徐馬俊

【摘要】在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，坡屋面建模一直是大家關(guān)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(guān)心的問題。PKPM建模中，我們有時將坡屋面簡化為平屋面進(jìn)行分析，如果坡屋面處設(shè)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(biāo)準(zhǔn)層 ，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)層 ，這種方法雖然簡捷，但它不能反映結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)，所以我們常常把計算結(jié)果放大，放大到太保守的程度，很不經(jīng)濟(jì)。本人認(rèn)為在PKPM建模允許的情況下，應(yīng)盡量使模型接近實物才能使軟件更準(zhǔn)確的接近實際計算。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計;坡屋面;PKPM建模

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展和人們生活需求的提高，坡屋面結(jié)構(gòu)體系以其外形美觀、立面造型豐富、抗?jié)B漏、不易積水等優(yōu)點，受到越來越多人的青睞。它不僅廣泛應(yīng)用于別墅、寫字樓等民用建筑，廠房等工業(yè)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(fēng)景，安全地站在城市的每一個角落。

1、坡屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

坡屋面一般有兩種結(jié)構(gòu)布置方式：

一種是頂部直接做成斜板 ，當(dāng)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(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)跨度比較大的時候設(shè)置水平梁來抵消斜屋面產(chǎn)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(jié)構(gòu)布置分析

下面比較一下這兩種結(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)注意屋面折梁的梁高取值，梁高應(yīng)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(yīng)將整個屋面定義為彈性板6，并在參數(shù)設(shè)置時勾選“樓板按有限元方式設(shè)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(jìn)行分割計算，應(yīng)注意的是無折梁屋面的板厚在考慮計算跨度的情況下應(yīng)取厚一點。在荷載取值方面，板恒載應(yīng)按照平屋面取值，板活載應(yīng)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(yīng)和平屋面一樣建成梁板柱的框架結(jié)構(gòu)，屋面造型一層既可以做有折梁也可以做無折梁，需設(shè)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(jié)點高”命令來實現(xiàn)，本人具體的操作是：首先，坡屋面要降節(jié)點高來建才不會出問題，如果用PKPM升節(jié)點高建模，則有可能會出現(xiàn)整樓模型顯示時構(gòu)件連接錯誤。即最高點為0，其余點都為負(fù)數(shù)，最低點為坡屋面負(fù)高，活荷載需要經(jīng)過換算后加載在坡屋面上。上節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)點高調(diào)整到該平面上的節(jié)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(jié)點都點一下上升到其相應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)模型輸入過程中，一般應(yīng)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(dǎo)算該房間上的恒活荷載。對于封口梁模型，轉(zhuǎn)為計算模型后，空間上位置重合的兩條網(wǎng)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(biāo)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(yīng)定義超限的樓層為薄弱層，薄弱層放大系數(shù)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(shè)為彈性板6后，由于考慮了板的面內(nèi)剛度，會導(dǎo)致層間位移比有可能出現(xiàn)大于2的情況，這時應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計的要點分析

綜上所述，本人認(rèn)為坡屋面PKPM建模中重點應(yīng)歸納為如下幾條：

（1）坡屋面受力復(fù)雜，斜梁的受力情況類似于連續(xù)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(qiáng)支座作用，即斜板加入整體計算后對內(nèi)力進(jìn)行分擔(dān)，這與普通平板受力形式有很大區(qū)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(jié)構(gòu)和屋面兩部組成，坡屋頂還應(yīng)考慮隔熱和通風(fēng)等問題。但斜屋面的造型復(fù)雜、屋面線條多、標(biāo)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(shè)置水平拉梁，由拉梁來承擔(dān)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(jìn)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(nèi)的剛度被分解為坐標(biāo)系下x、y兩個方向分量，從而導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)坡屋面層側(cè)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(jié)點高來建斜梁斜板，如用升節(jié)點高很可能會出錯。

結(jié)語：

在PKPM坡屋面的建模，正確運用設(shè)計軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，可以妥善修理某些問題，并對傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行改善，在安全性、實用性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性得以提高，把概念設(shè)計應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的實踐中。對于坡屋面的構(gòu)造及設(shè)計細(xì)節(jié)問題，特別是及結(jié)構(gòu)的整體性及抗震要求更高，需要設(shè)計人員搞好這部分的設(shè)計，嚴(yán)格遵守有關(guān)規(guī)范和要求，同時坡屋面選取合理，才不會影響屋頂?shù)姆浪Ч?。因此，對坡屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確分析是非常重要的。

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