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1、第八届全国现代结构工程学术研讨会 大跨度钢筋混凝土楼屋盖的结构布置优化 梁松亮 ( 广州大学建筑设计研究院东莞设计部，东莞5 2 3 1 0 8 ) 提要：对大跨度混凝土楼屋盖使用几种不同的结构型式进行分析比较，得出其中最安全、经济的结构型式，实现优化设计的目的。 关键词：大跨度，结构稻置，交叉梁系，优化设计 一、引言 钢筋混凝土框架结构的设计中常遇到由于建筑使用要求而需要设置局部较大跨度的楼屋盖。选用钢结构或网 架当然可以轻易克服跨度上的设计困难，却又带来计算模型与计算分析软件基本假定不甚相符的问题，同时钢结 构工种的引入会增加施工管理、合同管理、成本控制等方面的不确定因素，从工程实施全过程
2、考虑，不一定是最 佳选择，难以让业主认同。 能不能从结构布置选型上下工夫，使跨度较大的钢筋混凝土楼屋面既克服跨度上的困难，又避免因引入钢结 构而带来新的问题? 本文利用一工程实例总结了相关经验，希望能为类似问题提供一些参考。 二、工程的基本情况 本工程是一所中学的图书馆，框架结构，地上三层，屋面标高为1 5 0 米，建筑抗震设防分类为丙类。抗震 设防烈度为6 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0 0 5 9 。框架抗震等级四级，场地土类别为 I I 类。基础采用预应力高强混凝土管桩( P H C ) ，基础等级为丙级，结构设计使用年限为5 0 年，上人屋面恒荷载 6 0 k N
3、m 2 ，活荷载2 0l c N m 2 ，基本风压取O 5 5k N m 2 ，基本雪压为0 。 由于建筑功能上要求顶层设置一个3 0 m x1 6 m 的学术报告厅，故在顶层抽去一排柱，形成一个局部跨度较大 的屋面，其柱距为6 m ，跨度为1 6 m 。 三、结构形式的选择 用混凝土结构实现此类大跨度楼屋盖，结构选型显得尤其重要。合理的结构形式能做到合理、安全、经济、 美观。针对这个3 0 m X1 6 m 的屋盖，本文用工程设计上较常用的P K P M 软件对几种结构形式进行计算分析，对 结果做了对比，以求找出较理想的形式。 1 、主次梁结构布置 主次梁结构传力清晰、施工简便。缺点是由于
4、跨度较大，造成构件截面大、含钢量高、支承条件苛刻。 ( 1 ) 一般的主次梁布置 遵循一般的设计思路，主次梁结构的布置形式是在框架柱位置设置跨度1 6 m 的框架主梁，主梁间距同柱距 ( 6 m ) 。与主梁正交方向设置2 m 间距的次粱，次梁跨度同主梁间距( 6 m ) 。经反复试算调整，发现主梁和框架 柱的弯矩都很大，效果不理想。分析其原因，一是因为主梁受荷面积太大；二是荷载传递方向过于集中次梁 把屋面荷载传给主梁，主梁再把全部荷载传给框架柱，框架柱Y 方向承受了几乎全部的屋面荷载所产生的弯矩， 而X 方向弯矩很小。主次梁结构形式的结构布箕图见图1 。虽然计算结果可以通过，挠度裂缝亦符合规
5、范要求。 但梁柱的配筋量很大，结构安全度低。 ( 2 ) 改进的主次梁布置 工业建筑2 0 0 8 增刊 1 6 0 1 第八届全国现代结构工程学术研讨会 如粜不放弃主次粱的结构形式，可以考虑从减小框架槊受荷面积、分散荷载传递方向两个角度入手，尝试两 框架集之问再增设一道太粱米承受荷载。这时需要解决这道增设的大粟两端的支承问题。要增加框架柱来支承大 粱从建筑钓使用角度看不太可行。可以尝试把边框架粱敬大柬支承，这样就能达到减少框架主粱的受荷面积的目 的，并且把挪分荷载通过边框架粱传递给框架柱的X 方向。经试算调整，计算结果显示橥柱的弯矩、配筋被有 效地降低。这种改进的主次粱结构形式的结构布置图见
6、圈2 。 2 、交叉粱系结构布置 交叉粱系结构增加了粱的超静定次数，使楼厦盖的刚度均匀，能让荷载分散地向四周传递应用在大跨度楼 屋盖中常有良好效果。 交叉粱采结构可细丹为正交正故粱系、正空斜放桨系和斜交斜放槊系等三种基奉型式。采用何种型式要根据 柱同布置来决定，原则是使两个方向的粱的线H 悝基本相l q ，两个方向的粱均匀地承受荷载。由于交叉鬟系一般 都做成相同的截面，即刚度F ，相同，根据线刚度公式 i E l n 要使两个方向的粱刚度近似，应使其跨度接近。应该避免因线刚度的差别而导致其中一个方向的粱承受了丈部 分的荷载一而另一方向的粱未充分发挥作用的情况。 一般来说，正交正放集系适用于两向
7、尺寸基奉相同、近似方形的情况。这种情况能让正交正放的粱两向跨度 接近。而斜放粱系( 包括正交斜放和斜交斜放) 则较灵活，适用于方形和矩形的情况。 针对车I 程的柱网布置取用斜交斜放粱系比较台适，粱的布置比较整齐美观两向梁的线剐度比较均匀。 由于集跨度较大，仍然要考虑减小斜变斜放粱的受荷面积。参照主次粱结构布置的经验，把边粱做大作为支承 端，计算结果显示粱的弯矩分布均匀，对支承条件( 柱及边粱) 要求亦不亭过于苛刻。斜交斜放梁系的结构布置 圈见图3 。 j 1 、+ 、 _ ；-_ III 冒1 主发粱布置 - ， ， ( ， ， - - 一。j 。一 n 谚 0 第八届全国现代结构I 程学术研
8、讨台 口 II_ - 一 I_ - I I 囤2 改进的主攻粱布置 lI - I-_I 图3 斜交斜放粱系 四、几种结构型式的对比 从P K P M 的“算结果来看，斜变斜放粱系布置( 图3 ) 的粱柱弯矩最小，钢筋用量展少，支承条件要求最低， 图2 的型式效果砍之，图1 的型式翦果最差。主要原园是斜变斜放梁系的布置型式使整个楼屋盖刚度均匀能让 荷载分散地向周边的支承条件传递。同时。交叉粱系增加了粱的超静定次数使结构安全度增加。 以上几种结构型式在3 轴的主粱桨端、主粱跨中、柱顶弯矩如表1 所示。 第八届全国现代结构工程学术研讨会 表13 轴梁柱弯矩及轴力 粱端粱跨中 序譬 结构型式柞顶弯矩x
9、柱顶弯矩Y柱轴力 弯矩弯矩 1主次粱布置一1 2 0 81 5 3 78 9 2 20 75 6 0 2 改进的主次粱布置 一9 3 01 0 2 48 1 251 4- 6 4 6 5 3 斜交斜放梁系 一2 6 96 6 2- 7 7 6 30 46 6 8 4 可以看出，结构型式从l 到3 号，梁端弯矩和梁跨中弯矩明显降低。尤其是3 号型式，梁端弯矩比2 号型式 减小了7 1 7 ，比l 号型式减小了7 7 7 ；跨中弯矩比2 号型式减小了3 5 4 ，比l 号型式减小了5 5 9 。这就 使梁的钢筋用量显著减少。x 向柱顶弯矩亦依次降低，这说明了屋盖刚度依次增加。 五、结论 1 、通过比较以上几种结构型式，可以看出交叉梁系应用在大跨度的混凝土楼屋盖中显示出良好的技术经济 效果。 2 、合理的结构型式可以提高结构可靠度，降低工程造价。 3 、在可能的情况下应避免新工种( 如钢结构) 的引入，减小工程管理的复杂性。 参考文献 ( 1 ) G 1 3 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 混凝土结构设计规范 s ( 2 ) G B5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 S ( 3 ) 谭彦雄，张元坤两种楼盖结构布置的技术经济分析比较 J 广东土木与建筑，2 0 0 7 ( 9 ) 1 6 0 4 工业建筑2 0 0 8 增刊
