摘要：本文采用PKPM(2010版)結(jié)構(gòu)計算軟件對框架結(jié)構(gòu)坡屋面進行建模計算，比較了兩種不同建模方式計算結(jié)果的差異，研究了不同坡度的坡屋面對斜梁及邊柱計算結(jié)果的影響，得出了一些有意義的結(jié)論。

　　關鍵詞：坡屋面、平屋面、結(jié)構(gòu)方案、斜梁

　　An Analysis of the Structural Design of Sloping Roofs in Framed Structure Buildings

　　Shen Haie

　　(Shanghai Architectural and Engineering Consultant Co., Ltd. 200120)

　　Abstract: This paper adopts PKPM(2010) structure calculation software to model and calculate the sloping roofs in framed structures. This paper compares with the two different modeling and their respective calculating results. Analyzing the effect of diversified slopes on the calculation results of pitched rafter and side columns, obtain some meaningful conclusions.

　　Key words: sloping roof, flat roof, structural scheme, pitched rafter

　　中圖分類號：TB482.2 文獻標識碼：A 文章編號：

　　1 引言：

　　坡屋面作為建筑的第五立面改變了立面造型的單調(diào)性，增加了造型處理的多元化，豐富了屋頂造型的多樣性，賦予建筑物全新外觀，增加了整幢建筑形象的表現(xiàn)力，進而豐富了現(xiàn)有的城市景觀。與平屋面相比坡屋面不僅外形美觀而且還具有保溫節(jié)能、防滲、排水效果好等特點。常見的屋面形式有：單坡、雙坡、四坡、多坡等類型。

　　但在工程結(jié)構(gòu)設計時，坡屋面斜構(gòu)件的設計及構(gòu)造做法目前規(guī)范、手冊里提及的較少且常用的結(jié)構(gòu)計算分析軟件(PKPM等)不能完全準確的對坡屋面進行模擬和分析，一些參數(shù)、荷載輸入和計算結(jié)果的調(diào)整需要結(jié)構(gòu)設計人員自行判斷。所以如何對坡屋面結(jié)構(gòu)進行準確的建模分析是個亟待解決的問題。

　　本文作者根據(jù)工程實例僅對框架結(jié)構(gòu)的四坡坡屋面進行了分析和研究。

　　2 工程實例：

　　本工程為某會所， 2層框架坡屋面結(jié)構(gòu)，屋面坡度為25。。主體屋面檐口結(jié)構(gòu)標高為7.200米，該工程位于江蘇省無錫市。選④~⑤軸線進行單獨建模計算分析。

　　2.1 坡屋面計算方法：

　　大家所熟知的坡屋面計算方法有以下三種：

　　1)：簡化荷載法：先對坡屋面進行結(jié)構(gòu)布置，然后對坡屋面進行荷載簡化，即把復雜的坡屋面轉(zhuǎn)化為集中荷載或均布荷載作用在下部結(jié)構(gòu)上，然后再進行下部結(jié)構(gòu)的設計分析。

　　2)：坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面法。把坡屋面看成一單獨結(jié)構(gòu)層，按投影平面位置輸入結(jié)構(gòu)平面，樓層高度按坡屋面檐口至屋脊高度的一半，頂部有較多平頂時按平頂?shù)母叨却_定層高。這種建模計算比較簡單應用廣泛但不能真實模擬結(jié)構(gòu)形態(tài)，忽略了斜板對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻及斜梁對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平推力使得結(jié)構(gòu)偏柔。

　　3)：根據(jù)實際建模：運用PKPM(2010版)結(jié)構(gòu)軟件設置節(jié)點高或者指定梁端空間坐標建立符合實際的模型，取得較正確的計算結(jié)果。

　　2.2 坡屋面做法：

　　坡屋面常見做法：一是頂部直接做成斜板(該斜板兼作屋面板)，二是：先做一層水平板做屋面板，傾斜部分按照屋面造型做;前者結(jié)構(gòu)造價相對低，但屋面保溫、隔熱及防水做法比較麻煩。后者結(jié)構(gòu)造價相對較高，但屋面防水、保溫隔熱效果好便于施工。但對框架柱的設計應充分考慮三角拱結(jié)構(gòu)對框架柱頂產(chǎn)生的水平推力。

　　2.3 建模方法

　　由于PKPM(2010版)軟件中，對坡屋面可以通過定義節(jié)點高度或梁的左右節(jié)點標高、層間斜撐等來完成傾斜構(gòu)件、樓層的定義，建出與實際工程相一致的結(jié)構(gòu)模型，但根據(jù)PKPM(2010版)軟件所提供的資料可知，該軟件提供的荷載類型中僅有構(gòu)件沿水平或者垂直方向的分布集度，因此用戶輸入的傾斜構(gòu)件(梁除外)的荷載是傾斜構(gòu)件沿水平或者垂直方向的分布集度，并不是傾斜構(gòu)件沿斜長方向的荷載分布。在實際設計中常常被結(jié)構(gòu)設計人員忽略，僅輸入了傾斜構(gòu)件沿斜長方向的荷載分布進而導致計算結(jié)果與實際不符，給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。

　　本工程采用第二種坡屋面做法，本文作者首先采用了文中所提到的2、3兩種建模方法(如圖2所示)利用結(jié)構(gòu)計算軟件PKPM(2010版)進行計算分析，然后采用第3種計算方法對不同坡度(15。、25。、35。)的坡屋面進行計算分析;最后本文作者為了對坡屋面進一步分析采用第3種建模方法對本文提到的相同坡度(25。)的兩種坡屋面進行分析比較(所有計算模型僅坡屋面的建模方式不同其余(截面尺寸、參數(shù)、荷載等)皆相同)。

　　2.3 計算結(jié)果與分析：

　　表格中屋面梁為：圖一結(jié)構(gòu)布置圖中的梁①、梁②;邊框梁為圖一結(jié)構(gòu)布置圖中的梁③;柱為圖一結(jié)構(gòu)布置圖中C軸線上的柱子。

　　1)：表一為坡度為25。坡屋面的兩種不同建模方法得到的計算結(jié)果，由表一可知：

　　實際建模法屋面梁的上部彎矩大于坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面法屋面梁的彎矩，跨中彎矩小于坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面法屋面梁的彎矩，進而使得坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面法的屋面梁配筋大于實際建模法的屋面梁配筋，原因是前者沒有考慮坡屋面受力狀態(tài)與拱、殼類似;其次坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面的建模方法使得邊柱的剛度減小同時忽略了斜板對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻及斜梁對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平推力使得結(jié)構(gòu)偏柔進而柱子計算配筋比實際偏小;最后從表一看出根據(jù)坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面法建模得到邊框梁的彎矩小于根據(jù)實際建模法邊框梁的彎矩，其原因是忽略了斜板對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻及斜梁對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平推力。

　　2)：表二為不同坡度(15。、25。、35。)坡屋面(文中所提第二種坡屋面)的計算結(jié)果，其建模方式皆根據(jù)實際建模。由表二可知：邊框梁彎矩及邊柱配筋差異不大，說明坡度對邊梁及邊柱內(nèi)力影響不太敏感;然而從表二可得出：屋面梁應力(彎矩)隨坡度的增大而減小，屋脊相當于彈性支座的作用，且坡度越大屋脊支座作用越顯著。

　　3)：表三為有水平板的坡屋面和無水平板的坡屋面根據(jù)實際建模法得到的計算結(jié)果，由表三可知：無水平板的坡屋面邊框梁及邊柱計算結(jié)果明顯小于有水平板的坡屋面，因為無水平板的坡屋面拱的作用較弱及沒有水平板傳遞荷載使之邊梁及邊柱內(nèi)力減小所致。而無水平板的坡屋面用結(jié)構(gòu)計算軟件pkpm(2010版)計算的屋面梁②的受力狀態(tài)與坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面法建模計算的結(jié)果相同即屋脊下面受拉;屋面梁①的受力狀態(tài)與有水平板的坡屋面屋面梁受力狀態(tài)形同。

　　3 結(jié)論

　　本文通過實際工程利用結(jié)構(gòu)計算軟件(PKPM，2010)對坡屋面的兩種不同建模方法進行比較，得知坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面法建模計算結(jié)果使得邊柱及邊梁配筋偏小，屋面梁配筋偏大。由于多數(shù)項目工期越來越短，設計人員常采用坡屋面轉(zhuǎn)化為平屋面法進行計算分析，所以在實際工程中則要求結(jié)構(gòu)設計人員對此類型的房屋邊梁及邊柱進行人為放大。若時間允許則建議設計人員根據(jù)實際建模并用現(xiàn)有理論判斷計算結(jié)果是否正確。本文僅是針對實際工程對坡屋面建模計算進行簡單分析，由于每個工程造型、層高、屋面形勢并不相同，所以應根據(jù)實際工程具體分析，不能一概而論。且當今坡屋面應用越來越廣，如何對坡屋面進行精確地建模分析是值得大家共同研究探討的問題。

　　參考文獻

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　　[4] 《PKPM用戶手冊》 中國建筑科學研究院 2010