對于坡屋面PKPM建模的探討與分析

徐馬俊

【摘要】在結構設計中，坡屋面建模一直是大家關注的問題，也是PKPM建模中的一大難點。能否使軟件建立的坡屋面模型更接近建筑實物，計算更加具體真實，也是大家最關心的問題。PKPM建模中，我們有時將坡屋面簡化為平屋面進行分析，如果坡屋面處設有一層水平板時，以坡屋面的平均高度作為層高建立一個標準層 ，當坡屋面沒有水平板時候，按下層樓面至屋面的平均高度作為層高建立標準層 ，這種方法雖然簡捷，但它不能反映結構的真實狀態，所以我們常常把計算結果放大，放大到太保守的程度，很不經濟。本人認為在PKPM建模允許的情況下，應盡量使模型接近實物才能使軟件更準確的接近實際計算。

【關鍵詞】結構設計;坡屋面;PKPM建模

隨著我國城市建設的快速發展和人們生活需求的提高，坡屋面結構體系以其外形美觀、立面造型豐富、抗滲漏、不易積水等優點，受到越來越多人的青睞。它不僅廣泛應用于別墅、寫字樓等民用建筑，廠房等工業建筑，許多高層住宅建筑樓頂也從原來的平屋頂變成了一頂漂亮的帽子。把它戴在樓頂可以算是一道美麗的風景，安全地站在城市的每一個角落。

1、坡屋面結構設計方案

坡屋面一般有兩種結構布置方式：

一種是頂部直接做成斜板 ，當然這層斜板也同時起到屋面板的作用，斜板下可以做梁;也可以不做梁，直接做整體板殼結構。

另一種是做兩層板，一層水平板，一層則按屋面造型來做，即存在俗稱的“悶層”。

這兩種方式都可以在結構跨度比較大的時候設置水平梁來抵消斜屋面產生的水平推力，然后采用梁托小柱的方法支撐傾斜部分。

2、建筑結構布置分析

下面比較一下這兩種結構布置形式：

第一種不做“悶層”時，屋頂層對于空間的利用有較大的好處，實際上就是直接的提高了屋頂層的層高，特別是建設單位有特殊要求時可以采用，這種形式還可分為有折梁屋面和無折梁屋面。其中若建成有折梁屋面，則應注意屋面折梁的梁高取值，梁高應取其有效高度，折梁高度按計算跨度確定;若建成無折梁屋面，則考慮屋面為一彈性板，這時在PKPM的SATWE計算時應將整個屋面定義為彈性板6，并在參數設置時勾選“樓板按有限元方式設計（僅對彈性板3或6有效）”，這時程序自動按照有限元板殼進行分割計算，應注意的是無折梁屋面的板厚在考慮計算跨度的情況下應取厚一點。在荷載取值方面，板恒載應按照平屋面取值，板活載應考慮坡屋面的坡度后將荷載換算后布置。

第二種做“悶層”時，屋頂層就有兩塊板形成，水平板一層應和平屋面一樣建成梁板柱的框架結構，屋面造型一層既可以做有折梁也可以做無折梁，需設計人員按照實際情況確定，屋面造型一層的兩種做法與第一種形式類似。

PKPM中對于建斜梁斜板通常用“上節點高”命令來實現，本人具體的操作是：首先，坡屋面要降節點高來建才不會出問題，如果用PKPM升節點高建模，則有可能會出現整樓模型顯示時構件連接錯誤。即最高點為0，其余點都為負數，最低點為坡屋面負高，活荷載需要經過換算后加載在坡屋面上。上節點高方法先用軸線畫出坡屋面的投影線，布上100*100的虛梁，確定一個坡屋面最高點，用上節點高輸入坡屋面最高高度，在最高的虛梁上所有點都是最高點，再用“上節點高”中的“先指定三個點確定一個平面（三點確定一個平面即三點共面），然后選擇要將上節點高調整到該平面上的節點”命令選擇一個面三個點（這三個點中必定要有最高點和最低點），再把這個投影平面上的所有的節點都點一下上升到其相應的高度形成一個坡平面，將所有的坡平面連為一體后即形成了坡屋面。

對于坡屋面這種斜坡結構，其上層斜板與下層樓板平面常相交，造成端部重合，上層斜板與下層樓板在相接部位共用一根梁。PKPM結構模型輸入過程中，一般應分層建模。雖然上層斜板與下層樓板在相接部位共用一根梁，但該梁在每一層的同一位置都要輸入，該梁也稱為封口梁。因為沒有封口梁則該處不能形成房間，不能生成樓板，也不能輸入和導算該房間上的恒活荷載。對于封口梁模型，轉為計算模型后，空間上位置重合的兩條網格線會被歸并成為一條，兩根封口梁也隨之被歸并為一根梁，程序處理的一般原則是保留下層梁的屬性，從上層模型中刪除封口梁信息，并將上層封口梁的荷載疊加至下層梁上。

另外在坡屋面計算的整體指標中剛度比和位移比常常會超限，在做無折梁屋面時，定義為彈性板6后，不需要考慮剛度比超限，在薄弱層定義中應定義超限的樓層為薄弱層，薄弱層放大系數高層取1.25，多層取1.15。由于定義了彈性板6，坡屋面板不受全樓剛性樓板假定控制，所以再控制位移比沒有意義。而且設為彈性板6后，由于考慮了板的面內剛度，會導致層間位移比有可能出現大于2的情況，這時應在SATWE層塔屬性中選擇不輸出坡屋面的位移比。

3、建立坡屋面結構設計的要點分析

綜上所述，本人認為坡屋面PKPM建模中重點應歸納為如下幾條：

（1）坡屋面受力復雜，斜梁的受力情況類似于連續梁，屋脊對板起到支撐的作用;同時，斜板搭在斜梁上，斜梁對斜板起到強支座作用，即斜板加入整體計算后對內力進行分擔，這與普通平板受力形式有很大區別，所以絕對不能用平屋面建模來代替坡屋面建模。坡屋頂一般由承重結構和屋面兩部組成，坡屋頂還應考慮隔熱和通風等問題。但斜屋面的造型復雜、屋面線條多、標高種類多，對于跨度比較大的屋面折梁，由于水平推力比較大，柱的彎矩也會加大，最好設置水平拉梁，由拉梁來承擔水平推力，以減少柱的彎矩。

（2）PKPM在計算過程中，把斜板自動簡化為彈性膜，與位移比計算要求不符，故對其進行位移比控制沒有意義。選擇不輸出坡屋面層的位移比。

（3）坡屋面斜板在計算過程中，其平面內的剛度被分解為坐標系下x、y兩個方向分量，從而導致框架結構坡屋面層側向剛度突變。故定義為薄弱層后無需考慮剛度比超限。

（4）PKPM建模坡屋面時，切記用降節點高來建斜梁斜板，如用升節點高很可能會出錯。

結語：

在PKPM坡屋面的建模，正確運用設計軟件進行結構設計計算，可以妥善修理某些問題，并對傳統建筑結構設計進行改善，在安全性、實用性、經濟性和可靠性得以提高，把概念設計應用到建筑結構設計的實踐中。對于坡屋面的構造及設計細節問題，特別是及結構的整體性及抗震要求更高，需要設計人員搞好這部分的設計，嚴格遵守有關規范和要求，同時坡屋面選取合理，才不會影響屋頂的防水效果。因此，對坡屋面結構進行準確分析是非常重要的。

參考文獻：

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