異形大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)選型

潘召輝，宋延勇，孫娜

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

異形大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)選型

潘召輝，宋延勇，孫娜

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

對(duì)某醫(yī)療建筑中異形大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了探討。首先，闡述了常用的幾種大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)形式在本工程中的適用性;然后，從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)比了鋼筋混凝土井字梁和實(shí)腹鋼梁兩種結(jié)構(gòu)方案，結(jié)果表明,后者更適合本工程。

異形；大跨度屋蓋；鋼筋混凝土井字梁；鋼梁

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.001

1 工程概況

本工程為某醫(yī)療教學(xué)科研綜合樓項(xiàng)目。整個(gè)項(xiàng)目由3個(gè)單體建筑組成，3個(gè)單體建筑通過(guò)架空連廊相連接，其建筑平面如圖1所示。3個(gè)單體建筑均為地下1層，地上5層的多層框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為6度第一組，抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類別（乙類），場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震作用按6度計(jì)算，按7度要求采取抗震措施[1]。由于建筑功能的要求，在左側(cè)單體建筑的頂層設(shè)置了尺寸約為26.7m×21.8m的大會(huì)議室，其具體位置見(jiàn)圖1中的陰影范圍。該范圍內(nèi)的4根柱子在頂層被抽掉，同時(shí)該范圍內(nèi)屋面被整體抬升1.0m，形成了相對(duì)獨(dú)立的屋蓋。本文將就該異形大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行探討。

圖1 某工程建筑平面示意圖

2 結(jié)構(gòu)方案適用性比較

大跨度屋蓋通常采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁、鋼筋混凝土井字梁、鋼網(wǎng)架以及實(shí)腹鋼梁等結(jié)構(gòu)形式。其中，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土及鋼筋混凝土井字梁這兩種形式在混凝土結(jié)構(gòu)中使用時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)材料統(tǒng)一，整體性較好，鋼結(jié)構(gòu)的屋蓋形式在混凝土結(jié)構(gòu)中使用時(shí)整體性較差。從圖1中可以看出，本工程中的大跨度屋蓋整體呈梭形，且此部分屋面抬升1.0m后，屋蓋結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，周邊無(wú)水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件拉結(jié)。同時(shí)，由于建筑使用功能對(duì)樓層凈空高度的要求，在立面高度確定的條件下，屋蓋

結(jié)構(gòu)所占用的高度有所限制。

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠充分利用高強(qiáng)度材料的性能，提高構(gòu)件的抗裂能力，同時(shí),還可以減輕構(gòu)件的截面尺寸及自重，是混凝土結(jié)構(gòu)中大跨度樓、屋蓋理想的一種結(jié)構(gòu)形式。但是，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件的材料質(zhì)量要求高，構(gòu)造、施工復(fù)雜，對(duì)施工技術(shù)水平要求高，這就造成這種結(jié)構(gòu)形式存在施工周期長(zhǎng)，綜合成本高等劣勢(shì)[2]。本工程僅局部幾根梁需要采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁，考慮到工程總承包的工期要求以及成本控制等因素，該結(jié)構(gòu)形式并非優(yōu)選方案。

2.2 鋼筋混凝土井字梁

與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件相比，鋼筋混凝土井字梁的構(gòu)件截面會(huì)有所增大，屋蓋結(jié)構(gòu)的自重也會(huì)相應(yīng)增大，同時(shí)，構(gòu)件的抗裂能力也會(huì)變差。但由于鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)施工工藝與普通混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)異，其施工質(zhì)量容易保障，同時(shí)可以縮短施工周期。因此，鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)體系在本工程中可以采用。

2.3 鋼網(wǎng)架

鋼網(wǎng)架通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格布置，對(duì)異形的屋蓋具有較好的適應(yīng)性。由于鋼網(wǎng)架自身重量較輕，其吊裝施工方便快捷，而且對(duì)下部混凝土結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件和基礎(chǔ)的影響也相對(duì)較小。但是，鋼網(wǎng)架的高跨比一般為1/10～1/18[3]，對(duì)于本工程中26.7m× 21.8m的屋蓋結(jié)構(gòu)，鋼網(wǎng)架自身的高度需要1.3m以上，加上混凝土樓板的厚度，整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)占用的樓層凈高比較大。同時(shí)，鋼網(wǎng)架與混凝土樓板之間的節(jié)點(diǎn)處理較復(fù)雜，樓板開(kāi)洞等也較難處理。所以，鋼網(wǎng)架也非本工程優(yōu)選方案。

2.4 實(shí)腹鋼梁

與混凝土屋蓋結(jié)構(gòu)相比，鋼梁可以減輕屋蓋結(jié)構(gòu)自身的重量。同時(shí)，實(shí)腹鋼梁通過(guò)采用較小的梁間距，可以做到比網(wǎng)架更低的結(jié)構(gòu)高度，有利于建筑樓層凈高的保證。然而，大跨度實(shí)腹鋼梁的截面往往較高，板厚也較厚，經(jīng)濟(jì)性較網(wǎng)架差。下文將此方案與鋼筋混凝土井字梁方案進(jìn)行對(duì)比。

3 方案計(jì)算結(jié)果比較

本工程大跨度屋面為非上人屋面，屋面恒載取為5.0kN/m2（不含樓板自重），活荷載為0.5kN/m2。采用YJK（V1. 7）軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析及截面設(shè)計(jì)，并將鋼筋混凝土井字梁方案和實(shí)腹鋼梁方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)方案

3.1.1 截面設(shè)計(jì)

當(dāng)屋蓋采用鋼筋混凝土井字梁時(shí)，結(jié)構(gòu)的平面布置如圖2所示，井字梁在由大截面梁圍合成的六邊形范圍內(nèi)設(shè)置。井字梁橫向（長(zhǎng)向）、縱向（短向）梁間距均控制在2.0～2.3m范圍內(nèi)，圖2中JZL-1和JZL-2截面分別為300mm×1350mm和350mm×1350mm，周圍大截面梁截面為500mm×1500mm，柱截面為600mm×700mm，板厚100mm。梁、板采用C30混凝土，屋面層柱采用C35混凝土，鋼筋采用HRB400。經(jīng)計(jì)算，橫向梁的跨中最大配筋率約為0.8%，兩側(cè)較短跨配筋率有所降低；縱向梁的跨中最大配筋率約為1.2%，兩側(cè)較短跨也有所降低。

圖2 鋼筋混凝土井字梁屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖

3.1.2 裂縫、撓度驗(yàn)算

將井字梁橫、縱向梁的跨中配筋率均調(diào)整到1.5%左右，進(jìn)行梁撓度和裂縫的驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，井字梁的最大裂縫寬度為0.23mm，可以滿足混凝土規(guī)范0.30mm的限值要求[4]。不考慮起拱時(shí)，井字梁的撓度如圖3所示?？梢钥闯觯谖从?jì)及支座梁撓度的條件下，橫、縱向梁最大撓度分別達(dá)到95.8mm和92.3mm，均不能滿足混凝土規(guī)范l0/300的要求，需要通過(guò)起拱來(lái)解決撓度過(guò)大的問(wèn)題。然而，該屋蓋相對(duì)孤立，屋蓋范圍以外無(wú)梁、板等水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件拉結(jié)，加之鋼筋混凝土井字梁的自重較大，屋蓋四周的柱子可能不足以為井字梁的起拱提供足夠的約束，存在梁、柱在使用過(guò)程中開(kāi)裂較大的風(fēng)險(xiǎn)。此外，圓弧處的斜向梁跨度較大，作為井字梁的支座，其自身的撓度

超過(guò)了20mm，對(duì)井字梁的受力較為不利。

圖3 鋼筋混凝土井字梁屋蓋撓度圖

3.2 實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)方案

3.2.1 截面設(shè)計(jì)

當(dāng)屋蓋采用實(shí)腹鋼梁時(shí)，結(jié)構(gòu)的平面布置如圖4所示，鋼梁在由混凝土梁圍成的六邊形范圍內(nèi)設(shè)置。大跨度鋼梁（GL-1）沿屋蓋短向布置，鋼梁中心間距約為2.2m，在其垂直方向布置兩道次梁（GL-2），鋼材均采用Q235B。與鋼梁相連的混凝土梁、柱截面見(jiàn)圖4，屋面板為100mm厚組合樓板，閉口壓型鋼板僅作模板。與鋼筋混凝土井字梁相比，屋蓋結(jié)構(gòu)所占的凈高減少了250mm。計(jì)算時(shí)，鋼梁兩端與混凝土結(jié)構(gòu)鉸接，鋼梁應(yīng)力比控制在0.9以下，鋼梁截面見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算，鋼梁的最大應(yīng)力比為0.89。

圖4 實(shí)腹鋼梁屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖

表1 鋼梁截面表

3.2.2 撓度驗(yàn)算

在恒活荷載作用下，鋼梁的彈性撓度如圖5所示。由圖可見(jiàn)，在未考慮起拱的情況下，鋼梁的最大撓度為51.69mm，可以滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范l0/400的限值要求[5]。相較于鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)，由于鋼梁自重較混凝土構(gòu)件輕，作為鋼梁支座的混凝土邊梁撓度也較小。設(shè)計(jì)中，為了改善外觀和使用條件，對(duì)鋼梁進(jìn)行了適當(dāng)?shù)钠鸸啊?/p>

圖5 實(shí)腹鋼梁撓度圖

4 方案經(jīng)濟(jì)性比較

鋼筋混凝土井字梁和實(shí)腹鋼梁兩種結(jié)構(gòu)方案在結(jié)構(gòu)材料和施工工藝上完全不同，兩者在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上也存在較大差異。表2列出了屋蓋部分結(jié)構(gòu)的工程量以及屋蓋結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量。套用本工程所在地的計(jì)價(jià)定額，鋼筋混凝土井字梁方案的屋蓋部分工程造價(jià)約為41萬(wàn)元，實(shí)腹鋼梁方案的工程造價(jià)約為64萬(wàn)元，后者約為前者1.5倍。然而，從總重量來(lái)看，鋼筋混凝土井字梁方案的屋蓋總重遠(yuǎn)超實(shí)腹鋼梁方案。屋蓋重量的增大帶來(lái)了地震作用增大以及基礎(chǔ)受力的增加，從而間接增加了工程的造價(jià)。在施工方面，鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程省去了大部分的模板工程和鋼筋綁扎的工作量，施工速度要優(yōu)于鋼筋混凝土井字梁方案。所以，兩種方案的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差不多。

StructuralForm Selection forSpecial-shaped LargeSpanRoof

PANZhao-hui,SONGYan-yong,SUNNa

(China IPPR InternationalEngineeringCorporation,Beijing 100089，China)

Thestructuralform of thespecial-shaped largespan roofinamedicalbuilding isdiscussed in thispaper.Firstly,theapplicability ofseveralcommonlyused structuralformsof largespan roofisdescribed；Then,theschemeof reinforced concretewell-shapedbeam and the schemeofsteelbeam arecompared from twoaspectsofsafetyandeconomy,theresultshowsthattheschemeofsteelbeam ismoresuitable for thisproject.

special-shaped;largespan roof;reinforced concretewell-shapedbeam;steelbeam

TU208.5;TU231

B

1007-9467（2016）07-0023-03

潘召輝（1988～），男，河北邢臺(tái)人，助理工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）p_zhaohui@126.com。