異形大跨度屋蓋結構選型

潘召輝，宋延勇，孫娜

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

異形大跨度屋蓋結構選型

潘召輝，宋延勇，孫娜

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

對某醫療建筑中異形大跨度屋蓋的結構形式進行了探討。首先，闡述了常用的幾種大跨度屋蓋結構形式在本工程中的適用性;然后，從安全性和經濟性兩方面對比了鋼筋混凝土井字梁和實腹鋼梁兩種結構方案，結果表明,后者更適合本工程。

異形；大跨度屋蓋；鋼筋混凝土井字梁；鋼梁

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.001

1 工程概況

本工程為某醫療教學科研綜合樓項目。整個項目由3個單體建筑組成，3個單體建筑通過架空連廊相連接，其建筑平面如圖1所示。3個單體建筑均為地下1層，地上5層的多層框架結構。結構抗震設防烈度為6度第一組，抗震設防分類為重點設防類別（乙類），場地類別為Ⅱ類，地震作用按6度計算，按7度要求采取抗震措施[1]。由于建筑功能的要求，在左側單體建筑的頂層設置了尺寸約為26.7m×21.8m的大會議室，其具體位置見圖1中的陰影范圍。該范圍內的4根柱子在頂層被抽掉，同時該范圍內屋面被整體抬升1.0m，形成了相對獨立的屋蓋。本文將就該異形大跨度屋蓋的結構形式進行探討。

圖1 某工程建筑平面示意圖

2 結構方案適用性比較

大跨度屋蓋通常采用預應力鋼筋混凝土梁、鋼筋混凝土井字梁、鋼網架以及實腹鋼梁等結構形式。其中，預應力鋼筋混凝土及鋼筋混凝土井字梁這兩種形式在混凝土結構中使用時整個結構材料統一，整體性較好，鋼結構的屋蓋形式在混凝土結構中使用時整體性較差。從圖1中可以看出，本工程中的大跨度屋蓋整體呈梭形，且此部分屋面抬升1.0m后，屋蓋結構相對獨立，周邊無水平結構構件拉結。同時，由于建筑使用功能對樓層凈空高度的要求，在立面高度確定的條件下，屋蓋

結構所占用的高度有所限制。

2.1 預應力鋼筋混凝土梁

預應力鋼筋混凝土結構能夠充分利用高強度材料的性能，提高構件的抗裂能力，同時,還可以減輕構件的截面尺寸及自重，是混凝土結構中大跨度樓、屋蓋理想的一種結構形式。但是，預應力鋼筋混凝土構件的材料質量要求高，構造、施工復雜，對施工技術水平要求高，這就造成這種結構形式存在施工周期長，綜合成本高等劣勢[2]。本工程僅局部幾根梁需要采用預應力鋼筋混凝土梁，考慮到工程總承包的工期要求以及成本控制等因素，該結構形式并非優選方案。

2.2 鋼筋混凝土井字梁

與預應力鋼筋混凝土構件相比，鋼筋混凝土井字梁的構件截面會有所增大，屋蓋結構的自重也會相應增大，同時，構件的抗裂能力也會變差。但由于鋼筋混凝土井字梁結構施工工藝與普通混凝土結構無異，其施工質量容易保障，同時可以縮短施工周期。因此，鋼筋混凝土井字梁結構體系在本工程中可以采用。

2.3 鋼網架

鋼網架通過調整網格布置，對異形的屋蓋具有較好的適應性。由于鋼網架自身重量較輕，其吊裝施工方便快捷，而且對下部混凝土結構豎向構件和基礎的影響也相對較小。但是，鋼網架的高跨比一般為1/10～1/18[3]，對于本工程中26.7m× 21.8m的屋蓋結構，鋼網架自身的高度需要1.3m以上，加上混凝土樓板的厚度，整個屋蓋結構占用的樓層凈高比較大。同時，鋼網架與混凝土樓板之間的節點處理較復雜，樓板開洞等也較難處理。所以，鋼網架也非本工程優選方案。

2.4 實腹鋼梁

與混凝土屋蓋結構相比，鋼梁可以減輕屋蓋結構自身的重量。同時，實腹鋼梁通過采用較小的梁間距，可以做到比網架更低的結構高度，有利于建筑樓層凈高的保證。然而，大跨度實腹鋼梁的截面往往較高，板厚也較厚，經濟性較網架差。下文將此方案與鋼筋混凝土井字梁方案進行對比。

3 方案計算結果比較

本工程大跨度屋面為非上人屋面，屋面恒載取為5.0kN/m2（不含樓板自重），活荷載為0.5kN/m2。采用YJK（V1. 7）軟件對結構進行整體分析及截面設計，并將鋼筋混凝土井字梁方案和實腹鋼梁方案的計算結果進行對比。

3.1 鋼筋混凝土井字梁結構方案

3.1.1 截面設計

當屋蓋采用鋼筋混凝土井字梁時，結構的平面布置如圖2所示，井字梁在由大截面梁圍合成的六邊形范圍內設置。井字梁橫向（長向）、縱向（短向）梁間距均控制在2.0～2.3m范圍內，圖2中JZL-1和JZL-2截面分別為300mm×1350mm和350mm×1350mm，周圍大截面梁截面為500mm×1500mm，柱截面為600mm×700mm，板厚100mm。梁、板采用C30混凝土，屋面層柱采用C35混凝土，鋼筋采用HRB400。經計算，橫向梁的跨中最大配筋率約為0.8%，兩側較短跨配筋率有所降低；縱向梁的跨中最大配筋率約為1.2%，兩側較短跨也有所降低。

圖2 鋼筋混凝土井字梁屋蓋結構布置圖

3.1.2 裂縫、撓度驗算

將井字梁橫、縱向梁的跨中配筋率均調整到1.5%左右，進行梁撓度和裂縫的驗算。經計算，井字梁的最大裂縫寬度為0.23mm，可以滿足混凝土規范0.30mm的限值要求[4]。不考慮起拱時，井字梁的撓度如圖3所示。可以看出，在未計及支座梁撓度的條件下，橫、縱向梁最大撓度分別達到95.8mm和92.3mm，均不能滿足混凝土規范l0/300的要求，需要通過起拱來解決撓度過大的問題。然而，該屋蓋相對孤立，屋蓋范圍以外無梁、板等水平結構構件拉結，加之鋼筋混凝土井字梁的自重較大，屋蓋四周的柱子可能不足以為井字梁的起拱提供足夠的約束，存在梁、柱在使用過程中開裂較大的風險。此外，圓弧處的斜向梁跨度較大，作為井字梁的支座，其自身的撓度

超過了20mm，對井字梁的受力較為不利。

圖3 鋼筋混凝土井字梁屋蓋撓度圖

3.2 實腹鋼梁結構方案

3.2.1 截面設計

當屋蓋采用實腹鋼梁時，結構的平面布置如圖4所示，鋼梁在由混凝土梁圍成的六邊形范圍內設置。大跨度鋼梁（GL-1）沿屋蓋短向布置，鋼梁中心間距約為2.2m，在其垂直方向布置兩道次梁（GL-2），鋼材均采用Q235B。與鋼梁相連的混凝土梁、柱截面見圖4，屋面板為100mm厚組合樓板，閉口壓型鋼板僅作模板。與鋼筋混凝土井字梁相比，屋蓋結構所占的凈高減少了250mm。計算時，鋼梁兩端與混凝土結構鉸接，鋼梁應力比控制在0.9以下，鋼梁截面見表1。經計算，鋼梁的最大應力比為0.89。

圖4 實腹鋼梁屋蓋結構布置圖

表1 鋼梁截面表

3.2.2 撓度驗算

在恒活荷載作用下，鋼梁的彈性撓度如圖5所示。由圖可見，在未考慮起拱的情況下，鋼梁的最大撓度為51.69mm，可以滿足鋼結構規范l0/400的限值要求[5]。相較于鋼筋混凝土井字梁結構，由于鋼梁自重較混凝土構件輕，作為鋼梁支座的混凝土邊梁撓度也較小。設計中，為了改善外觀和使用條件，對鋼梁進行了適當的起拱。

圖5 實腹鋼梁撓度圖

4 方案經濟性比較

鋼筋混凝土井字梁和實腹鋼梁兩種結構方案在結構材料和施工工藝上完全不同，兩者在經濟指標上也存在較大差異。表2列出了屋蓋部分結構的工程量以及屋蓋結構的總質量。套用本工程所在地的計價定額，鋼筋混凝土井字梁方案的屋蓋部分工程造價約為41萬元，實腹鋼梁方案的工程造價約為64萬元，后者約為前者1.5倍。然而，從總重量來看，鋼筋混凝土井字梁方案的屋蓋總重遠超實腹鋼梁方案。屋蓋重量的增大帶來了地震作用增大以及基礎受力的增加，從而間接增加了工程的造價。在施工方面，鋼結構的施工過程省去了大部分的模板工程和鋼筋綁扎的工作量，施工速度要優于鋼筋混凝土井字梁方案。所以，兩種方案的綜合經濟指標相差不多。

StructuralForm Selection forSpecial-shaped LargeSpanRoof

PANZhao-hui,SONGYan-yong,SUNNa

(China IPPR InternationalEngineeringCorporation,Beijing 100089，China)

Thestructuralform of thespecial-shaped largespan roofinamedicalbuilding isdiscussed in thispaper.Firstly,theapplicability ofseveralcommonlyused structuralformsof largespan roofisdescribed；Then,theschemeof reinforced concretewell-shapedbeam and the schemeofsteelbeam arecompared from twoaspectsofsafetyandeconomy,theresultshowsthattheschemeofsteelbeam ismoresuitable for thisproject.

special-shaped;largespan roof;reinforced concretewell-shapedbeam;steelbeam

TU208.5;TU231

B

1007-9467（2016）07-0023-03

潘召輝（1988～），男，河北邢臺人，助理工程師，從事結構工程設計與研究，（電子信箱）p_zhaohui@126.com。