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任 娟 趙華寧 曹 俊
中冶京誠工程技術有限公司
在鋼筋混凝土結構設計中經常會遇到建筑物或構筑物需要大空間，不允許按常規的間距設置用以支撐梁板的墻或柱，使梁跨度大，高度大，配筋大，建、構筑物凈空不足，或因美觀或使用要求需要梁底平齊，此時井字梁是解決這類問題的好方法。它通過縱橫梁的變形協同工作，形成了類似于空間網架的結構體系，有效地降低了梁高，減小了梁的配筋。在筆者所設計的河南某水處理調節池中，為滿足工藝要求，調節池的頂板采用了井字梁結構體系。
1 工程概述
本工程是屬于河南某市污水處理系統的調節池，并排共兩個，頂板標高為 － 0. 950 m，底板標高為-10. 170 m，調節池平面尺寸為 24 m × 51. 5 m。業主要求池頂上覆土 650 mm 厚做綠化帶，活 載 為3 kN/平米，工程關鍵在于頂板的設計方案選取。
2 結構方案的確定
2. 1 井字梁區格劃分
因 24 m × 51. 5 m 的區格過大，經與水道專業協商，在每個池底加設 4 個圓柱，與其相連的梁設為框架梁，將頂板劃分為 10 個區格，每個區格 10. 3 m ×12 m，使其具備了井字梁設計的良好條件。如圖 1所示。
井字梁樓蓋兩個方向的跨度如果不等，則一般需控制其長短跨度比不能過大。長跨跨度 L1 與短跨跨度 L2 之比 L1 /L2 最好不大于 1. 5，如在 1. 5 ～ 2之間，宜在長向跨度中部設大梁，形成兩個井字梁體系。也可采用斜向布置的井字梁，如圖 2 所示，這種方案相比正向布置井字梁的方案具有受力合理，撓度小且變化均勻的優點［1］。
圖 2 斜向布置的井字梁示意
2. 2 井字梁與周邊柱子的相對關系
每個區格中的井字梁布置時應盡量采用如圖3a 所示，調整井字梁間距以避開柱位［3］，避免在井字梁與柱子相連處井字梁的支座配筋計算結果容易出現的超限情況，減少梁柱節點在荷載作用下，由于兩者剛度相差懸殊而成為受力薄弱點以致首先破壞。如采用圖 3b 布置方式，與柱相連的井字梁支座配筋很大，導致與之相連的柱配筋往往超限。如果因為某些原因不得已而采用此種布置方式，可采取加大井字梁周邊環梁剛度，使支撐在環梁上的井字梁所承擔的荷載越多，相應與框架柱相連的井字梁承擔的荷載就會減少，配筋就會隨之減小。
如果以上措施還無法解決此問題可以采取將井字梁與柱相連處設計成為變斷面的方式來解決，如圖 3c 所示，此種方法基本不會改變梁跨中彎矩，而會明顯降低井字梁端部支座彎矩及柱端彎矩。北京國際金融大廈裙房部分的 5 層大堂屋面就采取了此方法設計［2］。
圖 3 井字梁與柱子的布置方式示意
2. 3 梁格間距的選擇
在布置井字梁時優先采用偶數布置，這樣對于周邊支撐井字梁的大梁受力較為合理。井字梁區格通常取跨度的 1 /12—1 /6，一般取值在 1. 2 ～ 3 m 較為經濟，但不宜超過 4 m，同時還應考慮剛度和經濟指標要求［2］。兩個方向井字梁的間距可以相等，也可以不相等，如果不相等，則要求兩個方向的梁間距之比 a /b = 1. 0 ～ 2. 0 。實際設計中應盡量使 a /b 在1. 0 ～ 1. 5 之間為宜，最好按井字梁計算圖表中的比值來確定。本工程中取井字梁兩個方向的跨度為2 060 mm × 2 000 mm。
2. 4 梁高的確定
主梁跨度根據常規取跨度的 1 /8—1 /12，如為邊梁因 其 受 扭 可 取 大 值，本 工 程 取 為 400 mm ×1 200 mm。井字梁截面高度的取值以剛度控制為主，除考慮樓蓋的短向跨度和計算荷載大小外，還應考慮其周邊支承梁抗扭剛度的影響。兩個方向井字梁的高度 h 應相等，可根據樓蓋荷載的大小，取 h 為短跨跨度的 1 /15—1 /20。本工程取為 600 mm 梁高，250 mm 梁寬。
3 計 算
井字梁有傳統的表格計算方法及 SATWE 電算，兩種計算方法之間的最大差異在于井字梁端部支座的變形協調條件不同。SATWE 軟件考慮其端部支座豎向剛度對井字梁結構的影響，而采用《計算手冊》方法時，無論井字梁與其端部支座是固結還是鉸接，均不考慮其豎向剛度的影響，即認為井字梁端部支座處沒有豎向位移。當井字梁端部為框架梁時，兩者的計算結果往往相差很大，這就是因為SATWE 軟件真實地考慮了框架梁的豎向位移，使結構的內力通過變形協調進行重分配。當井字梁端部為混凝土剪力墻時，因為混凝土剪力墻的豎向剛度很大，豎向位移很小，采用這兩種計算方法所得的結果相差很小。總結下來，SATWE 電算結果相對更為準確，表格法的優點是在沒有電算的條件下可以手算，但無論采取何種方法，都需要多次反復調整梁格的布置、梁高等以達到滿意的設計結果［4］。本工程采用 SATWE 程序電算。
4 施工圖的繪制
根據計算結果進行施工圖的繪制，在井字梁的施工圖中應注意以下問題:
1) 在兩個方向梁交點的格點處，短跨度方向梁的縱向受拉鋼筋應放在長跨度方向梁的縱向受拉鋼筋的外側，這與雙向板的配筋方向相同，此點應在施工圖中注明，以防施工中疏忽。
2) 在兩個方向井字梁交點的格點處不能看成是梁的一般支座，而是梁的彈性支座，梁只有在兩端支承處的兩個支座。因此，兩個方向的梁在布筋時，梁下部的縱向受拉鋼筋不能在格點處斷開，而應直通兩端支座。如鋼筋不夠長時，最好采用焊接，其焊接質量必須符合有關規范要求。如采用搭接，搭接接頭位置位于支座 lni/4 范圍內。
3) 在用平面表示法繪制梁施工圖時，注意應在圖中注明井字梁支座上部鋼筋外伸長度的具體數值，特別是在井字梁與支座固接時，支座負彎距鋼筋較大，此數值若漏標，施工時如按普通主次梁的構造要求截斷支座負筋就有可能影響梁的結構安全。具體外伸數值是根據井字梁彎距包絡圖來確定，從滿足彎距及裂縫計算要的位置再外伸錨固長度后截斷即可。本工程為多跨井字梁，恒載及活載較大，梁上部負彎距及配筋較大，尤其要注意這一點。
4) 井字梁與環梁搭接處有兩種設計形式，其中一種為按鉸接設計，此時需在模型中將井字梁與環梁設為鉸接，另一種為充分利用鋼筋的抗拉強度，此時無需調整支座形式。采用何種設計形式需在設計圖中明確指定，以便根據平法標準圖采用不同的錨固長度。
5 其他注意事項
1) 井字梁采用彈性方法計算，撓度值不宜過大，設計時應控制在 L /300 ～ L /400( L 為短向跨度)以內。當樓蓋跨度較大時，施工時可預先起拱，以減小其撓度。
2) 井字梁和邊梁的節點宜采用鉸接節點，但邊梁的剛度仍要足夠大，并采取相應的構造措施。若采用剛接節點，邊梁需進行抗扭強度和剛度計算。邊梁的截面度大于或等于井字梁的截面高度，并最好大于井字梁高度的 20% ～ 30% 。對于邊梁截面高度的選取，應按單跨梁的規定執行，一般可取 h =L /8 ～ L /12( 跨度) 。
3) 井字梁最大扭矩的位置，一般情況下四角處梁端扭矩較大，其范圍約為跨度的 1 /4 ～ 1 /5。建議在此范圍內適當加強抗扭措施。
4) 井字梁現澆樓板按雙向板計算，不考慮井字梁的變形，即假定雙向板支承在不動支座上。雙向板的最小板厚為 80 mm，且應大于等于板較小邊長的 1 /40。
6 結 語
井字梁結構的設計從柱網布置、井字梁的布置方式及區格劃分、井字梁的高度選取等方面都需要經過多次試算對比，才能得到合理的結果，滿足安全可靠，經濟美觀的要求。
參考文獻
［1］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．
［2］婁宇，劉立虎． 井字梁結構的研究與應用［C］． 中國電子工程設計院建院 50 周年論文選登，2006，32( 2) : 46 － 48．
［3］李磊． 淺談井字梁的計算與與設計［J］． 安徽建筑，2006 ( 5) :108 － 116．
［4］陳岱林，趙兵，劉民易． PKPM 結構 CAD 軟件問題解惑及工程應用實例解析［M］． 2008:106-109
勘察設計大師、規范主編
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