住宅工程钢筋混凝土坡屋顶结构设计

住宅工程钢筋混凝土坡屋顶结构设计

摘要:对钢筋混凝土坡屋顶结构中有关构件的设计作简单探讨,建立该结构的计算模型,对坡屋面板进行内力分析,并指出设计中值得注意的一些问题。

关键词:坡屋顶;内力分析;设计

随着生活水平的提高,人们对居住、办公建筑的要求也越来越高,除必须满足建筑物内部使用功能的要求外,建筑物外形也日趋多样化和复杂化,坡屋顶就是其中的一例。现就住宅工程中坡屋顶结构的设计进行探讨,望能起到抛砖引玉的作用。

1 坡屋顶结构的计算模型

1.1 屋顶檐口处不设水平楼板

住宅工程中的坡屋面,如不考虑加以利用的,则檐口标高处可以不设置水平楼板,在这种情况下,按GB50011-2001《建筑抗震设计规范》的规定,建筑物总高度可算至檐口标高处(即建筑外墙体与屋顶结构斜板交界处的屋顶结构板顶),也可理解为建筑物顶层层高为檐口标高减去建筑顶层楼面标高,至于坡屋顶高于檐口标高的部分,可按屋顶坡度将其梁柱控制节点提起(输入数据相对于檐口标高值一大于零的数),推荐软件为中国建研院的 PKPM工程设计系列软件,以模拟坡屋顶结构的实际情况,此时结构可按建筑楼层层数和标高以相应的框架或框剪等结构体系进行计算。

1.2 屋顶檐口处设水平楼板

有的住宅坡屋顶设计得较高,为了有效利用空间或满足结构抗力需要等原因,在檐口标高处设置水平楼板,使上面的三角形部分形成阁楼。在结构计算中,无论阁楼是否住人,该层均应视作一结构层。参照《建筑抗震设计规范》对砌体房屋高度的规定,对于这种带阁楼的坡层顶层,其层高可由檐口标高算至坡屋顶半高处。如采用 PKPM等可进行空间模拟建模的软件进行设计,则层高值可不受此限

制,因相对于层高位置可按屋顶坡度将其梁柱控制节点提起或降低,模拟坡屋顶结构的实际情况进行计算。

2 坡屋面板的内力分析

2.1 对于较规整的坡屋面,如图 1所示的三坡或四

坡屋面,板的内力与板的坡角关系较大。在条件相同的前提下,当hb≤13.5(坡角约 16°)时,坡屋面板起拱的作用较小,这时按板的全跨 L计算(即按平面板计算)较为稳妥;当 hb≈13(坡角约 18.3°)时,拱的作用已能体现;当 hb ≈12.5(坡角约 21.8°)时,则拱的作用较为明显,坡板转折角的弯矩接近零,这时若像平面板按全跨 L计算则不太合理,按此计算结果配筋则浪费较大;当hb>12.5时更是如此。此时要准确计算,须应用有限元方法和相应的计算软件,且必须对结果加以分析,才能作为结构配筋使用,这一过程相对费时繁琐,一般的设计单位较难做到,有鉴于此我们尝试采用条分法进行近似的简化计算。所谓条分法,即以宽扁梁的形式将分析对象纵横划分成若干等宽板带的交叉梁系,并按原坡屋面板的坡度将各交叉梁的节点提起,模拟屋面板的实际情况,通过计算可参照梁的内力对板作配筋分析。某平面尺寸为 6.6m×7.2m的四坡屋面板,其坡角约为 25.6°,采用条分法计算,运用 PKPM的 PMCAD和 SATWE程序,输出结果(图略)表明,中部“梁”的内力和配筋均较小,基本按构造配筋已能满足要求;边梁所受的内力则较大,考虑到边梁的扭转、变形会减弱对坡屋面板的约束,故实际配置该坡屋面板钢筋时作了适当放大,如今该屋面板已施工完毕并使用一段时间,未出现大跨度板结构中常见的裂缝问题,效果良好。由此可以推算,对于类似图 1a 的由 3～4块三角形或梯形的板互相支承形成的较规整的坡屋面板,当 hb≥12.5时,按条分法进行简化设计,其结果较安全可靠。

2.2 较规整的坡屋面衍生变化的屋面(如图 1b)

对于这种情况,可采用局部加双层板的方法进行处理,图 1b的阴影部分表示双层板,即先保证下层板与其余板形成规整的坡屋面板,计算分析可参照前述的条分法进行;上层板则可理解为下层板上的附属构件,设计时可将下层板的配筋加强及对两层板相交部位作适当补强,即可达到理想的效果。2.3 复杂多变的坡屋面(如图 1c)由于建筑外形和平面的不规则,立面效果追求多变,随之坡屋面也难免做成坡度多变和凹凸不对称的复杂形状。对于类似 1c的形状不对称、多向斜屋面相交的情况,除采用有限元法进行分析外,很难对整板进行精确计算。为简化计算,可加设斜坡屋面梁,将整板分割成若干面积较小的四边支承板,这时大多数板都将采用构造配筋,布置斜梁时,必须结合建筑内部分隔墙的分布及屋脊线的位置综合考虑,力求做到板面简洁、受力明确及施工简便。

3 坡屋顶梁设计中的存在问题

3.1 檐口梁的设计

从前面的分析可知,带阁楼层的坡屋顶结构需分成 2个结构层参与整体计算,但会带来一些矛盾,因坡屋顶结构在檐口处一般都设有框架梁,当屋顶拆分为 2层计算后,就意味着檐口梁变成了 2层梁(屋面梁和阁楼层梁),而实际上它们是一条梁,如不处理就让 2层梁都参与计算,又不太符合檐口梁的受力情况,因该梁既承受阁楼层传来的荷载,又承受坡屋顶传来的荷载,而不是分别承重,再者梁自重也重复计算了。为了解决同一位置上下梁重叠的矛盾,我们尝试采用设置虚梁和小柱来模拟导荷的方法,具体是在计算模型中,处于下层的梁(阁楼层檐口梁)按实际截面尺寸输入,并输入实际檐口梁所承受的荷载;处于上层的梁(屋顶层梁)则输入截面很小(如 bh=200×100)的梁(PKPM中将 h<150的视为虚梁,仅起楼板的边界及传递楼面荷载的作用);上下梁之间设置多个截面很小(如 bh=200×200)的柱子,这样屋面板的荷载传至虚梁上,再通过小柱子以集中荷载的形式传至下面的檐口梁上。小柱子的数量视檐口梁配筋计算的准确性需要而定,一般说来其数量越多则作用于檐口梁的集中荷载越密,就越能模拟梁实际承受连续分布线型荷载的情况,计算结果的准确性就相对越高。需要注意的是,此时输入的该层层高

不得过小(建议至少取 500mm以上),否则会导致这些小柱子的计算长度很小,程序进行抗震计算时会认为该层刚度很大,按地震力按刚度分配的原则,该层将承受比实际大许多倍的地震力,则会造成该层以至下面结构层计算结果的异常。这样处理虽无法完全符合实际情况,但一般情况下梁计算结果的精确度基本能够满足设计要求。

3.2 坡屋顶梁梁端设铰

对于外形不规则、复杂多变或跨度较大的坡屋面板,为安全稳妥起见,根据前面的分析建议,往往需设置坡屋顶斜梁以划分板的尺寸,且为便于施工放线定位,梁多沿脊线布置。此时,容易出现多根梁相接于一个节点进行计算的情况,从计算结果不难发现,由于是按连续梁的中间支座固接进行计算,节点相连处各梁梁端配筋量普遍较大,柱节点处最为明显。实际上,众多的梁钢筋在同一节点中相交或锚固,使节点处施工时混凝土较难振捣密实,必然削弱了该节点作为各连接梁固接点的能力(住宅工程中的异型柱节点中,这类问题尤为突出)。因此,需对部分梁梁端在该节点的负弯矩进行更多调幅,减少锚入支座的钢筋数量,增加梁底钢筋数量;必要时更可将该梁端设为铰接端进行计算,以此确定梁底筋的数量,避免梁端节点约束失效出现塑性铰时,梁仍不致断裂破坏,以保证结构安全。