淺析坡屋面折板結(jié)構(gòu)設(shè)計

成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司西安分公司 710054

摘要：隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、美觀的不斷發(fā)展，坡屋面越來越多的出現(xiàn)在工程實踐中。采用傳統(tǒng)的屋脊布梁的做法不但室內(nèi)空間露梁較多沒有美感，而且施工較麻煩，針對這個問題我們在咸陽麗彩溪悅城、綠地陸港國際、保利曲江等項目中采用折板坡屋面的做法，不但取得了良好室內(nèi)空間效果、簡化了施工，獲得了甲方的高度贊揚，同時也給施工圖繪制帶來了便利。但由于這一類結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜性，傳統(tǒng)的計算不能保證設(shè)計的精確性，本文利用有限元軟件對某一工程案例進(jìn)行研究，進(jìn)行鋼筋混凝土坡屋面的復(fù)合受力分析。

關(guān)鍵詞：坡屋面；折板；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.工程實例

該坡屋面短方向總跨度約8.0m，由兩側(cè)斜屋面和中間平屋面段構(gòu)成，長方向總跨度11.0m。整個屋面受力復(fù)雜，且ly/lx<2，屬于雙向板，傳統(tǒng)計算不能保證其精度，故采用有限元進(jìn)行分析。恒載：5.0kN/m，活載：2.0kN/m。本文中的混凝土采用塑性損傷模型，受壓本構(gòu)關(guān)系為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2010）中模型；鋼筋采用鋼材材料模型，該材料模型被定義為彈塑性模型，本構(gòu)關(guān)系簡化為五段式二次塑流模型。

2.坡屋面受力分析

該坡屋面的混凝土采用C30，鋼筋采用HRB400，板厚h=140mm，鋼筋配置為8@180，雙層雙向）。

由圖1（a）～（c）可知，混凝土S11方向最大最小應(yīng)力值分別為2.031MPa、-4.860MPa，S22方向最大最小應(yīng)力值分別為1.513MPa、-3.871MPa，S33方向最大最小應(yīng)力值分別為1.738MPa、-8.569MPa。因為混凝土最大拉應(yīng)力ftmax=2.031MPa>1.43MPa，故部分混凝土已進(jìn)入開裂狀態(tài)，混凝土最大壓應(yīng)力fcmax=8.569MPa<14.3MPa，故板厚取值合理。圖1（d）為混凝土受力后裂縫的發(fā)展方向和大小示意圖。

坡屋面最小配筋率Asmin=max（0.2%，0.45ft/fy）*bh=280mm2，實配鋼筋面積為279mm2<280mm2。由圖2可知，鋼筋網(wǎng)最大Mises應(yīng)力fymax=103.7MPa<360MPa，故鋼筋網(wǎng)尚處于彈性受力階段，因此鋼筋配量充足且具有較大的安全儲備系數(shù)。

由圖3可知，跨中最大撓度f=5.34mm

3.平屋面受力分析

為了對比分析斜屋面板與平屋面板的受力性能，本文對一相同材料、跨度、厚度及配筋的平屋面板也進(jìn)行了受力分析，由于平板受力后塑性變形過大，故計算荷載取為坡屋面荷載的3/5。

由圖4（a）～（c）可知，混凝土S11方向最大最小應(yīng)力值分別為1.998MPa、-15.03MPa，S22方向最大最小應(yīng)力值分別為2.017MPa、-5.625MPa，S33方向最大最小應(yīng)力值分別為1.679MPa、-20.15MPa。因為混凝土最大拉應(yīng)力ftmax=2.017MPa>1.43MPa，故部分混凝土已進(jìn)入開裂狀態(tài)，混凝土最大壓應(yīng)力fcmax=20.15MPa>14.3MPa，故此時部分混凝土已壓碎。圖4（d）為混凝土受力后裂縫的發(fā)展方向和大小示意圖。

由圖5（a）可知，最大Mises應(yīng)力fymax=353.4MPa，但考慮到網(wǎng)格大小等因素對計算精度的影響，鋼筋實際最大應(yīng)力已大于360MPa，這與圖5（b）的最大主塑性應(yīng)變云圖相符。

另依據(jù)計算知，跨中最大撓度f=16.78mm。

4.斜屋面與平屋面的對比

由表1可知，當(dāng)平屋面受力荷載僅為斜屋面受力荷載的3/5時，斜屋面的混凝土最大拉應(yīng)力略大于平屋面混凝土最大拉應(yīng)力，而對于混凝土最大壓應(yīng)力、鋼筋網(wǎng)最大Mises應(yīng)力以及跨中撓度值，斜屋面要遠(yuǎn)小于平屋面。

5.結(jié)論

1）檐口邊梁與屋板交接處可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，實際工程可根據(jù)具體情況考慮是否增加構(gòu)造配筋；

2）斜屋面折板交界處，受拉應(yīng)力較大；

3）斜屋面具有一定的曲拱效應(yīng)，相互交接的區(qū)域可視為彈性支座，相互提供有利支撐，故受力較為合理；

4）斜屋面整體受力較平屋面合理。

6.展望

1）實際工程應(yīng)用中應(yīng)考慮地震力的不利影響；

2）坡屋面不設(shè)梁或少設(shè)梁不僅可以增加室內(nèi)空間美感，同時可以給施工帶來便利減少綜合造價，在工程實踐中課廣泛應(yīng)用折板方案；

3）可對不同傾斜角度的屋面進(jìn)行拱效應(yīng)的定量分析，為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

7.結(jié)語

總而言之，坡屋面結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)選用合理的結(jié)構(gòu)方案，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)建立合理的結(jié)構(gòu)模型。坡屋面結(jié)構(gòu)形式給建筑師對樓頂層利用的設(shè)計構(gòu)思開辟了新天地，并影響著人們的生活習(xí)慣。它帶來的經(jīng)濟(jì)、社會效益會逐漸顯露，但需要建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)人員密切配合，需要人們認(rèn)識和宣傳，甚至需要房地產(chǎn)管理政策等多方面的支持。設(shè)計者可參考規(guī)范，對知識綜合運用。