井字梁結構的應用與設計技巧分析

摘 要 從井字梁結構的發展、建筑功能需求與應用優勢、布置原則、計算與構造等方面對井字梁結構進行了系統的闡述。文章結合項目設計經驗及多模型計算分析對比，提出了井字梁結構設計技巧。

關鍵詞 井字梁;結構設計;應用;設計技巧

1井字梁結構的發展

隨著我國國民經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對大跨度、大空間建筑功能的需求也日益突出。井字梁結構作為由雙向板發展、演化而來的空間受力結構，由于雙向板為雙向受彎構件，隨著跨度的增加，勢必會導致板厚度的增大。雙向板下部混凝土的受拉能力很低，主要依靠受拉鋼筋來提供承載力。隨著板厚的增大，導致自重增大，為了減少自重，充分發揮截面抗彎能力，將樓板下部混凝土兩向均勻、間隔挖除，僅保留布置受拉鋼筋的鋼筋混凝土帶，這就形成了雙向井字梁系[1]。

2井字梁結構的需求與優勢

由于井字梁結構具有能滿足較大空間需求、各向受力均勻、建筑效果美觀、大方簡潔等特點，在民用建筑中已經得到了充分的應用與發展。在實際工程項目中，對大跨度建筑功能需求異常突出。對于有大空間需求的辦公樓會議室、食堂宴會廳、學校階梯教室、禮堂、展覽廳、車站、大型商場等公共建筑，不允許建筑功能區范圍內有豎向構件，或者要求梁底應平齊等原因，導致其樓（屋）蓋采用井字梁結構。

由于井字梁結構具有自重輕，傳力路徑簡單、明確，抗扭能力強等優勢，所以合格的結構設計可以充分發揮井字梁結構安全、適用、經濟、美觀的特點。井字梁作為傳統的樓（屋）蓋形式，具有受力均勻、傳力明確、協同工作等力學優勢，廣泛應用于12～25米跨度的局部或頂部大空間結構中。另外，斜放正交井字梁系由于其梁系的均勻排布給建筑賦予了不一樣的韻律美。

3井字梁結構的布置

井字梁結構通過X、Y兩向梁系協同工作，類似于空間網格結構的受力形式，變形形式同雙向板構件。結構受力形式保證了各個梁受力均勻變化，荷載傳遞明確、簡單，協同受力的優點。

為節省建筑空間，保證經濟性，梁截面尺寸不應過大，在滿足合適配筋率的前提下，應減少梁截面寬度、高度。井字梁系間距的布置對井字梁結構的經濟性影響特別顯著，故井字梁結構中梁系間距的確定應根據跨度大小，一般在2.0～3.5米之間。項目設計時，按照經濟指標、撓度限制，不斷調整間距，優選出最優梁系間距。由于梁系間距控制在3.5m以下，兩向梁系具有相互支撐作用，梁的抗扭能力較強，截面寬度可取高度的1/4～1/5之間。為滿足抗扭、抗剪要求，邊梁截面尺寸比井字梁系大25%左右。根據工程設計經驗，井字梁采用偶數根布置時，受力更均勻，更易發揮各個梁的抗力水平。對于兩向跨度比不大于1.5的井字梁結構可采用正放正交形式。對于兩向跨度比大于1.5的結構，可采用斜放正交井字梁形式，或者在長向中部設置大梁以將井字梁分割為兩跨井字梁。

4井字梁結構計算分析與構造要求

初步計算分析時，對于正放正交井字梁，可取截面高跨比在1/15～1/20之間，對于斜放正交井字梁，可取截面高跨比在1/20～1/25之間。根據井字梁配筋率、撓度限值等指標來優選其截面尺寸。井字梁配筋應控制在三排鋼筋以內，鋼筋較密時可采用并筋形式，配筋率不應大于2.75%。井字梁按照撓度控制時，應扣除施工時的合理起拱值，該值為扣除施工模板構造起拱后的設計起拱值。

由于井字梁支座的定義與模擬對其內力計算影響巨大，井字梁兩端應按照鉸接或者實際邊梁約束能力進行分析計算。邊梁設計時應考慮井字梁系對邊梁的實際扭矩、剪力作用，適當加大邊梁截面尺寸和加強抗扭抗剪鋼筋，以提高其抗扭、抗剪能力。

按照雙向板樓（屋）蓋的基本構造要求，在井字梁施工圖設計時，應特別注明兩向梁系交叉處，短向梁受拉鋼筋應放置于長向梁受拉鋼筋的外側，以保證主要受力方向梁的截面計算高度。負筋的長度與梁的剛度有關，剛度越大，負彎矩越大。不同項目井字梁剛度、跨度差異大，負彎矩鋼筋長度難以統一規定，國標圖集《16G101-1》中要求設計圖紙中注明上部縱筋伸出支座的長度。設計時梁端支座處負筋深出長度應依據其彎矩包絡圖確定。

梁下部受拉鋼筋連接宜避免采用搭接方式，宜采用機械連接或焊接。梁下部鋼筋連接位置宜位于支座ln/4范圍內。正交正放井字梁相交處不存在支座關系，故不考慮負彎矩作用，支座鋼筋應按照不應小于梁跨中下部縱向受力鋼筋計算所需截面面積的1/4設置。由于考慮荷載不利布置情況，梁梁相交處會存在剪力的傳遞，故兩向梁均應設置附加箍筋。由于井字梁截面高寬比較大，應在井字梁兩側增設抗扭腰筋。梁柱相交處由于剛度差別較大，應適當加強該區域相關范圍樓（屋）蓋鋼筋的配置。對于跨度較大的井字梁，應按照相關范圍內提高框架梁、柱構件的抗震等級，適當按照框架梁構造要求設計井字梁。對于斜放正交井字梁，由于角部長度較短的斜梁剛度相對較大，計算表明，該短斜梁對垂直其方向梁系具有支座作用，形成了支座關系，設計時應按照多跨梁設計并采取構造措施[2]。

5井字梁結構方案優選

井字梁設計時應注重布置方案的優選，不同的方案布置在經濟指標上會有較大的差別，進而決定著項目設計的成敗。

5.1 是否避開柱位

一種觀點認為：若井字梁避開柱位，井字梁層傳遞水平力的能力較弱，且該層柱頂端約束較弱，抗側力降低，對抗震不利。另一種觀點認為：若不避開柱位，與框架柱相連的井字梁受力較大，產生巨大的剛度差別。避開柱位時保證了井字梁系的協同工作、均勻受力。

筆者認為，若不避開柱位，采用“硬抗”的方式，此時會導致框架柱配筋較大，配筋率超限和截面抗剪超限，柱位處井字梁配筋也容易超限。進而會提高超限處各個構件的截面，此種方式造成了各個井字梁系剛度懸殊大，出現受力集中點，進而相應位置梁柱在地震作用下可能會首先破壞。關鍵構件的破壞會導致結構在地震作用下被各個擊破，會出現連續倒塌的情況。所以布置時為避免梁柱節點應力集中問題，避開框架柱位置，使各個梁系受力均勻，變形協調是比較合適的做法。若由于為保證水平抗側剛度等原因，井字梁的布置不能避開柱位時，應提高邊梁的截面尺寸，以提高非柱位井字梁的支座約束，進而減少柱位處井字梁的受力。

5.2 支座約束按照鉸接與剛接

在軟件分析計算普及之前，由于采用《井字梁結構靜力計算手冊》算法，設計人員形成了井字梁支座是沒有豎向位移的固結支座。如今，絕大部分項目均采用有限元分析軟件進行分析驗算，避免陷入之前形成的思維慣性。應按照井字梁兩端實際約束情況，考慮真實的剛度約束和位移的影響，通過有限元分析軟件模擬實際支座形式進行分析計算。實際操作時可按照約束強弱來選擇鉸接或者半剛接。在非柱位處的井字梁，由于邊梁剛度有限，對該井字梁端部的約束較小，應適當釋放井字梁端部彎矩作用。

5.3 正放正交與斜放正交

雙向板長寬比在1.5左右時，處于從雙向板受力向單向板受力過渡過程，由兩向均勻受力向受力不均勻過渡。為了避免發生井字梁系兩向受力差別較大，不能充分利用截面抗彎剛度的現象，可以從兩個方面來加以處理。第一，在長向中部增加大梁，將井字梁分割為兩跨。第二，采用45度斜放正交布置井字梁系，兩斜向梁長基本相當，受力均勻。通過計算分析與設計比較，可以得知斜放正交井字梁可以更好地協調兩向受力，能更好地控制梁撓度，具有更好的經濟性。

6結束語

由于每個項目都具有單一性、不可復制性，在實際工程項目設計中，應根據經驗數據不斷調整梁間距、截面尺寸等模型布置參數，對比配筋面積、混凝土用量、撓度等指標，選取相對較優的井字梁布置形式，以滿足經濟效益的需要。

參考文獻

[1] GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].北京：中國標準出版社，2010.

[2] 夏炎，魏大平.斜放井字梁特性和工程應用[J].建筑結構，2010，40（4）：66-69.

作者簡介

何浩亮（1990-），男，新疆維吾爾自治區，烏魯木齊市;助理工程師，現就職單位：新疆天恒基建筑設計院有限公司。