井字梁结构的应用与设计技巧分析

摘 要 从井字梁结构的发展、建筑功能需求与应用优势、布置原则、计算与构造等方面对井字梁结构进行了系统的阐述。文章结合项目设计经验及多模型计算分析对比，提出了井字梁结构设计技巧。

关键词 井字梁;结构设计;应用;设计技巧

1井字梁结构的发展

随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对大跨度、大空间建筑功能的需求也日益突出。井字梁结构作为由双向板发展、演化而来的空间受力结构，由于双向板为双向受弯构件，随着跨度的增加，势必会导致板厚度的增大。双向板下部混凝土的受拉能力很低，主要依靠受拉钢筋来提供承载力。随着板厚的增大，导致自重增大，为了减少自重，充分发挥截面抗弯能力，将楼板下部混凝土两向均匀、间隔挖除，仅保留布置受拉钢筋的钢筋混凝土带，这就形成了双向井字梁系[1]。

2井字梁结构的需求与优势

由于井字梁结构具有能满足较大空间需求、各向受力均匀、建筑效果美观、大方简洁等特点，在民用建筑中已经得到了充分的应用与发展。在实际工程项目中，对大跨度建筑功能需求异常突出。对于有大空间需求的办公楼会议室、食堂宴会厅、学校阶梯教室、礼堂、展览厅、车站、大型商场等公共建筑，不允许建筑功能区范围内有竖向构件，或者要求梁底应平齐等原因，导致其楼（屋）盖采用井字梁结构。

由于井字梁结构具有自重轻，传力路径简单、明确，抗扭能力强等优势，所以合格的结构设计可以充分发挥井字梁结构安全、适用、经济、美观的特点。井字梁作为传统的楼（屋）盖形式，具有受力均匀、传力明确、协同工作等力学优势，广泛应用于12～25米跨度的局部或顶部大空间结构中。另外，斜放正交井字梁系由于其梁系的均匀排布给建筑赋予了不一样的韵律美。

3井字梁结构的布置

井字梁结构通过X、Y两向梁系协同工作，类似于空间网格结构的受力形式，变形形式同双向板构件。结构受力形式保证了各个梁受力均匀变化，荷载传递明确、简单，协同受力的优点。

为节省建筑空间，保证经济性，梁截面尺寸不应过大，在满足合适配筋率的前提下，应减少梁截面宽度、高度。井字梁系间距的布置对井字梁结构的经济性影响特别显著，故井字梁结构中梁系间距的确定应根据跨度大小，一般在2.0～3.5米之间。项目设计时，按照经济指标、挠度限制，不断调整间距，优选出最优梁系间距。由于梁系间距控制在3.5m以下，两向梁系具有相互支撑作用，梁的抗扭能力较强，截面宽度可取高度的1/4～1/5之间。为满足抗扭、抗剪要求，边梁截面尺寸比井字梁系大25%左右。根据工程设计经验，井字梁采用偶数根布置时，受力更均匀，更易发挥各个梁的抗力水平。对于两向跨度比不大于1.5的井字梁结构可采用正放正交形式。对于两向跨度比大于1.5的结构，可采用斜放正交井字梁形式，或者在长向中部设置大梁以将井字梁分割为两跨井字梁。

4井字梁结构计算分析与构造要求

初步计算分析时，对于正放正交井字梁，可取截面高跨比在1/15～1/20之间，对于斜放正交井字梁，可取截面高跨比在1/20～1/25之间。根据井字梁配筋率、挠度限值等指标来优选其截面尺寸。井字梁配筋应控制在三排钢筋以内，钢筋较密时可采用并筋形式，配筋率不应大于2.75%。井字梁按照挠度控制时，应扣除施工时的合理起拱值，该值为扣除施工模板构造起拱后的设计起拱值。

由于井字梁支座的定义与模拟对其内力计算影响巨大，井字梁两端应按照铰接或者实际边梁约束能力进行分析计算。边梁设计时应考虑井字梁系对边梁的实际扭矩、剪力作用，适当加大边梁截面尺寸和加强抗扭抗剪钢筋，以提高其抗扭、抗剪能力。

按照双向板楼（屋）盖的基本构造要求，在井字梁施工图设计时，应特别注明两向梁系交叉处，短向梁受拉钢筋应放置于长向梁受拉钢筋的外侧，以保证主要受力方向梁的截面计算高度。负筋的长度与梁的刚度有关，刚度越大，负弯矩越大。不同项目井字梁刚度、跨度差异大，负弯矩钢筋长度难以统一规定，国标图集《16G101-1》中要求设计图纸中注明上部纵筋伸出支座的长度。设计时梁端支座处负筋深出长度应依据其弯矩包络图确定。

梁下部受拉钢筋连接宜避免采用搭接方式，宜采用机械连接或焊接。梁下部钢筋连接位置宜位于支座ln/4范围内。正交正放井字梁相交处不存在支座关系，故不考虑负弯矩作用，支座钢筋应按照不应小于梁跨中下部纵向受力钢筋计算所需截面面积的1/4设置。由于考虑荷载不利布置情况，梁梁相交处会存在剪力的传递，故两向梁均应设置附加箍筋。由于井字梁截面高宽比较大，应在井字梁两侧增设抗扭腰筋。梁柱相交处由于刚度差别较大，应适当加强该区域相关范围楼（屋）盖钢筋的配置。对于跨度较大的井字梁，应按照相关范围内提高框架梁、柱构件的抗震等级，适当按照框架梁构造要求设计井字梁。对于斜放正交井字梁，由于角部长度较短的斜梁刚度相对较大，计算表明，该短斜梁对垂直其方向梁系具有支座作用，形成了支座关系，设计时应按照多跨梁设计并采取构造措施[2]。

5井字梁结构方案优选

井字梁设计时应注重布置方案的优选，不同的方案布置在经济指标上会有较大的差别，进而决定着项目设计的成败。

5.1 是否避开柱位

一种观点认为：若井字梁避开柱位，井字梁层传递水平力的能力较弱，且该层柱顶端约束较弱，抗侧力降低，对抗震不利。另一种观点认为：若不避开柱位，与框架柱相连的井字梁受力较大，产生巨大的刚度差别。避开柱位时保证了井字梁系的协同工作、均匀受力。

笔者认为，若不避开柱位，采用“硬抗”的方式，此时会导致框架柱配筋较大，配筋率超限和截面抗剪超限，柱位处井字梁配筋也容易超限。进而会提高超限处各个构件的截面，此种方式造成了各个井字梁系刚度悬殊大，出现受力集中点，进而相应位置梁柱在地震作用下可能会首先破坏。关键构件的破坏会导致结构在地震作用下被各个击破，会出现连续倒塌的情况。所以布置时为避免梁柱节点应力集中问题，避开框架柱位置，使各个梁系受力均匀，变形协调是比较合适的做法。若由于为保证水平抗侧刚度等原因，井字梁的布置不能避开柱位时，应提高边梁的截面尺寸，以提高非柱位井字梁的支座约束，进而减少柱位处井字梁的受力。

5.2 支座约束按照铰接与刚接

在软件分析计算普及之前，由于采用《井字梁结构静力计算手册》算法，设计人员形成了井字梁支座是没有竖向位移的固结支座。如今，绝大部分项目均采用有限元分析软件进行分析验算，避免陷入之前形成的思维惯性。应按照井字梁两端实际约束情况，考虑真实的刚度约束和位移的影响，通过有限元分析软件模拟实际支座形式进行分析计算。实际操作时可按照约束强弱来选择铰接或者半刚接。在非柱位处的井字梁，由于边梁刚度有限，对该井字梁端部的约束较小，应适当释放井字梁端部弯矩作用。

5.3 正放正交与斜放正交

双向板长宽比在1.5左右时，处于从双向板受力向单向板受力过渡过程，由两向均匀受力向受力不均匀过渡。为了避免发生井字梁系两向受力差别较大，不能充分利用截面抗弯刚度的现象，可以从两个方面来加以处理。第一，在长向中部增加大梁，将井字梁分割为两跨。第二，采用45度斜放正交布置井字梁系，两斜向梁长基本相当，受力均匀。通过计算分析与设计比较，可以得知斜放正交井字梁可以更好地协调两向受力，能更好地控制梁挠度，具有更好的经济性。

6结束语

由于每个项目都具有单一性、不可复制性，在实际工程项目设计中，应根据经验数据不断调整梁间距、截面尺寸等模型布置参数，对比配筋面积、混凝土用量、挠度等指标，选取相对较优的井字梁布置形式，以满足经济效益的需要。

参考文献

[1] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国标准出版社，2010.

[2] 夏炎，魏大平.斜放井字梁特性和工程应用[J].建筑结构，2010，40（4）：66-69.

作者簡介

何浩亮（1990-），男，新疆维吾尔自治区，乌鲁木齐市;助理工程师，现就职单位：新疆天恒基建筑设计院有限公司。