坡屋頂結(jié)構(gòu)在房建工程中的應(yīng)用研究

何遠(yuǎn)志

（深圳市寶明興建筑工程有限公司，廣東深圳 518000）

為滿足不斷增加的生活需要，建筑的數(shù)量也在不斷增加，人們對于建筑的建設(shè)與功能要求也變得越來越高。人們早已完成了從僅關(guān)注房屋建筑的基本功能到外形與功能兼顧的轉(zhuǎn)變。分析近幾年的房建工程建設(shè)現(xiàn)狀可知，大量的工程開始應(yīng)用坡屋頂結(jié)構(gòu)，在保證其內(nèi)外部基本功能的同時也維持了建筑美觀性，這也是該結(jié)構(gòu)應(yīng)用頻率較高的主要原因。

1 坡屋頂結(jié)構(gòu)的計算模型

1.1 屋頂檐口處不設(shè)置水平樓板

如果沒有住宅工程中坡屋面的利用需要，在檐口標(biāo)高處并不需要以設(shè)置水平樓板的方式確保結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果。在此種無須水平樓板的情況下，針對建筑，應(yīng)根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，檐口的標(biāo)高度應(yīng)計算在建筑物總高度中。檐口標(biāo)高處就是建筑的外墻體與屋頂之間結(jié)構(gòu)交叉處得到屋頂結(jié)構(gòu)的板頂位置。為了方便計算，也可以在計算總高度時以檐口標(biāo)高與建筑頂層樓面標(biāo)高相減，此時會出現(xiàn)坡屋頂高于檐口標(biāo)高的部分無法納入計算過程的情況[1]。

為保證高度計算精度，可以屋頂坡度為基礎(chǔ)，提起梁柱的控制節(jié)點，將相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入計算軟件時需要注意，此時的數(shù)據(jù)相對于檐口標(biāo)高值應(yīng)大于0。

計算軟件推薦應(yīng)用PKPM軟件，作為中國建筑研究院應(yīng)用的工程設(shè)計軟件，其應(yīng)用效果較好。該軟件還可以輸入對應(yīng)數(shù)據(jù)后對坡屋頂結(jié)構(gòu)的實際情況進(jìn)行充分模擬，更立體化向人們展現(xiàn)建筑的全部情況，這一過程對于充分發(fā)揮計算模型的作用極為重要。如果需要計算結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)建筑層數(shù)、標(biāo)高等數(shù)據(jù)，結(jié)合框架與框剪的結(jié)構(gòu)體系計算相應(yīng)的結(jié)果，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2 屋頂檐口處設(shè)置水平樓板

部分住宅坡屋頂由于一些特殊原因或建筑結(jié)構(gòu)條件的限制，設(shè)計高度較高，在這種情況下為了提高空間的應(yīng)用有效性或滿足結(jié)構(gòu)抗力的需要，應(yīng)當(dāng)找準(zhǔn)檐口標(biāo)高處的位置，并搭設(shè)水平樓板以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，滿足結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要[2]。

搭設(shè)水平樓板后，此時形成的三角形結(jié)構(gòu)構(gòu)成了閣樓。根據(jù)結(jié)構(gòu)計算規(guī)則，閣樓是否有居住價值以及是否具備居住條件均不重要，只要存在閣樓，就應(yīng)將其納入計算環(huán)節(jié)。根據(jù)建筑抗震規(guī)范設(shè)計的相關(guān)要求，重點描述了對砌體房屋高度的相關(guān)規(guī)定，針對此種帶有閣樓的特殊的坡層頂層設(shè)計，此時計算其層高應(yīng)由檐口標(biāo)高起始，計算其到坡屋頂?shù)陌敫呶恢谩Ｈ舨扇KPM的軟件計算法展開后續(xù)設(shè)計環(huán)節(jié)，此時的閣樓層高計算數(shù)值不受到相關(guān)條件的限制。這是因為與層高位置相對，能夠以屋頂坡度數(shù)值為依據(jù)對梁柱的控制節(jié)點采取提起或降低等操作，并對模擬的坡屋頂結(jié)構(gòu)的實際情況進(jìn)行深入分析，以計算出結(jié)構(gòu)對應(yīng)的相關(guān)數(shù)值，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用需要。

2 坡屋面板的內(nèi)力分析

2.1 板的內(nèi)力與板坡角有著緊密聯(lián)系

假設(shè)條件相同的情況下，對應(yīng)坡角為16°，坡屋面板此時表現(xiàn)出的起拱作用極小。針對此種情況，在計算的過程中以板的全跨L作為計算數(shù)值較為妥當(dāng)，需要注意的是此時全跨L按照平面板進(jìn)行計算；對應(yīng)的坡角為18.3°，此時能夠凸顯拱的作用；坡角對應(yīng)的角度為21.8°，此時能夠明顯表現(xiàn)拱的作用，觀察坡板能夠發(fā)現(xiàn)其彎折角彎矩接近0[3]。針對此種情況，以平面板條件下的全跨L的計算方式，得到的數(shù)據(jù)不具備科學(xué)性與合理性。

在計算此數(shù)值時沒有考慮其與坡角的關(guān)系，以此數(shù)值為基礎(chǔ)進(jìn)行配筋將會造成極大浪費。為了在此種情況下保證計算數(shù)值的準(zhǔn)確性，必須在計算的過程中應(yīng)用更多先進(jìn)軟件，并融入有限元方法，對其最終展示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，最終的數(shù)值才能夠應(yīng)用至結(jié)構(gòu)配筋過程中，并保證應(yīng)用效果。需要注意的是，由于此過程涉及的計算內(nèi)容較多，需要耗費大量的時間與精力，大部分設(shè)計單位難以實現(xiàn)，為解決這一問題，應(yīng)嘗試應(yīng)用條分法采取其他類似的簡化計算方式，提高計算效率。

條分法是利用寬扁梁形式對分析對象進(jìn)行縱橫劃分，將其分為若干數(shù)量的寬等板的具有交叉特性的梁系，并在此基礎(chǔ)上以模擬屋面板的實際情況為依據(jù)，對其進(jìn)行完整計算，將參照梁的內(nèi)里對板作為配筋分析的數(shù)據(jù)條件。

以尺寸為6.6 m×7.2 m的四坡屋面板為例，此時其對應(yīng)的坡角大致為25.6°，應(yīng)以條分法作為此面板的計算方式。需要在此計算過程中應(yīng)用PKPM軟件，SATWE與PMCAD為主要的數(shù)值計算程序。

分析最終結(jié)果數(shù)值，中部中梁對應(yīng)的內(nèi)力與配筋均較小，此種條件下按照構(gòu)造配筋的方式已經(jīng)能夠基本滿足數(shù)值的計算需要[4]。此時邊梁承擔(dān)的內(nèi)力較大，在此種情況下考慮邊梁的扭轉(zhuǎn)與變形環(huán)節(jié)，其能夠在一定限度上削弱對坡屋面板的約束，實際設(shè)計與應(yīng)用配置坡屋面板鋼筋時，應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯筇幚怼钠鋵嶋H使用狀態(tài)與效果來看，具有大跨度特征的板結(jié)構(gòu)的裂縫問題發(fā)生風(fēng)險顯著降低，且應(yīng)用的效果極好。

2.2 規(guī)整坡屋面的屋面衍生變化

坡屋面的幾種典型形式如圖1所示。

圖1 坡屋面的幾種典型形式

針對規(guī)整上衍生變化的屋面情況，進(jìn)行處理時應(yīng)采取局部加雙層板的方式，陰影部分代表雙層板，需要首先保證其余的板材與下層板之間形成具有規(guī)整特征的坡屋面板，針對其進(jìn)行的計算分析可以通過條分法的步驟進(jìn)行。分析此種結(jié)構(gòu)可知，其上層板可以是下層板的附屬構(gòu)件，對其進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)下層板的配筋，同時應(yīng)對上、下層兩處板材的交叉部分進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)處理，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計效果。

2.3 具有復(fù)雜多變特性的坡屋面

建筑本身具有靈活多變的立體效果展現(xiàn)，無論是外形還是平面不規(guī)則，均會影響其立體的效果展示，此時的坡屋面難免會設(shè)計出具有不對稱與坡度多變特點的復(fù)雜形狀。

針對復(fù)雜多變的屋面情況，僅應(yīng)用有限元的方式對其進(jìn)行計算，難以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為了盡量簡化計算流程，可以采取架設(shè)斜坡屋面梁的方式，用以分割整板，此時分割的四邊支承板面積均較小。若在此種情況下均采用構(gòu)造配筋的方式，為了滿足斜梁的布置需要，應(yīng)結(jié)合屋脊線與處于建筑內(nèi)部的分隔墻的分布與位置情況，綜合考慮多種因素以確保板面整潔且受力明確，為其后續(xù)的施工過程提供方便條件，奠定基礎(chǔ)。

3 坡屋頂梁設(shè)計中存在的主要問題與建議

3.1 檐口梁設(shè)計

從以上計算分析過程中能夠知曉，若有閣樓層坡屋頂建設(shè)的需求，應(yīng)將其分成兩個結(jié)構(gòu)層參與整體的計算過程，但此種情況下不可避免會出現(xiàn)一些矛盾。主要原因是坡屋頂結(jié)構(gòu)在檐口的位置一般都設(shè)置框架梁，若將其拆分為兩個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行計算，即框架梁將計算兩次，進(jìn)入計算過程中的閣樓梁與屋面梁事實上為同一條[5]。若不對其進(jìn)行處理，兩條梁均參與計算過程后，與檐口梁的受力情況不相符，此時的梁既承擔(dān)了來自閣樓層的負(fù)載，也承擔(dān)著坡屋頂?shù)呢?fù)載，與計算所需要的分別承重的計算標(biāo)準(zhǔn)不符，另外由于梁的重復(fù)計算，自重也被計算兩次，數(shù)值不具備準(zhǔn)確性。

為解決這一問題，可以采用虛梁與小柱的添加方式模擬導(dǎo)荷，即在此種計算模型下，處于下層位置的梁輸入的尺寸數(shù)據(jù)與檐口量的荷載均為真實數(shù)值；處于上層的梁由于其對應(yīng)的輸入界面過小，此時可以將這一高度視為虛梁，此時其僅承擔(dān)傳遞載荷的作用。

上、下梁之間由于設(shè)置了較多柱子，屋面板產(chǎn)生載荷的同時，其載荷也能夠快速傳遞到下層。設(shè)置柱子的數(shù)量應(yīng)根據(jù)實際情況與數(shù)值計算的準(zhǔn)確度而定，通常情況下其數(shù)量越多，代表檐口梁承擔(dān)的集中載荷就越發(fā)密集，模擬梁實際承擔(dān)的具有連續(xù)分布特點的載荷時準(zhǔn)確度越高，數(shù)值的應(yīng)用有效性也會同時提升。

但需要注意，在這種情況下輸入該層數(shù)據(jù)的層高不應(yīng)過小，若過小則可能影響柱子的計算長度。此時應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行計算時，認(rèn)為該層結(jié)構(gòu)的剛度較大，由于存在地震力剛度分配原則，在此種情況下相較于其他層面，該層面將會承擔(dān)超過以上層面許多倍的地震力，得出的結(jié)果也將會出現(xiàn)異常。

3.2 坡屋頂梁梁端設(shè)鉸

針對外形不規(guī)則且坡度較大的坡屋面板，為保證結(jié)構(gòu)應(yīng)用的安全性，需要以分析建議為依據(jù)，設(shè)置坡屋頂斜梁，用以對板的尺寸進(jìn)行劃分，同時也為施工的放線定位等提供方便條件。此時可能會出現(xiàn)一個節(jié)點存在多根梁與之相接，由于在計算時以連續(xù)梁的中間支座固接對其進(jìn)行計算，最終與節(jié)點相連的部分，梁端的配筋量普遍有較大的特征，這種情況在柱子的節(jié)點處體現(xiàn)尤為明顯。解決此問題需要調(diào)幅節(jié)點處的負(fù)彎矩，采取減少插入支座的鋼筋數(shù)量的方式，也可以將梁端作為鉸接端計算數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，坡屋頂作為現(xiàn)階段常用的房建工程結(jié)構(gòu)，其突出的應(yīng)用優(yōu)勢使其在建筑行業(yè)中的應(yīng)用頻率越來越高。通過對其結(jié)構(gòu)與計算數(shù)值等進(jìn)行深入探究，結(jié)構(gòu)受力分析表現(xiàn)更合理，計算更簡便，為結(jié)構(gòu)應(yīng)用安全性與美觀性進(jìn)一步提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。