比是不能忽略的，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中特別是采用淺基時(shí)這部分荷載對基礎(chǔ)的影響更大，并在很大程度上影響基礎(chǔ)的安全性。

5.5 井字梁支點(diǎn)附加筋和支座負(fù)筋

若井字梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力條件合理，則在交叉點(diǎn)處一個(gè)方向的梁向另一個(gè)方向的梁傳遞的荷載為P＝k·q·a·b（k為荷載傳遞系數(shù)，k＜1）。當(dāng)井格尺寸a＝b＝1.5m，荷載q＝10N/m2時(shí)，則應(yīng)為P＜22.5kN，可見在井字梁交叉點(diǎn)處沒有必要設(shè)置吊筋來承擔(dān)井字梁之間所傳遞的集中荷載，但應(yīng)保證在井字梁交叉處外梁側(cè)設(shè)置箍筋。

在井字梁支座為簡支且承受均布荷載的情況下，井字梁不需專門設(shè)置受力負(fù)筋，因矩形井字梁結(jié)構(gòu)邊界長寬比在一定范圍內(nèi)，其上部為受壓區(qū)，下部為受拉區(qū)。雖然存在一個(gè)方向的梁向另一個(gè)方向的梁傳遞荷載的情況，但2個(gè)方向的梁并無嚴(yán)格意義上的主次梁之分。對于井字梁結(jié)構(gòu)的設(shè)置，更應(yīng)體現(xiàn)其整體受力的特點(diǎn)，就像四邊簡支的雙向受力構(gòu)件，只需按一定的要求在2個(gè)方向的梁底配置受拉鋼筋，上部配置架立筋即可。

6 結(jié) 語

由于鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)在使用上能給建筑物提供較大空間，因此這種結(jié)構(gòu)形式在工程設(shè)計(jì)中日益常見。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際情況，例如荷載條件、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、配筋參數(shù)等因素進(jìn)行綜合考慮，并充分注意到井字梁的力學(xué)特點(diǎn)，確保設(shè)計(jì)的合理性和安全性。

［1］ 實(shí)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 熊丹安.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)例［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2005.

［3］ 建設(shè)部GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ 建設(shè)部GB 50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 中國建筑科學(xué)研究院.多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件－SATWE.