加腋梁與井字梁在矩形樓蓋結構上的分析比較

曹 法 書

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西 大同 037006)

?

加腋梁與井字梁在矩形樓蓋結構上的分析比較

曹 法 書

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西 大同 037006)

以某小型教堂中殿的矩形樓蓋為例，對加腋梁與井字梁兩種結構設計方案作了比較，闡述了兩種樓蓋結構形式的計算原理，分析了兩種方案的優(yōu)點和不足，指出對于長寬比大于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濟效果。

矩形樓蓋，加腋框架梁，井字梁，結構設計

在建筑設計中，經常會遇到一些空間較大的矩形樓蓋，尤其是長寬比大于1.5時，習慣做法是采用井字梁結構布置，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，同樣會獲得良好的視覺效果，同時改善結構的受力性能，降低經濟成本。

1 工程概況

筆者設計的某小型教堂(見圖1)，建筑平面長25.2 m，寬11.0 m，地上3層，層高均為4.2 m。每層平面內有一個中殿大廳，11.0 m×19.2 m的大空間(長寬比為17.5)。業(yè)主要求，該大廳凈高不低于3.5 m，要考慮結構對使用功能視覺上的影響。

初步設計時，采用了鋼筋混凝土井字梁布置，分成3×6網格，梁截面均為250 mm×600 mm，樓板厚度為100 mm，混凝土強度等級為C30(見圖2)。

經過優(yōu)化設計，采用加腋梁布置方案，即在主次梁布置的基礎上，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，達到增加建筑內部凈高的目的。具體做法是：主框架梁中間等截面為250 mm×600 mm，兩端各1.2 m范圍內為變截面，高度由600 mm加大至850 mm(見圖3)。

2 對兩種結構布置方案的對比分析

2.1 兩種不同結構選型的計算原理

井字梁是一種常用于大跨度矩形樓蓋的結構形式，在平面布置上，縱橫兩個方向上梁不分主次，高度相同，同位相交，協(xié)同工作。其作用原理如同雙向板，隨著雙向受彎板構件跨度增加，設計板厚度加大，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橫交錯的幾道梁，使得鋼筋與混凝土更好地協(xié)同工作?？蚣芰贺Q向加腋是通過結構構形達到拱效應來調整構件內力，將部分作用于梁上的豎向荷載轉化為桿件軸力，擴大了剪力傳遞范圍，增加了核心區(qū)有效抗剪混凝土體積。適當?shù)募右钙露?，轉移了核心區(qū)的應力集中，降低了梁端處的負彎矩和剪力，改善了節(jié)點的受力性能。

2.2 兩種不同結構選型的內力計算分析

經過使用PKPM軟件，對兩種結構選型的建模計算，對比分析：二者對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，但是對改善內力作用沒有明顯效果。從數(shù)據上分析：加腋框架梁，由于端部的豎向加腋，使得梁計算跨度變小，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 兩種不同結構選型的施工操作、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，對抗震性能不利。尤其橫向短跨上增加的次梁，對縱向邊框梁的扭矩效應，使得邊框上梁端負彎矩配筋及抗剪、抗扭箍筋密集，造成施工中混凝土振搗不密實，埋下質量隱患。

井字梁撓度簡圖見圖8。

而采用框架梁加腋，統(tǒng)計分析，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(尤其是長寬比大于1.5)的應用，體型簡單，傳力途徑明確，符合了“強柱弱梁，強節(jié)點弱構件”的抗震設計概念。

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。而加腋梁布置簡單，框架梁整體向上拱起，弧線狀的造型使結構更顯穩(wěn)固，空間更顯高大。在主體結構驗收時，通過現(xiàn)場觀摩，得到了業(yè)主的認可和贊揚。

3 框架梁加腋的設計構造

通過井字梁與加腋梁在矩形樓蓋上布置的對比分析，可以表明：井字梁適合在長寬相等或相近的樓蓋上應用，而對于長寬比大于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，應該采用框架梁加腋的主次梁體型更合理。

框架梁加腋，PKPM建?？梢圆捎谩叭畏ā弊兘孛孑斎胗嬎恪嬙焐?，其坡度大約為1∶3，長度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，增強了節(jié)點核心區(qū)域剛度，使得梁柱與加腋連接點成為梁柱端頭的不利截面位置，加密區(qū)范圍應從該點算起，同時在該點對應處附加兩根箍筋。

4 結語

在結構設計中，選擇大空間矩形樓蓋的布置方案時，要依據其使用功能、空間要求及經濟造價等方面，從不同角度加以綜合分析比較。對于長寬比大于1.5的矩形樓蓋，選擇加腋框架梁，提高了部分構件的抗震性能，地震作用傳遞途徑更明確，體現(xiàn)了“安全適用、經濟合理”的設計原則，值得在其他類似工程上借鑒。

[1] 徐重人.加腋梁的簡化計算模型及其解析解[J].建筑結構，2007，37(3)：84-88.

[2] 住房和城鄉(xiāng)建設部.全國民用建筑工程設計技術措施(結構2009版)[M].北京：中國計劃出版社，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

A