某大跨度普通混凝土梁板體系屋蓋選型設(shè)計(jì)

于 恒 兵

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司,重慶 400016)

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某大跨度普通混凝土梁板體系屋蓋選型設(shè)計(jì)

于 恒 兵

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司,重慶 400016)

結(jié)合某多功能宴會(huì)廳的特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力、空間變形、經(jīng)濟(jì)性和施工便利性等方面，綜合比較了單向密肋梁、正交井字梁、斜交井字梁、邊框井字梁四種結(jié)構(gòu)方案的適用性，確定了單向密肋梁為本項(xiàng)目的最佳結(jié)構(gòu)方案。

大跨度結(jié)構(gòu)，混凝土，井字梁，密肋梁

1 工程概況

本工程位于重慶市云陽(yáng)縣北部新區(qū)迎賓大道。總建筑面積：12.2萬 m2。其中1號(hào)樓功能為辦公，2號(hào)樓功能為酒店，1號(hào)樓，2號(hào)樓均為地上22層，地下2層，建筑高度99.0 m。裙房為配套用房，地上5層，地下2層，建筑高度23.0 m。建筑效果圖見圖1。

1號(hào)塔樓，2號(hào)塔樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)，裙房為框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)嵌固于地下室頂板(±0.000)，嵌固層以上塔樓與裙房間設(shè)150 mm抗震縫[1，2]。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，重要性系數(shù)γ0=1.0；抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)，地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s；基本風(fēng)壓0.35 kN/m2(基準(zhǔn)期50年)，地面粗糙度B類。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 輸入條件

本工程裙樓局部3層～5層通高設(shè)置宴會(huì)廳，宴會(huì)廳平面尺寸為4×8.4=33.6 m(長(zhǎng))，3×8.4=25.2 m(寬)，結(jié)構(gòu)高度3×4.5=13.5 m。

宴會(huì)廳屋蓋結(jié)構(gòu)短向跨度25.2 m>18 m，屬于大跨度框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)為三級(jí)[1]。

材料：混凝土等級(jí)C35，鋼筋HRB500(梁、柱主筋)，HRB400(梁、柱箍筋、板鋼筋)。

1949年8月湖南和平解放。同年9月初，湯甲真接到寧鄉(xiāng)縣工委通知，被分配在家鄉(xiāng)所在的第一區(qū)工作。他先后擔(dān)任區(qū)委秘書、宣傳委員、區(qū)長(zhǎng)。

2.2 適用條件

單向密肋梁：通常沿平面短跨方向進(jìn)行梁等間距布置，可根據(jù)跨度及荷載大小調(diào)整梁截面尺寸或梁間距。

正交井字梁：要求柱網(wǎng)雙向正交，適用于樓、屋蓋長(zhǎng)邊與短邊之比不大于1.5的平面，此時(shí)梁線剛度接近，雙向受力，變形趨于協(xié)調(diào)。

斜交井字梁：當(dāng)樓、屋蓋矩形平面尺寸長(zhǎng)邊與短邊之比大于1.5時(shí)，為提高各向梁承載效率，可將井字梁斜向布置。

邊框井字梁：要求錯(cuò)開柱網(wǎng)進(jìn)行梁系布置，井字次梁均以邊框架梁作為梁端支座，支座約束條件基本一致。

2.3 結(jié)構(gòu)布置

四種結(jié)構(gòu)方案均適用于本項(xiàng)目(見圖2～圖5)。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案，各典型截面見表1。

表1 構(gòu)件尺寸表

3 應(yīng)力應(yīng)變分析

筆者采用PKPM 2010-V2.1版軟件對(duì)四種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了同工況下應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算分析。

3.1 結(jié)構(gòu)空間變形

單向密肋梁：密肋次梁負(fù)荷面積、線剛度(EI/L)相同，樓板呈單曲面變形，邊框架梁端跨跨中彎矩、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力及變形較大，應(yīng)加強(qiáng)抗扭措施，見圖6。

正交井字梁：為弱化內(nèi)框效應(yīng)，避免形成內(nèi)框井字梁，梁間井字梁與柱間井字梁采用相同截面。由程序自動(dòng)考慮支座剛度對(duì)井字梁的影響，井字梁交叉點(diǎn)的內(nèi)力按梁的線剛度大小和節(jié)點(diǎn)的變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行計(jì)算，每一交叉點(diǎn)雙向梁的線位移相同。平面四角邊框架梁扭矩較大，應(yīng)加強(qiáng)抗扭措施。樓板呈凹形雙曲面變形，見圖7。

斜交井字梁：除平面四角外，井字梁跨度、負(fù)荷面積、線剛度相同，空間變形呈U字形曲面，平面中部略大，邊框架梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，見圖8。

邊框井字梁：井字次梁以邊框架梁為支座，支座約束條件基本一致。為滿足柱邊支座抗剪計(jì)算需要，井字梁支座按簡(jiǎn)支設(shè)計(jì)，但應(yīng)從構(gòu)造上加強(qiáng)主框架梁抗扭性能。其空間變形與正交井字梁相似。

3.2 計(jì)算假定

四種結(jié)構(gòu)方案，次梁支座約束假定，應(yīng)視邊框梁對(duì)次梁的約束能力分析后確定。以單向密肋梁為例，簡(jiǎn)支、固結(jié)假定計(jì)算配筋見表2。

表2 配筋量統(tǒng)計(jì)表 mm2

簡(jiǎn)支支座鋼筋實(shí)配跨中鋼筋計(jì)算值的1/4，配筋量0.25×10 300=2 575 mm2>1 400 mm2(固結(jié)計(jì)算支座鋼筋)，跨中值10 300 mm2為固結(jié)計(jì)算值的1.12倍，次梁設(shè)計(jì)偏于保守和浪費(fèi)。簡(jiǎn)支計(jì)算顯示邊框梁無需抗扭鋼筋，若僅按構(gòu)造配置0.1%腰筋[3]，腰筋面積621 mm2<2 100 mm2(固結(jié)計(jì)算抗扭鋼筋)，而此時(shí)簡(jiǎn)支次梁支座實(shí)配鋼筋大于固結(jié)計(jì)算結(jié)果，對(duì)主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)更加明顯，主梁抗扭鋼筋嚴(yán)重不足，存在安全隱患。因此，次梁支座按照固結(jié)輸入，由程序根據(jù)主次梁實(shí)際剛度和變形進(jìn)行應(yīng)力分配計(jì)算，結(jié)果更經(jīng)濟(jì)、合理。

3.3 應(yīng)力分析

四種結(jié)構(gòu)方案，PKPM-SATWE輸出的次梁跨中彎矩、支座剪力統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 彎矩剪力統(tǒng)計(jì)表

合理的結(jié)構(gòu)方案，各結(jié)構(gòu)單元承擔(dān)的彎矩和剪力宜接近，就受力合理性而言：?jiǎn)蜗蛎芾吡?斜交井字梁>邊框井字梁≈正交井字梁。

3.4 撓曲變形分析

四種結(jié)構(gòu)方案，在恒、活荷載組合作用下，跨中最大撓度均超過規(guī)范限值，需要進(jìn)行施工預(yù)起拱，起拱后撓度值符合規(guī)范要求(見表4)。

表4 梁撓度及起拱值統(tǒng)計(jì)表 mm

梁撓度按L0/300控制，L0簡(jiǎn)化取軸線尺寸L。表4中有兩個(gè)數(shù)值時(shí)，前者為短跨值，后者為長(zhǎng)跨值，跨中最大起拱值應(yīng)按大值采用。

就變形量而言：邊框井字梁≈正交井字梁>斜交井字梁>單向密肋梁。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

四種結(jié)構(gòu)方案，在滿足承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)條件下，采用PKPM-STAT-S軟件對(duì)鋼筋及混凝土用量統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 鋼筋及混凝土用量表

面積S按軸線尺寸計(jì)算，S=33.6×25.2=846.72 m2。就經(jīng)濟(jì)性而言：?jiǎn)蜗蛎芾吡?正交井字梁>斜交井字梁>邊框井字梁。

5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析、處理

單向密肋梁、正交井字梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單。斜交井字梁建議柱頭處設(shè)置柱帽以解決斜梁鋼筋錨固。

邊框井字梁結(jié)構(gòu)，除角柱外其余邊柱均為單向拉結(jié)，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)調(diào)整框架柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，圖5中填充板帶采用雙層雙向配筋，配筋率0.25%，加強(qiáng)板帶等同于平面外與框架柱相交的一寬扁梁，梁慣性矩I=bh3/12；以本案為例，板寬2 070 mm，板厚250時(shí)，等同于300(b) mm×476(h) mm的框架梁；板厚300時(shí)，等同于300(b) mm×571(h) mm的框架梁，可認(rèn)為當(dāng)B1板厚不小于300 mm時(shí)，能形成對(duì)框架柱平面外的有效約束。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合比較結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、經(jīng)濟(jì)性和施工便利等因素，單向密肋梁為本項(xiàng)目最佳方案，為實(shí)施方案。

鋼網(wǎng)、桁架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等對(duì)于解決此類對(duì)空間有較高要求的大跨度結(jié)構(gòu)都有較為成熟的設(shè)計(jì)理論和大量的成功案例，但由于工藝、技術(shù)上的特殊要求，對(duì)于工程量相對(duì)較小的項(xiàng)目，建設(shè)單位更樂于采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)體系。

筆者認(rèn)為，對(duì)于一個(gè)工程項(xiàng)目，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，從應(yīng)力應(yīng)變分析、經(jīng)濟(jì)性比較、施工難度等多個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡，以便確定最佳結(jié)構(gòu)方案，不可一概而論。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Selection design of common large-span concrete beam board roof

Yu Hengbing

(ChinaCoalScienceIndustryGroupChongqingDesignAcademyCo.,Ltd,Chongqing400016,China)

Combining with multi-functional banquet features, starting from aspects of structural stress, spatial deformation, economy and construction convenience, the paper comprehensively compares the structural scheme adaptability of single-direction ribbed beam, orthogonal cross beam, inclined cross beam and lateral frame cross beam, and finally determines single-direction ribbed beam as the optimal structural scheme.

large-span structure, concrete, cross beam, ribbed beam

1009-6825(2017)06-0045-03

2016-12-13

于恒兵(1983- )，男，高級(jí)工程師

TU318

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