屋頂綠化層荷載對高層框架結構安全性的影響*

徐福衛 陳海玉 秦 麗

1 概述

隨著國內城市化進程的加快,建筑用地與居住環境的矛盾日益突出,建設可持續發展的建筑與城市成為當今最受關注的話題。在這樣的大背景下,人們越來越關注城市生態環境的建設,希望把更多的綠化空間引入建筑空間,緩解建筑與園林綠地的矛盾,增加單位區域中的綠化面積,對屋頂進行綠化是解決這一問題十分有效的方法[1-6]。因此屋頂花園的建設已經成為現代建筑發展的必然趨勢,然而屋頂綠化時產生較大的屋面荷載對建筑物下部結構的影響程度研究深度相對較淺,到底多大的屋面荷載對其下部結構才不產生較大的影響現在還沒有一個確切的結論,很難達到實際應用的效果。本文針對該問題結合一框架房屋結構進行三維有限元計算分析,探討各種屋面荷載對其下部結構安全性的影響程度。

2 屋頂綠化層荷載對其下部結構安全性影響的研究

2.1 計算模型

本建筑物為某一框架—筒體結構[7],總高度為54 m,18層,層高3 m,結構平面如圖1所示。其主要承重構件的截面尺寸及混凝土強度標號如表1所示。在本文中,為了計算方便鋼筋混凝土的密度統一為2 700 kg/m3,彈性模量按混凝土的彈性模量取值,泊松比取0.2,只考慮豎向自重荷載。

表1 模型參數表

2.2 屋頂綠化層荷載的取值

屋頂綠化層荷載一般主要包括地被植物、花灌木和喬木的荷重和種植土及其荷載。本文主要研究各種屋面荷載對其下部結構的影響,因此對屋頂綠化層荷載采用一個系列的取值,其分別為:0.00 kN/m2,1.00 kN/m2,3.00 kN/m2,4.50 kN/m2,6.00 kN/m2,7.50 kN/m2,9.00 kN/m2,12.00 kN/m2,15.00 kN/m2,18.00 kN/m2,21.00 kN/m2,24.00 kN/m2,27.00 kN/m2,30.00 kN/m2,共計 14種荷載取值(其中0.00 kN/m2此種荷載表示計算荷載只有自重荷載,其余計算荷載則包含屋面荷載和自重荷載)。

2.3 屋頂綠化層荷載對其下部結構安全性的影響計算分析

根據上述計算模型數據和屋頂綠化層荷載的取值,利用ANSYS有限元計算軟件建立的三維有限元計算模型如圖2所示。

從圖3可以很清楚的看出,由自重產生的位移占主要部分,屋頂綠化所產生的荷載所造成的位移相對較小,對建筑物結構的豎向位移的影響較小。另從圖3中也可得出隨著屋面荷載的增加豎向位移也是增加的,這也符合實際工程中豎向位移的真實結果,也證明了計算結果是可靠的。

從表2中的幾種屋面荷載對其下部結構內力的影響可以看出,自重荷載產生的內力占主要部分,屋頂綠化層荷載對整個結構的影響不是很大。但屋頂綠化所產生的荷載對其下部結構的影響主要集中在頂層,頂層柱子的軸力的增加較底層最大軸力的增加比例要大很多,當屋面荷載為3.00 kN/m2時,頂層柱子的軸力都超過三成,而最大軸力的增幅卻只有0.88%;同理屋面荷載對彎矩的影響也基本遵循這個規律,頂層彎矩的增加幅度較中間層增加的幅度大很多,因此在建造此類建筑結構時要加強屋頂框架的配筋,若對已建建筑物進行屋頂花園的建設,則要注意頂部結構的加固。軸力對框架柱產生的是壓應力,而彎矩對框架梁和柱產生拉應力,因此最大拉應力也出現在屋頂,當屋面荷載加到7.50 kN/m2時,屋頂的最大拉應力已經達到了 1.60 MPa,而標號為C40的混凝土的抗拉強度為1.65 MPa,因此此荷載可以認為是該建筑物屋面所能承受的最大荷載。當屋面荷載增加到9.00 kN/m2時,屋面的最大拉應力值達到了1.92 MPa,超過了混凝土的抗拉強度,此時屋面會因屋面荷載過大而出現局部破壞。因此可以認為此框架結構的建筑物最大屋面荷載不能超過7.50 kN/m2。

表2 幾種屋面荷載對其下部結構內力的影響一覽表

3 結語

1)建筑結構的豎向位移是隨著高度增加的,其中結構的自重荷載作用產生的豎向位移占主要部分,對屋頂進行綠化時而增加的荷載產生的豎向位移相對較小。

2)自重荷載作用建筑結構時產生的內力占主要部分,屋頂綠化層荷載施加時產生的軸力與整個結構的總軸力相比較小,但產生的彎矩影響卻相對較大,主要集中在建筑物的頂部,彎矩增加的比例相對軸力要大很多。在屋面荷載達到7.50 kN/m2時,屋面上拉應力基本達到了混凝土的抗拉強度。因此我們認為若屋面荷載不超過7.50 kN/m2,對整個建筑結構的安全不會產生大的影響,但對建筑結構的頂部(特別是頂層)影響卻相對較大,應注意對建筑結構的頂部(特別是頂層)增加框架梁柱的配筋或對其進行加固處理,以防建筑物頂部出現局部破壞。若屋面荷載超過7.50 kN/m2,則屋面有可能出現局部破壞,應慎重建設。

[2] 趙衛艷.淺談我國屋頂花園設計的作用、現狀和原則[J].河南農業,2009(4):61-62.

[3] 陳亞龍.城市屋頂綠化改造工程與已有建筑物結構安全性問題及處理意見[J].職大學報,2005(2):9-10.

[4] 張秋梅.淺談屋頂花園的建造[J].貴州林業科技,2002,30(8):41-55.

[5] 吳少鋒.屋頂花園的荷載取值及排水構造[J].廣東水利水電,2002(5):9-13.

[6] 李春祥.綠色屋頂荷重對建筑結構的影響[J].華東船舶工業學院學報,2003(6):17-20.

[7] 郝文化,葉裕明.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005.