浅析混凝土坡屋面结构设计

　　坡屋面具有坡度大、屋面不易积水、屋顶阳光照射角度大、立面美观丰富等特点。考虑到美观、节能和使用功能等方面的需要，近年来，随着城市建设的发展，被广泛采用，特别是住宅小区，在本地区较多的采用现浇混凝土的坡屋面。

　　坡屋面在展现出建筑艺术的同时，也给建筑结构设计带来新的挑战。结构作为实现建筑思想和艺术的基础，努力实现建筑意图的同时，要不断优化和完善结构体系和构件设计力求做到安全、适用、经济和技术先进。

　　利用三维计算机有限元结构分析软件能够较准确的分析和全面考虑参与结构抗力的各构件抗力及刚度贡献,包括梁板的共同作用。

　　在此仅以某现浇混凝土坡屋面工程的设计为背景,浅析混凝土坡屋面建筑结构的设计中常遇到的几点问题。

　　一.坡屋面结构布置

　　本工程为某住宅小区楼盘其中一住宅楼，立面美观丰富的坡屋面配合富有层次的社区园林，独特的风格，营造出建筑与环境相融合之美。坡屋面是该小区建筑的主要屋顶结构形式，出于施工便捷性、整体性及防水性能要求，拟采用现浇混凝土坡屋面。

　　由图一、二、三可以看出坡屋面的跨度较大，坡屋面板凹凸交汇线多而且复杂。由于是民用住宅建筑，坡屋面底要求必须设顶层水平楼板，以满足下层使用功能和空间效果对天花平整的需要;沿屋脊线设坡屋面梁，并设置内柱来支承坡屋面梁，减少坡屋面的跨度，形成明确的板梁柱传力(具体结构布置见图四)。

　　图一 坡屋面平面

　　图二 立面

　　图

　　图三 剖面

　　而对于梯屋上面小塔楼，建筑使用功能和空间效果要求坡屋面底不能设水平楼板，也不能设内柱，而且小塔楼只有楼梯间框架柱升至坡屋面层，为了有更明确的板梁柱传力路径，在两柱间设沿屋面坡度的折梁(具体结构布置见图五)。

　　图四 坡屋面结构布置平面

　　图

　　1-1剖面

　　图

　　图五 小塔楼坡屋面结构布置平面

　　二.结构计算分析

　　现以梯屋上面的小塔楼为例来说明结构计算分析的过程及计算结果合理性分析。本工程采用PKPM的SATWE、广厦的GSSAP，以下仅以其中有代表性的一榀横向框架为例来分析说明。

　　软件分析模型需按板梁柱的实际标高进行输入，而且在总体参数中不能采用强制刚性楼板的假定，否则会造成结构分析严重失真，特别是地震作用计算和风荷载计算。但必须注意调整计算振型数使有效质量系数达到90%以上。

　　坡屋面板设置成膜单元，中梁刚度增大系数设为2.0。因为板厚较小，其平面外刚度较小，所以用膜单元来模拟比较合适，即仅计算其平面内刚度而忽略其平面外刚度。而楼板对梁刚度是有贡献的，因而用中梁刚度增大系数来考虑，这样就可以与一般楼层刚性楼板的考虑楼板对梁刚度贡献的设置参数统一，不必针对坡屋面层特别设置。

　　计算分析结果如图六，为便于说明坡屋面部分的构件内力,仅取恒荷载(包括构件自重)作用下的计算结果,并将天面层楼面内力隐去。从图可以看出，在恒载作用下：

　　1.PKPM的SATWE计算结果的屋面斜梁弯矩、剪力较小而轴力较大， SATWE软件弱化了梁柱节点和折梁节点刚度，与平屋面受力情况有较大区别，斜梁上产生相当轴力，比较接近手算结果;2.广厦的GSSAP计算结果的屋面斜梁弯矩、剪力较大而轴力较小，充分考虑了坡屋面板刚度，而且强化了梁柱节点和折梁节点刚度，斜梁上轴力几乎为零，其受力情况和平屋面梁的受力情况几乎相同，需要注意加强节点的构造。 剪力图(kN)

　　a.SATWE内力图

　　弯矩图(kN·M)

　　轴力图(kN)

　　轴力图(kN)

　　剪力图(kN)

　　弯矩图(kN·M)

　　图六 一榀横向框架的弯矩、剪力和轴力图

　　b.GSSAP内力图

　　综上所述，对于一般坡屋面可以用上述两个软件进行受力分析，都可以满足工程计算精度要求，但对于特别复杂的多坡屋面建议用通用有限元分析软件(如PKPM的PMSAP或广厦的GSSAP)进行分析计算。

　　三.坡屋面的配筋及构造设计

　　在两个软件计算分析的基础上对柱、梁、板进行配筋设计，不同于一般平屋面，坡屋面要特别注意节点的构造设计：

　　(1) 坡屋面板配筋除了根据板面外弯矩，还要考虑其轴向受力(包括内外温差引起温度应力和伸缩变形)，因此,坡屋面板应双层双向通长配筋,并适当加密钢筋间距。坡屋面受日照量较多，为防止温度应力作用下容易引起开裂而渗漏，在造价允许情况下应尽量建议建筑师设置防水层及保温层。

　　(2) 屋脊通常是两个或多个方向梁或板的交汇部位。完全按梁板体系处理坡屋面对施工及设计都较复杂,可对其加以简化。在凸凹折角处, 当角度较小时,可考虑板的平面外刚度,在折角处均设暗梁即可。板交汇时,宜将板钢筋交叉搭接锚固(如图七)。

　　图七 折板配筋构造

　　(3) 从构件的内力图可以看出坡屋面的梁柱交接部位的内力集中，该交接部位的抗弯、抗剪和抗裂均很重要,纵筋搭接及箍筋设置应满足《混凝土结构设计规范 GB 50010-2010》第9.3.4条至第9.3.9条的规定。

　　(4) 屋脊梁构造包括横向框架梁和纵向梁以及斜向屋脊梁。从图5的内力图可以知道,横向坡屋面梁在跨中的内力很小。横向屋脊节点布置纵向贯通构造钢筋，并适当加密箍筋，折梁处节点按《混凝土结构设计规范 GB 50010-2010》第9.2.12条进行配筋设计，并应按抗拉要求将屋面板钢筋锚固在屋脊纵向梁内。

　　(5) 坡屋面老虎窗可视其大小采用设梁，或直接用折板处理。老虎窗立板因需双面支模，板厚不可取得太小，通常可取120mm，按φ8@150双层双向配筋。

　　(6) 考虑到施工因素，当坡屋面为双层屋面时，应注意坡脚处净高>0.6m，以免施工时无法支模。当无平屋面时，应注意填充墙高度，若墙高>4m时可设水平拉梁一道。

　　(7) 坡屋面梁不适宜采用梁平法表示，其梁加密区长度，负加筋长度，梁钢筋锚固等做法应采用梁详图表示。

　　四.结束语

　　混凝土坡屋面建筑蕴藏着丰富的现代建筑思想和结构技术。在满足结构安全的首要前提下,在满足建筑功能和造型设计的同时,应努力表现建筑技术与艺术结合的内涵,体现出应有的结构美。

　　参考文献：

　　[1] 中国建筑科学研究院. GB 50010-2010混凝土结构设计规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2011

　　[2] . 中国建筑科学研究院. GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

　　[3] 中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部.多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE(用户手册及技术条件)

　　[4] 广东省建筑设计研究院 深圳市广厦软件有限公司.建筑结构通用分析设计软件GSSAP(说明书)

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文章名称： 浅析混凝土坡屋面结构设计

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