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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。