某坡屋面框架结构计算分析探讨

[摘要] 目前，坡屋面结构形式在民用建筑中应用越来越广泛，而对其在计算软件中模型的建立及分析方法还有待探讨。通过对实例工程的对比分析，指出了两种不同分析方法对结构计算的影响及其差别。总结了坡屋面受力特点，在实际工程设计中给出了一些参考和建议。

[关键词] 坡屋面；框架结构；计算分析；框架梁

中图分类号：TU997文献标识码： A

0 前言

坡屋面结构形式因其外形美观、保温节能及防渗漏效果好等特点在民用建筑中被广泛应用。如何对坡屋面结构进行准确的分析，确保其上的荷载能真实的反应和作用于下部结构是个亟待解决的问题。本文就结合某实例工程，通过对两种不同分析方法的实践和比较，得到了一些有用的结论。

1 工程概况

本工程为一综合办公楼，建筑总长54.6m，宽38.0m，主体高度16.2m，共三层。剖面图见图1。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第二组，抗震设防类别为丙类。

图1建筑剖面图

2 结构计算及分析

在现时的结构设计中，对于坡屋面结构一般采用两种处理方法：一种按实际情况在结构计算软件中输入其模型进行分析，另一种将坡屋面简化为平屋面进行计算。为了比较两种建模方式对结构计算的影响，现分别对两种模型进行计算即真实模型（简称模型1）和平屋面简化模型（简称模型2）。两种模型的计算荷载和计算参数均统一取值。结构计算软件采用中国建筑科学研究院编制的PKPM软件中的SATWE进行分析对比。

2.1 整体计算指标对比

表1为两种模型整体计算指标的结果比较。由表1可看出模型2计算的周期及层间位移角比模型1计算的要小，其位移比要比模型1的大，但总体误差都在5%之内。由此可见两种模型对整体计算指标影响不大。

表1整体计算指标结果比较

2.2 梁受力对比

选取轴上一榀框架梁及轴上一榀次梁的内力进行比较分析，详见图2。从内力图中可以看出，模型2框架梁在柱顶和跨中内力明显比模型1大，模型1中框架梁在柱顶及跨中的弯矩仅为模型2中的34%和44%；模型1中框架梁和次梁在屋脊处均有负弯矩的存在，这也说明因弯折形成的屋脊线在受力上起到类似弹性支座的作用。同时因模型1上竖向荷载作用方向不是垂直于梁方向，这就导致梁中产生轴向分力，而模型2竖向荷载垂直于梁，梁内力图中就不存在轴向力。因在模型1檐口处框架柱顶增设有水平拉梁，其与框架折梁形成了一个三角桁架受力体系，水平梁起到下弦拉杆的作用，最终由水平梁承担斜梁的轴向分力，故框架梁中轴力为零。

（a)模型1梁内力 （b)模型2梁内力

图2梁内力简图

另外，模型1檐口处水平边梁除承受弯矩外，跨中区域处于受拉状态，邻近柱顶区域梁轴力很小。由于弯折次梁中轴向分力的作用，会对水平边梁产生推力，因而梁跨中受拉；柱顶水平拉梁的存在，对框架折梁和柱的约束作用，因而水平边梁在柱顶区域的轴力很小。

2.3 柱顶受力对比

选取轴上框架边柱和中柱柱顶内力进行比较，见表2。对于边柱，模型1柱顶轴力是模型2的1.93倍，而其柱顶弯矩仅为模型2的26%和8%；对于中柱，两模型柱顶轴力仅相差9%。由于模型1中框架折梁轴向分力的存在，尤其对于边柱轴力会有较大影响，而水平拉梁的存在，对折梁和柱的约束作用明显，缓解了梁柱端弯矩。可见在模型1中设置拉梁，可以将坡屋面转化为三角桁架体系，这也解释了模型1中框架折梁内力比模型2中小的原因。

表2 柱顶内力结果比较

2.4 屋面板受力分析

模型1中屋面板为斜板，将板属性定义为弹性板6，考虑板平面外刚度，板与梁共同分担屋面结构荷载；屋面斜梁减少了对荷载的受力，此减少部分的荷载则有弹性楼板直接传给竖向受力构件承受。模型2中楼板为刚性楼板，屋面荷载全部由梁承担，再传给竖向构件。这也从另一方面说明模型2中梁内力要比模型1大的原因。

3 结论

通过对实例工程采用两种不同建模方式的对比分析可知，两种模型在结构整体计算指标上差别较小，采用平屋面简化计算模型不能很好地反应坡屋面和斜梁对屋面结构的作用，其无法准确考虑倾斜构件产生的水平作用力，尤其对于竖向构件是偏不安全的。通过对比分析，得出一些有用的启示，在坡屋面结构设计中可供参考。

（1）刚性楼板假定不适用于坡屋面，计算分析时应采用弹性楼板。对于较复杂的坡屋面，应采用有限元方法加以计算分析，以此判断出楼盖受力的薄弱环节，有针对性地采用加强措施。

（2）在满足使用功能前提下，尽可能采取在檐口处设置水平拉梁，使其与框架折梁形成一个三角桁架受力体系，通过水平拉梁的下弦杆作用，大大缓解折梁、水平边梁和框架柱的受力。

（3）坡屋面与框架柱组合，共同作用明显，但有坡屋面的结构体系侧向刚度小于同等高度的平屋面结构。

（4）屋脊线处一般属于应力集中部位，此处的楼板配筋和构造措施应予以加强，同时对于该处的施工也应提出严格要求，尽量避免混凝土开裂。

（5）由于坡屋面梁多为折梁，其弯矩的正负变化除了在柱顶支撑点外，梁弯折处在一定程度上也起到弹性支座的作用，该处梁内力的正负与大小与所处位置斜板一致，故折梁上部纵筋应根据具体受力情况，采取钢筋通长设置的方法，同时需要验算弯折点的配筋是否满足要求，而不能整垮设置架立筋的方式，以免存在安全隐患。

（6）坡屋面板配筋，建议采用板内钢筋双层双向拉通，在支座处设附加筋的方式设置，不仅满足了结构受力要求，也给施工带来了便利。

（7）对于坡屋面梁的内力应采用合理的模型进行计算分析，而不应简单的采用平屋面简化模型取大值进行配筋，这样势必会造成经济上的浪费，增加工程造价。

参考文献

[1] GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]谭玉阶. 坡屋面找脊线及其他[J]. 深圳土木与建筑,2006(4).

[作者简介] 张沛（1983年～） 男，河南洛阳人，硕士，工程师，国家一级注册结构工程师，