基于PKPM分析不同建模方法對坡屋面計算結果影響

陳家燊 嚴浩

1. 信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司廈門分院 福建 廈門 361000；2. 南京睿藝環境工程有限公司 江蘇 南京 211100

近年來坡屋面造型的建筑擁有優美的外觀，豐富的立面造型，防滲漏不易積水等特點，受到越來越多人的青睞；但對于坡屋面的建模卻一直是結構工程師不可忽略的一大問題，如何運用PKPM軟件，建立與實際建筑相似的模型，且能保證計算結果的準確性，也一直是工程師們研究的問題。本文通過一個模擬案例采用兩種不同坡屋面的建模方法，對計算結果進行比較，從而分析不同建模方法對結構的影響[1]。

1 工程概況

本文通過一個長度為12m，寬度為6m，層高為3m，屋頂高度2m的模型案例對不同坡屋面的建模方法進行建模，并分析計算結果，建模過程中除坡屋面建模方式不同之外，其余參數保持一致。本案例的結構形式為框架結構，建筑層數為1層，結構的重要性系數為1，地面粗糙程度為B類，場地類別為三類，抗震等級為三級，設計地震分組為第二組，地震烈度為7度，基本風壓為0.8KN/m2，周期折減系數為0.7，體型系數為1.3，樓面及屋面的附加恒載為2KN/m2，樓面及屋面的附加活載分別為2 KN/m2，0.5 KN/m2，梁間線荷載為4KN/m2。模型中柱子截面為400×400，主梁截面為250×500，次梁截面為200×400[2]。

2 坡屋面的建模方法

2.1 簡化為平屋面

該建模方法是將坡屋面簡化為平屋面，這種建模方法及計算都比較簡單，其具體做法是將屋面層更高加高，加高的高度一般取屋面層層高的2/3，但是它不能準確真實地反應結構形態。一般在設計時，會將這種建模方法所計算的結果進行人為的放大，所以這種做法通長比較保守，常常造成設計成本的增多[3]。

2.2 設置“梁兩端標高”

在PKPM中通過設置“改上下節點高”和“梁兩端標高”來將水平梁改為斜梁，在“改上下節點高”時可分為兩種情況，一種采用降節點的方式，即將屋面層設置為一個標準層，樓層組裝時輸入層高，再將檐口梁降下。另外一種的采用升節點的方式，即將屋面層設置為一個標準層，在樓層組裝時將屋面層層高設置為零，再將屋脊梁升高。而針對降節點的方式所創建的坡屋面封口梁的建模方式又可以分為三種。第一，針對框架結構，可將封口梁與屋面梁按實際梁大小建模處理。第二，是將封口梁設置為100mm×100mm的虛梁，及“上虛下實”，這種方式多用于下部為剪力墻結構，此時虛梁起到傳遞荷載的作用。第三，是同樣是設置虛梁，只是此時將虛梁設置在下部，即“上實下虛”的方式，虛梁同樣只起到傳遞荷載的作用。本次案例模擬中，坡屋面的建模方法采用降節點的方式與簡化為平屋面的方法進行對比分析[4]。

3 對比計算結果

3.1 彎矩對比

在恒載作用下的彎矩進對比分析，在坡屋面模型彎矩圖中，一層上下水平梁的梁底負彎矩約為49kN/m，中間水平梁的梁底負彎矩約為54kN/m，平屋面模型彎矩圖中一層上下水平梁的梁底負彎矩約為27kN/m，中間水平梁的梁底負彎矩約為49kN/m，可見坡屋面形式下的水平梁的梁底負彎矩比平屋面下的梁底負彎矩大9%～44%，而在坡屋面模型彎矩圖中，一層豎直梁的梁支座彎矩大于14kN/m，平屋面模型彎矩圖中，一層豎直梁的梁支座彎矩才約10kN/m，可見坡屋面形式下的豎直梁的梁支座彎矩比平屋面下的梁支座彎矩大[5]。

3.2 軸力對比

在恒載作用下的軸力進行對比分析，可以發現在坡屋面軸力圖中，兩邊柱的柱頂軸力約165kN，柱底軸力約為165kN；中間柱的柱頂軸力約為300kN，柱底軸力約為165kN。在平屋面軸力圖中，兩邊柱的柱頂軸力約65kN，柱底軸力約為65kN；中間柱的柱頂軸力約為120kN，柱底軸力約為120kN，可見坡屋面的柱頂軸力及柱底軸力均比平屋面的柱頂及柱底軸力大，并且發現比平屋面及坡屋面的一層梁均沒有軸力，但坡屋面軸力圖中，第二層的斜梁出現了軸力，之所以出現這樣的情況，是因為對于斜屋面，其在豎向荷載作用下，其豎向荷載分解為沿斜屋面的分荷載及垂直于斜屋面的荷載，導致斜梁產生軸力。

綜上所述，通過分析可知，坡屋面的彎矩值均比平屋面的彎矩值大，并且在軸力圖中斜梁會出現軸力，出現這種情況，主要是由于兩斜梁互為支座，在豎向荷載作用下，沿斜梁方向的分力將對柱產生壓力，對斜梁產生拉力，對下層豎向梁產生推力，垂直于斜屋面的荷載側使斜梁產生彎矩。對于有坡屋面的結構，當坡屋面下有水平板及拉梁時，對坡屋面的計算結果較為準確[6]。

4 結束語

結果表明無論從計算模型, 還是計算結果上, 采用坡屋面降節點的方式比較科學合理。從現在建筑行業來看，坡屋面應用越來越廣，如何創建正確的模型，并對其進行正確的分析是一個值得研究的課題，本文僅是對目前已有的一些建坡屋面的方法進行探討，還有很多需要進一步進行研究和討論的地方。