某大跨混凝土结构方案探讨

学校建筑由于功能的需要，可能会在局部区域设置各类球馆、游泳池等运动健身功能区，以及宴会厅、报告厅、多功能厅等会议宴会功能区，这些功能区内部一般不允许有竖向结构构件的存在，因此不可避免会出现大跨度楼屋盖。如果是大跨度不上人屋盖，可以采用轻型钢结构屋盖，比如网架结构或网壳结构等形式。但如果是中间层楼盖，以及有覆土绿化或者其他功能的上人屋盖，则不宜采用轻钢结构屋盖。大跨度楼屋盖说实话不是混凝土结构的强项，主要是结构自重在荷载总量中的占比较高，意味着更多的材料用量用于克服结构本身的自重，结构的经济性必然不佳。为改善大跨结构的变形及裂缝问题，往往采用预应力混凝土结构，但楼屋盖结构仍然偏于厚重，且若跨度。因此如果可能，当这些大空间功能区必须存在时，最好放在建筑物的顶层，并将其屋盖设计为不上人的轻型屋盖，并采用钢结构方案加以解决。

大跨度楼屋盖说实话不是混凝土结构的强项，主要是结构自重在荷载总量中的占比较高，意味着更多的材料用量用于克服结构本身的自重，结构的经济性必然不佳。为改善大跨结构的变形及裂缝问题，往往采用预应力混凝土结构，但楼屋盖结构仍然偏于厚重，且若跨度。因此如果可能，当这些大空间功能区必须存在时，最好放在建筑物的顶层，并将其屋盖设计为不上人的轻型屋盖，并采用钢结构方案加以解决。

本次几个项目均涉及到大跨度报告厅，说大跨度其实也不算太大，基本都在20m左右，且因为楼面荷载较大，且为多层非屋面，因此确实不便于做钢结构。

大跨度楼屋盖的优化最关键是结构布置的优化，而决定结构布置形式的关键参数是大跨区域的长宽比例。这里，我们通过不同长宽比的楼板平面最大主应力迹线来判断结构的最佳布置。以上列出了不同长宽比平面楼板的应力迹线，正方形平面时为典型的双向板受力模式，长宽比接近2时中间区域实际上是接近单向板受力模式。可以看出随着长宽比的增大，单向受力的区域是随之增大的。

当大跨区域的长宽比例接近1时，两方向框架梁通常取相同截面尺寸，因而优先采用交叉梁系，也即井字梁体系。这样完成后的观感也较好，特别是像球馆或是食堂等无吊顶需求的情况。大跨交叉梁体系又有正交正放、正交斜放及斜交斜放三种形式（后两种是空间网架钢结构的常用类型）。在相同条件下(荷载、截面尺寸与网格尺寸)，斜放式在材料经济性、受力均匀性与控制挠度方面均好于正交正放式。

结构方案比选

利用sap2000的虚功图来比较不同长宽比平面及不同结构布置下各个构件的虚功相对值，虚功其实是可以表征构件应变能大小。总体来说，方案对应的所有构件虚功值总和越小，说明该方案的应变能越小，刚度越大，材料也最省。

通过对L/B=1.0平面的两种结构平面布置方案分析可知，正交正放梁格两个方向的主受力梁梁端受力最大，跨中及其他次梁受力还算比较均匀；而正交斜放梁格内圈主梁受力较大，其余梁受力均匀。特别的，我们发现对于正交斜放梁格方案而言，内圈主梁实际上已作为新的虚边界条件了，可以理解为一种移动铰支座，圈内以此为边界形成了新的板跨，核心是结构计算跨度变小了。故此，正交斜放方案在经济性、受力均匀性、挠度控制方面均优于正交正放方案。对于施工而言，正交斜放45°角，似乎也没有太大难度，因此该方案应该是完胜，特别适用于L/B=1.0且跨度适中的平面。

我们罗列了L/B=1.5及2.0的其他情况，通过对虚功、弯矩、剪力、楼面刚度等分析可知，随着长宽比的加大，中间区域的单向受力属性慢慢向外延伸，这也就意味着正交斜放45°角布置需要调整以适应长宽比的变化，即长宽比越大斜梁的角度越来越小。但不知道斜放其他角度是否会存在施工较为麻烦？

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