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摘 要：大跨度钢筋混凝土框架结构中楼盖结构形式选取的不同直接影响着建筑的科学性、经济性以及合理性，本文通过对比各种不同楼盖结构形式对大跨度钢筋混凝土框架结构的力学性能及造价的影响，从而优选楼盖结构形式，更进一步为结构设计人员提供一个相关内容的参考。
关键词：大跨度框架结构主次梁楼盖井字梁楼盖密肋楼盖
前言
设计一个安全、合理、科学、经济的建筑需要从多个工种、多个环节和多个阶段入手。从结构上来说，合理选取结构形式、结构体系和进行结构布置，是一个战略问题，比起施工图设计阶段，对工程的合理性及经济性影响更大，特别是在大跨度混凝土框架结构中体现得更加明显。工程上经常遇到相对独立的大跨度空间建筑，例如多功能厅、演艺厅、大型餐厅等等，经常能突显出结构布置对整个建筑的造价影响。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）规定，跨度大于等于18m的混凝土框架为大跨度混凝土框架结构。根据大跨度框架结构中梁的受力性能分析可知，大跨度梁的尺寸不是常见的由强度控制而是由刚度控制，往往是为了满足挠度及裂缝要求而加大截面尺寸及配筋，所以，如何合理进行结构布置使楼盖受力均匀合理、荷载传递直接简洁成为一个值得我们研究的问题。
1、各种楼盖结构形式的比较研究分析
常见的楼盖结构形式一般有：主次梁楼盖、井字梁楼盖、密肋楼盖、宽扁梁楼盖、无梁楼盖、空心楼板楼盖等等。其中无梁楼盖由于取消了肋梁，使无梁楼盖结构体系的抗弯刚度减小、挠度增大，柱子周边的剪应力高度集中，可能会引起局部板的冲切破坏[1]。特别是当建筑跨度较大，无梁楼盖需要加大板厚及配筋量来满足刚度与强度的要求，而板厚加大，自重也大，造成不合理。而空心楼板楼盖虽然利用楼板镂空来减轻楼板自重，但单靠板自身的刚度与强度是很难满足大跨度的要求，所以在大跨度建筑中，无梁楼盖与空心楼板楼盖需要利用预应力钢筋协同工作。另外，宽扁梁楼盖是从无梁楼盖基础上发展起来的，是介于肋梁楼盖与无梁楼盖之间的一种新型楼盖体系。宽扁梁比一般的肋梁更能增加楼层净高，但是由于其传力机理复杂且梁高受到限制而往往无法满足挠度裂缝等刚度要求，而且一般采用肋梁楼盖比采用宽扁梁楼盖的钢筋用量节省26%左右，混凝土用量节省8%左右[2]，所以宽扁梁应用较少。以下分别具体分析主次梁楼盖、井字梁楼盖与密肋楼盖形式对力学性能及造价的影响。具体见表1。
1.1 主次梁楼盖
双向板式
单向板式
图1 主次梁楼盖
主次梁楼盖是最常见的楼盖形式之一，其特点是传力途径清晰，都是楼板—次梁—主梁—柱—基础，但是传力环节多，路径长，全部荷载最终由主梁传递到柱子上，造成主框架梁承受很大的荷载，且主梁跨度大，主梁挠度及配筋很难满足，而次梁跨度及受荷面积小，则受力小，挠度及配筋都很小。这种现象造成了主次梁的受力不均匀，主梁与柱子节点位置应力集中，主次梁尺寸差异大，影响美观，且不利于管道空调等的穿越。一般的主次梁楼盖还分为双向板式和单向板式，如图1所示。根据不同的建筑格局采用不同的主次梁形式，使主次梁受力均匀，才是较合理的形式。
1.2 井字梁楼盖
井字梁樓盖是从双向板演变而来的一种结构形式。双向板是受弯构件，当其跨度增加时，相应板厚也随之加大，导致自重增大，显然是不经济的。由于一般不考虑混凝土的受拉作用，所以为了减轻板的自重，把板的下部受拉区混凝土挖掉一部分，让受拉钢筋适当集中在几条线上，这样双向板就变为在两个方向形成井字式的区格梁，为了使整个楼盖体系受力均匀，两个方向的梁通常要求等高等跨，不分主次，互相协同工作，整个楼盖形成四边支承的受弯构件。由于受力均匀，又减少了板厚，降低自重，所以这种结构形式具有受力合理、截面小、节约钢材等优点，在一些有大开间要求的建筑中得到了广泛的应用。
井字梁楼盖根据井字梁交叉形式一般可分为：正交井字梁、斜交井字梁。按照梁与柱子关系可分为：避柱井字梁、入柱井字梁。如图2所示。
正交井字梁包括正交正放与正交斜放，其中正交正放宜用于长边与短边之比不大于1.5的平面。当楼盖平面长边与短边之比大于1.5时，宜采用斜交井字梁布置。该布置的结构平面中部双向梁均为等跨度，梁最大跨度与平面长度无关。
当楼盖的平面为三角形或多边形时，可沿着平面各边布置井字梁，这种布置方式能使整个楼盖刚度均匀，受力合理。当条件允许的情况下，可以采用有外伸悬挑的井字梁，这种布置方式可减少井字粱的跨中弯矩和挠度。
布置井字梁的时候经常遇到一个问题，就是梁是否与柱子直接相连。当井字梁避开柱位而直接搭接在边梁上，可减少梁柱节点受荷载作用，避免梁柱节点形成薄弱位置。然而荷载传递至边梁使边梁扭矩增大，需要增加边梁梁宽来满足承载力要求，且靠近柱位的楼板也需要进行构造加强处理。当井字梁无法避开柱位时，不宜采用等高井字梁布置，而应该把与柱子相连的井字梁设计成大井字梁，而其它的井字梁套嵌其中，形成大井字梁套小井字梁的结构形式，楼面荷载经小井字梁传递给大井字梁，再由大井字梁传递给柱子。这种方案即减少了对边梁的抗扭刚度要求，又减轻了楼盖的整体自重，布置往往更加合理。
1.3 密肋楼盖
单向密肋
双向密肋
图3 密肋楼盖
密肋楼盖是由薄板和间距较小的肋梁组成，分为单向密肋楼盖和双向密肋楼盖两种。如图3所示。密肋楼盖一般要求肋距≤1.5m，梁肋宽高都很小，减轻自重的同时比较接近压型钢板的受力方式，与楼板协同受力，性能良好。密肋楼盖一般用于跨度大而且梁高受限制情况，当建筑的柱网尺寸为正方形或接近方形时，常采用双向密肋楼盖形式，与一般楼板体系相比，可节约钢材和混凝土30%~40%，增加楼层净空的同时也降低了楼板的造价约1/3左右[5]。
2、结论
经过各种方案对比，可以得到以下的结论：
1）从结构受力上看，由于大跨度楼盖荷载很大，如何传递荷载使其均匀分布是一个关键的问题。建模计算对比过程中可以发现楼盖体系传力途径越简洁直接，受力越合理。主次梁楼盖荷载传递途径复杂，所有荷载最终全部由跨度最大的主梁承担，往往造成应力集中。而密肋楼盖特别是双向密肋楼盖最近似地模拟了双向板的受力机理，使整体刚度均匀，受力合理。建筑平面长宽较接近的时候适合采用双向楼盖，例如双向板式主次梁楼盖、正交井字梁楼盖和双向密肋楼盖。当建筑平面长宽差异较大时，应采用单向楼盖，例如单向主次梁楼盖、斜交井字梁楼盖和单向密肋楼盖。
2）从工程造价上看，密肋楼盖比井字梁楼盖混凝土用量更多，然而钢筋用量少，综合造价更省。而井字梁楼盖一般比主次梁楼盖受力更加合理，造价更省。一般从混凝土与钢筋综合造价方面，由高到低为主次梁楼盖、井字梁楼盖及密肋楼盖。针对该模型，其中双向密肋楼盖比单向密肋楼盖要省10%左右。井字梁楼盖中，正交入柱最省，斜交次之，正交避柱最高，造价最大差别达到30%以上。主次梁楼盖中，单向板与双向板对造价影响差异不大。
3）从施工管理上看，主次梁的施工比较完善，而密肋楼盖虽然材料用量方面综合造价最省，但施工难度较大，所以方案选择的时候应该综合考虑。
注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看
关键词：大跨度框架结构主次梁楼盖井字梁楼盖密肋楼盖
前言
设计一个安全、合理、科学、经济的建筑需要从多个工种、多个环节和多个阶段入手。从结构上来说，合理选取结构形式、结构体系和进行结构布置，是一个战略问题，比起施工图设计阶段，对工程的合理性及经济性影响更大，特别是在大跨度混凝土框架结构中体现得更加明显。工程上经常遇到相对独立的大跨度空间建筑，例如多功能厅、演艺厅、大型餐厅等等，经常能突显出结构布置对整个建筑的造价影响。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）规定，跨度大于等于18m的混凝土框架为大跨度混凝土框架结构。根据大跨度框架结构中梁的受力性能分析可知，大跨度梁的尺寸不是常见的由强度控制而是由刚度控制，往往是为了满足挠度及裂缝要求而加大截面尺寸及配筋，所以，如何合理进行结构布置使楼盖受力均匀合理、荷载传递直接简洁成为一个值得我们研究的问题。
1、各种楼盖结构形式的比较研究分析
常见的楼盖结构形式一般有：主次梁楼盖、井字梁楼盖、密肋楼盖、宽扁梁楼盖、无梁楼盖、空心楼板楼盖等等。其中无梁楼盖由于取消了肋梁，使无梁楼盖结构体系的抗弯刚度减小、挠度增大，柱子周边的剪应力高度集中，可能会引起局部板的冲切破坏[1]。特别是当建筑跨度较大，无梁楼盖需要加大板厚及配筋量来满足刚度与强度的要求，而板厚加大，自重也大，造成不合理。而空心楼板楼盖虽然利用楼板镂空来减轻楼板自重，但单靠板自身的刚度与强度是很难满足大跨度的要求，所以在大跨度建筑中，无梁楼盖与空心楼板楼盖需要利用预应力钢筋协同工作。另外，宽扁梁楼盖是从无梁楼盖基础上发展起来的，是介于肋梁楼盖与无梁楼盖之间的一种新型楼盖体系。宽扁梁比一般的肋梁更能增加楼层净高，但是由于其传力机理复杂且梁高受到限制而往往无法满足挠度裂缝等刚度要求，而且一般采用肋梁楼盖比采用宽扁梁楼盖的钢筋用量节省26%左右，混凝土用量节省8%左右[2]，所以宽扁梁应用较少。以下分别具体分析主次梁楼盖、井字梁楼盖与密肋楼盖形式对力学性能及造价的影响。具体见表1。
1.1 主次梁楼盖
双向板式
单向板式
图1 主次梁楼盖
主次梁楼盖是最常见的楼盖形式之一，其特点是传力途径清晰，都是楼板—次梁—主梁—柱—基础，但是传力环节多，路径长，全部荷载最终由主梁传递到柱子上，造成主框架梁承受很大的荷载，且主梁跨度大，主梁挠度及配筋很难满足，而次梁跨度及受荷面积小，则受力小，挠度及配筋都很小。这种现象造成了主次梁的受力不均匀，主梁与柱子节点位置应力集中，主次梁尺寸差异大，影响美观，且不利于管道空调等的穿越。一般的主次梁楼盖还分为双向板式和单向板式，如图1所示。根据不同的建筑格局采用不同的主次梁形式，使主次梁受力均匀，才是较合理的形式。
1.2 井字梁楼盖
井字梁樓盖是从双向板演变而来的一种结构形式。双向板是受弯构件，当其跨度增加时，相应板厚也随之加大，导致自重增大，显然是不经济的。由于一般不考虑混凝土的受拉作用，所以为了减轻板的自重，把板的下部受拉区混凝土挖掉一部分，让受拉钢筋适当集中在几条线上，这样双向板就变为在两个方向形成井字式的区格梁，为了使整个楼盖体系受力均匀，两个方向的梁通常要求等高等跨，不分主次，互相协同工作，整个楼盖形成四边支承的受弯构件。由于受力均匀，又减少了板厚，降低自重，所以这种结构形式具有受力合理、截面小、节约钢材等优点，在一些有大开间要求的建筑中得到了广泛的应用。
井字梁楼盖根据井字梁交叉形式一般可分为：正交井字梁、斜交井字梁。按照梁与柱子关系可分为：避柱井字梁、入柱井字梁。如图2所示。
正交井字梁包括正交正放与正交斜放，其中正交正放宜用于长边与短边之比不大于1.5的平面。当楼盖平面长边与短边之比大于1.5时，宜采用斜交井字梁布置。该布置的结构平面中部双向梁均为等跨度，梁最大跨度与平面长度无关。
当楼盖的平面为三角形或多边形时，可沿着平面各边布置井字梁，这种布置方式能使整个楼盖刚度均匀，受力合理。当条件允许的情况下，可以采用有外伸悬挑的井字梁，这种布置方式可减少井字粱的跨中弯矩和挠度。
布置井字梁的时候经常遇到一个问题，就是梁是否与柱子直接相连。当井字梁避开柱位而直接搭接在边梁上，可减少梁柱节点受荷载作用，避免梁柱节点形成薄弱位置。然而荷载传递至边梁使边梁扭矩增大，需要增加边梁梁宽来满足承载力要求，且靠近柱位的楼板也需要进行构造加强处理。当井字梁无法避开柱位时，不宜采用等高井字梁布置，而应该把与柱子相连的井字梁设计成大井字梁，而其它的井字梁套嵌其中，形成大井字梁套小井字梁的结构形式，楼面荷载经小井字梁传递给大井字梁，再由大井字梁传递给柱子。这种方案即减少了对边梁的抗扭刚度要求，又减轻了楼盖的整体自重，布置往往更加合理。
1.3 密肋楼盖
单向密肋
双向密肋
图3 密肋楼盖
密肋楼盖是由薄板和间距较小的肋梁组成，分为单向密肋楼盖和双向密肋楼盖两种。如图3所示。密肋楼盖一般要求肋距≤1.5m，梁肋宽高都很小，减轻自重的同时比较接近压型钢板的受力方式，与楼板协同受力，性能良好。密肋楼盖一般用于跨度大而且梁高受限制情况，当建筑的柱网尺寸为正方形或接近方形时，常采用双向密肋楼盖形式，与一般楼板体系相比，可节约钢材和混凝土30%~40%，增加楼层净空的同时也降低了楼板的造价约1/3左右[5]。
2、结论
经过各种方案对比，可以得到以下的结论：
1）从结构受力上看，由于大跨度楼盖荷载很大，如何传递荷载使其均匀分布是一个关键的问题。建模计算对比过程中可以发现楼盖体系传力途径越简洁直接，受力越合理。主次梁楼盖荷载传递途径复杂，所有荷载最终全部由跨度最大的主梁承担，往往造成应力集中。而密肋楼盖特别是双向密肋楼盖最近似地模拟了双向板的受力机理，使整体刚度均匀，受力合理。建筑平面长宽较接近的时候适合采用双向楼盖，例如双向板式主次梁楼盖、正交井字梁楼盖和双向密肋楼盖。当建筑平面长宽差异较大时，应采用单向楼盖，例如单向主次梁楼盖、斜交井字梁楼盖和单向密肋楼盖。
2）从工程造价上看，密肋楼盖比井字梁楼盖混凝土用量更多，然而钢筋用量少，综合造价更省。而井字梁楼盖一般比主次梁楼盖受力更加合理，造价更省。一般从混凝土与钢筋综合造价方面，由高到低为主次梁楼盖、井字梁楼盖及密肋楼盖。针对该模型，其中双向密肋楼盖比单向密肋楼盖要省10%左右。井字梁楼盖中，正交入柱最省，斜交次之，正交避柱最高，造价最大差别达到30%以上。主次梁楼盖中，单向板与双向板对造价影响差异不大。
3）从施工管理上看，主次梁的施工比较完善，而密肋楼盖虽然材料用量方面综合造价最省，但施工难度较大，所以方案选择的时候应该综合考虑。
注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看