论文部分内容阅读
成都基准方中建筑设计有限公司西安分公司 710054
摘要：随着现代建筑结构向大跨、高耸、美观的不断发展，坡屋面越来越多的出现在工程实践中。采用传统的屋脊布梁的做法不但室内空间露梁较多没有美感，而且施工较麻烦，针对这个问题我们在咸阳丽彩溪悦城、绿地陆港国际、保利曲江等项目中采用折板坡屋面的做法，不但取得了良好室内空间效果、简化了施工，获得了甲方的高度赞扬，同时也给施工图绘制带来了便利。但由于这一类结构的受力复杂性，传统的计算不能保证设计的精确性，本文利用有限元软件对某一工程案例进行研究，进行钢筋混凝土坡屋面的复合受力分析。
关键词：坡屋面；折板；结构设计
1.工程实例
该坡屋面短方向总跨度约8.0m，由两侧斜屋面和中间平屋面段构成，长方向总跨度11.0m。整个屋面受力复杂，且ly/lx<2，属于双向板，传统计算不能保证其精度，故采用有限元进行分析。恒载：5.0kN/m，活载：2.0kN/m。本文中的混凝土采用塑性损伤模型，受压本构关系为混凝土结构设计规范（GB50010-2010）中模型；钢筋采用钢材材料模型，该材料模型被定义为弹塑性模型，本构关系简化为五段式二次塑流模型。
2.坡屋面受力分析
该坡屋面的混凝土采用C30，钢筋采用HRB400，板厚h=140mm，钢筋配置为8@180，双层双向）。
由图1（a）～（c）可知，混凝土S11方向最大最小应力值分别为2.031MPa、-4.860MPa，S22方向最大最小应力值分别为1.513MPa、-3.871MPa，S33方向最大最小应力值分别为1.738MPa、-8.569MPa。因为混凝土最大拉应力ftmax=2.031MPa>1.43MPa，故部分混凝土已进入开裂状态，混凝土最大压应力fcmax=8.569MPa<14.3MPa，故板厚取值合理。图1（d）为混凝土受力后裂缝的发展方向和大小示意图。
坡屋面最小配筋率Asmin=max（0.2%，0.45ft/fy）*bh=280mm2，实配钢筋面积为279mm2<280mm2。由图2可知，钢筋网最大Mises应力fymax=103.7MPa<360MPa，故钢筋网尚处于弹性受力阶段，因此钢筋配量充足且具有较大的安全储备系数。
由图3可知，跨中最大挠度f=5.34mm 3.平屋面受力分析
为了对比分析斜屋面板与平屋面板的受力性能，本文对一相同材料、跨度、厚度及配筋的平屋面板也进行了受力分析，由于平板受力后塑性变形过大，故计算荷载取为坡屋面荷载的3/5。
由图4（a）～（c）可知，混凝土S11方向最大最小应力值分别为1.998MPa、-15.03MPa，S22方向最大最小应力值分别为2.017MPa、-5.625MPa，S33方向最大最小应力值分别为1.679MPa、-20.15MPa。因为混凝土最大拉应力ftmax=2.017MPa>1.43MPa，故部分混凝土已进入开裂状态，混凝土最大压应力fcmax=20.15MPa>14.3MPa，故此时部分混凝土已压碎。图4（d）为混凝土受力后裂缝的发展方向和大小示意图。
由图5（a）可知，最大Mises应力fymax=353.4MPa，但考虑到网格大小等因素对计算精度的影响，钢筋实际最大应力已大于360MPa，这与图5（b）的最大主塑性应变云图相符。
另依据计算知，跨中最大挠度f=16.78mm。
4.斜屋面与平屋面的对比
由表1可知，当平屋面受力荷载仅为斜屋面受力荷载的3/5时，斜屋面的混凝土最大拉应力略大于平屋面混凝土最大拉应力，而对于混凝土最大压应力、钢筋网最大Mises应力以及跨中挠度值，斜屋面要远小于平屋面。
5.结论
1）檐口边梁与屋板交接处可能产生应力集中，实际工程可根据具体情况考虑是否增加构造配筋；
2）斜屋面折板交界处，受拉应力较大；
3）斜屋面具有一定的曲拱效应，相互交接的区域可视为弹性支座，相互提供有利支撑，故受力较为合理；
4）斜屋面整体受力较平屋面合理。
6.展望
1）实际工程应用中应考虑地震力的不利影响；
2）坡屋面不设梁或少设梁不仅可以增加室内空间美感，同时可以给施工带来便利减少综合造价，在工程实践中课广泛应用折板方案；
3）可对不同倾斜角度的屋面进行拱效应的定量分析，为工程设计提供参考依据。
7.结语
总而言之，坡屋面结构，首先应选用合理的结构方案，在结构设计时，应建立合理的结构模型。坡屋面结构形式给建筑师对楼顶层利用的设计构思开辟了新天地，并影响着人们的生活习惯。它带来的经济、社会效益会逐渐显露，但需要建筑、结构专业人员密切配合，需要人们认识和宣传，甚至需要房地产管理政策等多方面的支持。设计者可参考规范，对知识综合运用。
摘要：随着现代建筑结构向大跨、高耸、美观的不断发展，坡屋面越来越多的出现在工程实践中。采用传统的屋脊布梁的做法不但室内空间露梁较多没有美感，而且施工较麻烦，针对这个问题我们在咸阳丽彩溪悦城、绿地陆港国际、保利曲江等项目中采用折板坡屋面的做法，不但取得了良好室内空间效果、简化了施工，获得了甲方的高度赞扬，同时也给施工图绘制带来了便利。但由于这一类结构的受力复杂性，传统的计算不能保证设计的精确性，本文利用有限元软件对某一工程案例进行研究，进行钢筋混凝土坡屋面的复合受力分析。
关键词：坡屋面；折板；结构设计
1.工程实例
该坡屋面短方向总跨度约8.0m，由两侧斜屋面和中间平屋面段构成，长方向总跨度11.0m。整个屋面受力复杂，且ly/lx<2，属于双向板，传统计算不能保证其精度，故采用有限元进行分析。恒载：5.0kN/m，活载：2.0kN/m。本文中的混凝土采用塑性损伤模型，受压本构关系为混凝土结构设计规范（GB50010-2010）中模型；钢筋采用钢材材料模型，该材料模型被定义为弹塑性模型，本构关系简化为五段式二次塑流模型。
2.坡屋面受力分析
该坡屋面的混凝土采用C30，钢筋采用HRB400，板厚h=140mm，钢筋配置为8@180，双层双向）。
由图1（a）～（c）可知，混凝土S11方向最大最小应力值分别为2.031MPa、-4.860MPa，S22方向最大最小应力值分别为1.513MPa、-3.871MPa，S33方向最大最小应力值分别为1.738MPa、-8.569MPa。因为混凝土最大拉应力ftmax=2.031MPa>1.43MPa，故部分混凝土已进入开裂状态，混凝土最大压应力fcmax=8.569MPa<14.3MPa，故板厚取值合理。图1（d）为混凝土受力后裂缝的发展方向和大小示意图。
坡屋面最小配筋率Asmin=max（0.2%，0.45ft/fy）*bh=280mm2，实配钢筋面积为279mm2<280mm2。由图2可知，钢筋网最大Mises应力fymax=103.7MPa<360MPa，故钢筋网尚处于弹性受力阶段，因此钢筋配量充足且具有较大的安全储备系数。
由图3可知，跨中最大挠度f=5.34mm
为了对比分析斜屋面板与平屋面板的受力性能，本文对一相同材料、跨度、厚度及配筋的平屋面板也进行了受力分析，由于平板受力后塑性变形过大，故计算荷载取为坡屋面荷载的3/5。
由图4（a）～（c）可知，混凝土S11方向最大最小应力值分别为1.998MPa、-15.03MPa，S22方向最大最小应力值分别为2.017MPa、-5.625MPa，S33方向最大最小应力值分别为1.679MPa、-20.15MPa。因为混凝土最大拉应力ftmax=2.017MPa>1.43MPa，故部分混凝土已进入开裂状态，混凝土最大压应力fcmax=20.15MPa>14.3MPa，故此时部分混凝土已压碎。图4（d）为混凝土受力后裂缝的发展方向和大小示意图。
由图5（a）可知，最大Mises应力fymax=353.4MPa，但考虑到网格大小等因素对计算精度的影响，钢筋实际最大应力已大于360MPa，这与图5（b）的最大主塑性应变云图相符。
另依据计算知，跨中最大挠度f=16.78mm。
4.斜屋面与平屋面的对比
由表1可知，当平屋面受力荷载仅为斜屋面受力荷载的3/5时，斜屋面的混凝土最大拉应力略大于平屋面混凝土最大拉应力，而对于混凝土最大压应力、钢筋网最大Mises应力以及跨中挠度值，斜屋面要远小于平屋面。
5.结论
1）檐口边梁与屋板交接处可能产生应力集中，实际工程可根据具体情况考虑是否增加构造配筋；
2）斜屋面折板交界处，受拉应力较大；
3）斜屋面具有一定的曲拱效应，相互交接的区域可视为弹性支座，相互提供有利支撑，故受力较为合理；
4）斜屋面整体受力较平屋面合理。
6.展望
1）实际工程应用中应考虑地震力的不利影响；
2）坡屋面不设梁或少设梁不仅可以增加室内空间美感，同时可以给施工带来便利减少综合造价，在工程实践中课广泛应用折板方案；
3）可对不同倾斜角度的屋面进行拱效应的定量分析，为工程设计提供参考依据。
7.结语
总而言之，坡屋面结构，首先应选用合理的结构方案，在结构设计时，应建立合理的结构模型。坡屋面结构形式给建筑师对楼顶层利用的设计构思开辟了新天地，并影响着人们的生活习惯。它带来的经济、社会效益会逐渐显露，但需要建筑、结构专业人员密切配合，需要人们认识和宣传，甚至需要房地产管理政策等多方面的支持。设计者可参考规范，对知识综合运用。