某大跨度普通混凝土梁板体系屋盖选型设计

于 恒 兵

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司,重庆 400016)



某大跨度普通混凝土梁板体系屋盖选型设计

于 恒 兵

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司,重庆 400016)

结合某多功能宴会厅的特点，从结构应力、空间变形、经济性和施工便利性等方面，综合比较了单向密肋梁、正交井字梁、斜交井字梁、边框井字梁四种结构方案的适用性，确定了单向密肋梁为本项目的最佳结构方案。

大跨度结构，混凝土，井字梁，密肋梁

1 工程概况

本工程位于重庆市云阳县北部新区迎宾大道。总建筑面积：12.2万 m2。其中1号楼功能为办公，2号楼功能为酒店，1号楼，2号楼均为地上22层，地下2层，建筑高度99.0 m。裙房为配套用房，地上5层，地下2层，建筑高度23.0 m。建筑效果图见图1。

1号塔楼，2号塔楼为框架核心筒结构，裙房为框架结构，结构嵌固于地下室顶板(±0.000)，嵌固层以上塔楼与裙房间设150 mm抗震缝[1，2]。

设计基准期50年，结构安全等级二级，为标准设防类，重要性系数γ0=1.0；抗震设防烈度为6度(0.05g)，地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45 s；基本风压0.35 kN/m2(基准期50年)，地面粗糙度B类。

2 结构体系

2.1 输入条件

本工程裙楼局部3层～5层通高设置宴会厅，宴会厅平面尺寸为4×8.4=33.6 m(长)，3×8.4=25.2 m(宽)，结构高度3×4.5=13.5 m。

宴会厅屋盖结构短向跨度25.2 m>18 m，属于大跨度框架结构，框架抗震等级为三级[1]。

材料：混凝土等级C35，钢筋HRB500(梁、柱主筋)，HRB400(梁、柱箍筋、板钢筋)。

1949年8月湖南和平解放。同年9月初，汤甲真接到宁乡县工委通知，被分配在家乡所在的第一区工作。他先后担任区委秘书、宣传委员、区长。

2.2 适用条件

单向密肋梁：通常沿平面短跨方向进行梁等间距布置，可根据跨度及荷载大小调整梁截面尺寸或梁间距。

正交井字梁：要求柱网双向正交，适用于楼、屋盖长边与短边之比不大于1.5的平面，此时梁线刚度接近，双向受力，变形趋于协调。

斜交井字梁：当楼、屋盖矩形平面尺寸长边与短边之比大于1.5时，为提高各向梁承载效率，可将井字梁斜向布置。

边框井字梁：要求错开柱网进行梁系布置，井字次梁均以边框架梁作为梁端支座，支座约束条件基本一致。

2.3 结构布置

四种结构方案均适用于本项目(见图2～图5)。针对不同结构方案，各典型截面见表1。

表1 构件尺寸表

3 应力应变分析

笔者采用PKPM 2010-V2.1版软件对四种结构方案进行了同工况下应力、应变计算分析。

3.1 结构空间变形

单向密肋梁：密肋次梁负荷面积、线刚度(EI/L)相同，楼板呈单曲面变形，边框架梁端跨跨中弯矩、扭转应力及变形较大，应加强抗扭措施，见图6。

正交井字梁：为弱化内框效应，避免形成内框井字梁，梁间井字梁与柱间井字梁采用相同截面。由程序自动考虑支座刚度对井字梁的影响，井字梁交叉点的内力按梁的线刚度大小和节点的变形协调条件进行计算，每一交叉点双向梁的线位移相同。平面四角边框架梁扭矩较大，应加强抗扭措施。楼板呈凹形双曲面变形，见图7。

斜交井字梁：除平面四角外，井字梁跨度、负荷面积、线刚度相同，空间变形呈U字形曲面，平面中部略大，边框架梁扭转效应不明显，见图8。

边框井字梁：井字次梁以边框架梁为支座，支座约束条件基本一致。为满足柱边支座抗剪计算需要，井字梁支座按简支设计，但应从构造上加强主框架梁抗扭性能。其空间变形与正交井字梁相似。

3.2 计算假定

四种结构方案，次梁支座约束假定，应视边框梁对次梁的约束能力分析后确定。以单向密肋梁为例，简支、固结假定计算配筋见表2。

表2 配筋量统计表 mm2

简支支座钢筋实配跨中钢筋计算值的1/4，配筋量0.25×10 300=2 575 mm2>1 400 mm2(固结计算支座钢筋)，跨中值10 300 mm2为固结计算值的1.12倍，次梁设计偏于保守和浪费。简支计算显示边框梁无需抗扭钢筋，若仅按构造配置0.1%腰筋[3]，腰筋面积621 mm2<2 100 mm2(固结计算抗扭钢筋)，而此时简支次梁支座实配钢筋大于固结计算结果，对主梁扭转效应会更加明显，主梁抗扭钢筋严重不足，存在安全隐患。因此，次梁支座按照固结输入，由程序根据主次梁实际刚度和变形进行应力分配计算，结果更经济、合理。

3.3 应力分析

四种结构方案，PKPM-SATWE输出的次梁跨中弯矩、支座剪力统计见表3。

表3 弯矩剪力统计表

合理的结构方案，各结构单元承担的弯矩和剪力宜接近，就受力合理性而言：单向密肋梁>斜交井字梁>边框井字梁≈正交井字梁。

3.4 挠曲变形分析

四种结构方案，在恒、活荷载组合作用下，跨中最大挠度均超过规范限值，需要进行施工预起拱，起拱后挠度值符合规范要求(见表4)。

表4 梁挠度及起拱值统计表 mm

梁挠度按L0/300控制，L0简化取轴线尺寸L。表4中有两个数值时，前者为短跨值，后者为长跨值，跨中最大起拱值应按大值采用。

就变形量而言：边框井字梁≈正交井字梁>斜交井字梁>单向密肋梁。

4 经济性分析

四种结构方案，在满足承载力极限状态和正常使用极限状态条件下，采用PKPM-STAT-S软件对钢筋及混凝土用量统计如表5所示。

表5 钢筋及混凝土用量表

面积S按轴线尺寸计算，S=33.6×25.2=846.72 m2。就经济性而言：单向密肋梁>正交井字梁>斜交井字梁>边框井字梁。

5 关键节点分析、处理

单向密肋梁、正交井字梁节点构造简单。斜交井字梁建议柱头处设置柱帽以解决斜梁钢筋锚固。

边框井字梁结构，除角柱外其余边柱均为单向拉结，结构计算时调整框架柱平面外计算长度系数，图5中填充板带采用双层双向配筋，配筋率0.25%，加强板带等同于平面外与框架柱相交的一宽扁梁，梁惯性矩I=bh3/12；以本案为例，板宽2 070 mm，板厚250时，等同于300(b) mm×476(h) mm的框架梁；板厚300时，等同于300(b) mm×571(h) mm的框架梁，可认为当B1板厚不小于300 mm时，能形成对框架柱平面外的有效约束。

6 结语

综合比较结构应力、变形、经济性和施工便利等因素，单向密肋梁为本项目最佳方案，为实施方案。

钢网、桁架结构、预应力结构等对于解决此类对空间有较高要求的大跨度结构都有较为成熟的设计理论和大量的成功案例，但由于工艺、技术上的特殊要求，对于工程量相对较小的项目，建设单位更乐于采用传统的钢筋混凝土梁板式结构体系。

笔者认为，对于一个工程项目，在进行结构选型设计时，应以严谨的态度，结合当地实际，从应力应变分析、经济性比较、施工难度等多个方面进行权衡，以便确定最佳结构方案，不可一概而论。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ 3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[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，高级工程师

TU318

A