坡屋顶结构在房建工程中的应用研究

2021-11-16何远志

智能城市 2021年19期

何远志

（深圳市宝明兴建筑工程有限公司，广东深圳 518000）

为满足不断增加的生活需要，建筑的数量也在不断增加，人们对于建筑的建设与功能要求也变得越来越高。人们早已完成了从仅关注房屋建筑的基本功能到外形与功能兼顾的转变。分析近几年的房建工程建设现状可知，大量的工程开始应用坡屋顶结构，在保证其内外部基本功能的同时也维持了建筑美观性，这也是该结构应用频率较高的主要原因。

1 坡屋顶结构的计算模型

1.1 屋顶檐口处不设置水平楼板

如果没有住宅工程中坡屋面的利用需要，在檐口标高处并不需要以设置水平楼板的方式确保结构的应用效果。在此种无须水平楼板的情况下，针对建筑，应根据建筑抗震设计规范中的标准内容进行设计，檐口的标高度应计算在建筑物总高度中。檐口标高处就是建筑的外墙体与屋顶之间结构交叉处得到屋顶结构的板顶位置。为了方便计算，也可以在计算总高度时以檐口标高与建筑顶层楼面标高相减，此时会出现坡屋顶高于檐口标高的部分无法纳入计算过程的情况[1]。

为保证高度计算精度，可以屋顶坡度为基础，提起梁柱的控制节点，将相应数据输入计算软件时需要注意，此时的数据相对于檐口标高值应大于0。

计算软件推荐应用PKPM软件，作为中国建筑研究院应用的工程设计软件，其应用效果较好。该软件还可以输入对应数据后对坡屋顶结构的实际情况进行充分模拟，更立体化向人们展现建筑的全部情况，这一过程对于充分发挥计算模型的作用极为重要。如果需要计算结构，可以根据建筑层数、标高等数据，结合框架与框剪的结构体系计算相应的结果，以保证数据的准确性。

1.2 屋顶檐口处设置水平楼板

部分住宅坡屋顶由于一些特殊原因或建筑结构条件的限制，设计高度较高，在这种情况下为了提高空间的应用有效性或满足结构抗力的需要，应当找准檐口标高处的位置，并搭设水平楼板以保证结构稳定性，满足结构的设计需要[2]。

搭设水平楼板后，此时形成的三角形结构构成了阁楼。根据结构计算规则，阁楼是否有居住价值以及是否具备居住条件均不重要，只要存在阁楼，就应将其纳入计算环节。根据建筑抗震规范设计的相关要求，重点描述了对砌体房屋高度的相关规定，针对此种带有阁楼的特殊的坡层顶层设计，此时计算其层高应由檐口标高起始，计算其到坡屋顶的半高位置。若采取PKPM的软件计算法展开后续设计环节，此时的阁楼层高计算数值不受到相关条件的限制。这是因为与层高位置相对，能够以屋顶坡度数值为依据对梁柱的控制节点采取提起或降低等操作，并对模拟的坡屋顶结构的实际情况进行深入分析，以计算出结构对应的相关数值，满足结构设计的应用需要。

2 坡屋面板的内力分析

2.1 板的内力与板坡角有着紧密联系

假设条件相同的情况下，对应坡角为16°，坡屋面板此时表现出的起拱作用极小。针对此种情况，在计算的过程中以板的全跨L作为计算数值较为妥当，需要注意的是此时全跨L按照平面板进行计算；对应的坡角为18.3°，此时能够凸显拱的作用；坡角对应的角度为21.8°，此时能够明显表现拱的作用，观察坡板能够发现其弯折角弯矩接近0[3]。针对此种情况，以平面板条件下的全跨L的计算方式，得到的数据不具备科学性与合理性。

在计算此数值时没有考虑其与坡角的关系，以此数值为基础进行配筋将会造成极大浪费。为了在此种情况下保证计算数值的准确性，必须在计算的过程中应用更多先进软件，并融入有限元方法，对其最终展示的结构进行深入分析，最终的数值才能够应用至结构配筋过程中，并保证应用效果。需要注意的是，由于此过程涉及的计算内容较多，需要耗费大量的时间与精力，大部分设计单位难以实现，为解决这一问题，应尝试应用条分法采取其他类似的简化计算方式，提高计算效率。

条分法是利用宽扁梁形式对分析对象进行纵横划分，将其分为若干数量的宽等板的具有交叉特性的梁系，并在此基础上以模拟屋面板的实际情况为依据，对其进行完整计算，将参照梁的内里对板作为配筋分析的数据条件。

以尺寸为6.6 m×7.2 m的四坡屋面板为例，此时其对应的坡角大致为25.6°，应以条分法作为此面板的计算方式。需要在此计算过程中应用PKPM软件，SATWE与PMCAD为主要的数值计算程序。

分析最终结果数值，中部中梁对应的内力与配筋均较小，此种条件下按照构造配筋的方式已经能够基本满足数值的计算需要[4]。此时边梁承担的内力较大，在此种情况下考虑边梁的扭转与变形环节，其能够在一定限度上削弱对坡屋面板的约束，实际设计与应用配置坡屋面板钢筋时，应对其进行适当的放大处理。从其实际使用状态与效果来看，具有大跨度特征的板结构的裂缝问题发生风险显著降低，且应用的效果极好。

2.2 规整坡屋面的屋面衍生变化

坡屋面的几种典型形式如图1所示。

图1 坡屋面的几种典型形式

针对规整上衍生变化的屋面情况，进行处理时应采取局部加双层板的方式，阴影部分代表双层板，需要首先保证其余的板材与下层板之间形成具有规整特征的坡屋面板，针对其进行的计算分析可以通过条分法的步骤进行。分析此种结构可知，其上层板可以是下层板的附属构件，对其进行设计时应加强下层板的配筋，同时应对上、下层两处板材的交叉部分进行适当补强处理，达到预期的设计效果。

2.3 具有复杂多变特性的坡屋面

建筑本身具有灵活多变的立体效果展现，无论是外形还是平面不规则，均会影响其立体的效果展示，此时的坡屋面难免会设计出具有不对称与坡度多变特点的复杂形状。

针对复杂多变的屋面情况，仅应用有限元的方式对其进行计算，难以保证计算结果的准确性，为了尽量简化计算流程，可以采取架设斜坡屋面梁的方式，用以分割整板，此时分割的四边支承板面积均较小。若在此种情况下均采用构造配筋的方式，为了满足斜梁的布置需要，应结合屋脊线与处于建筑内部的分隔墙的分布与位置情况，综合考虑多种因素以确保板面整洁且受力明确，为其后续的施工过程提供方便条件，奠定基础。

3 坡屋顶梁设计中存在的主要问题与建议

3.1 檐口梁设计

从以上计算分析过程中能够知晓，若有阁楼层坡屋顶建设的需求，应将其分成两个结构层参与整体的计算过程，但此种情况下不可避免会出现一些矛盾。主要原因是坡屋顶结构在檐口的位置一般都设置框架梁，若将其拆分为两个结构层进行计算，即框架梁将计算两次，进入计算过程中的阁楼梁与屋面梁事实上为同一条[5]。若不对其进行处理，两条梁均参与计算过程后，与檐口梁的受力情况不相符，此时的梁既承担了来自阁楼层的负载，也承担着坡屋顶的负载，与计算所需要的分别承重的计算标准不符，另外由于梁的重复计算，自重也被计算两次，数值不具备准确性。

为解决这一问题，可以采用虚梁与小柱的添加方式模拟导荷，即在此种计算模型下，处于下层位置的梁输入的尺寸数据与檐口量的荷载均为真实数值；处于上层的梁由于其对应的输入界面过小，此时可以将这一高度视为虚梁，此时其仅承担传递载荷的作用。

上、下梁之间由于设置了较多柱子，屋面板产生载荷的同时，其载荷也能够快速传递到下层。设置柱子的数量应根据实际情况与数值计算的准确度而定，通常情况下其数量越多，代表檐口梁承担的集中载荷就越发密集，模拟梁实际承担的具有连续分布特点的载荷时准确度越高，数值的应用有效性也会同时提升。

但需要注意，在这种情况下输入该层数据的层高不应过小，若过小则可能影响柱子的计算长度。此时应用程序对数据进行计算时，认为该层结构的刚度较大，由于存在地震力刚度分配原则，在此种情况下相较于其他层面，该层面将会承担超过以上层面许多倍的地震力，得出的结果也将会出现异常。

3.2 坡屋顶梁梁端设铰

针对外形不规则且坡度较大的坡屋面板，为保证结构应用的安全性，需要以分析建议为依据，设置坡屋顶斜梁，用以对板的尺寸进行划分，同时也为施工的放线定位等提供方便条件。此时可能会出现一个节点存在多根梁与之相接，由于在计算时以连续梁的中间支座固接对其进行计算，最终与节点相连的部分，梁端的配筋量普遍有较大的特征，这种情况在柱子的节点处体现尤为明显。解决此问题需要调幅节点处的负弯矩，采取减少插入支座的钢筋数量的方式，也可以将梁端作为铰接端计算数据。