关于坡屋面框架结构计算结果的判别

2022-06-08甘肃省建筑设计研究院有限公司甘肃兰州730000

建材技术与应用 2022年3期

□□ 张强 (甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

引言

随着我国经济的不断发展，人们对建筑造型和生活环境的要求越来越高。坡屋面结构由于其造型优美，并且在建筑保温隔热及大面积屋面排水等方面有其独特优势，因此，坡屋面设计在工业民用建筑中被越来越多的应用。但坡屋面结构设计中由于其不等高，竖向高度差异较大，并且坡屋顶层与一般平层相比刚度较大，在位移比和刚度比计算中，不同的建模形式会得出不同的计算结果，甚至出现异常结果。本文针对坡屋面计算中存在的刚度比超限等问题结合工程实例，通过不同建模方式所得结果进行对比分析。

1 工程概况

某工程为兰州市七里河区的一栋商业建筑，地上4层，地下3层，建筑总长为50.40 m，宽为25.20 m，建筑主体高度为22.10 m，地上除屋面层外其余层高为5.1 m，屋面层高为3.6 m，建筑立面如图1所示。屋面为坡屋面形式，坡屋面檐口至坡屋面屋脊的高度为6.4 m。地上建筑主要功能为商业、宴会厅，地下建筑主要功能为车库及设备用房。由于建筑功能需要，3、4层宴会厅两层通高，形成楼板不连续，由两块刚性板组成，且形成局部穿层柱，高度为8.70 m。该工程采用钢筋混凝土框架结构，屋楼面采用钢筋混凝土梁板式结构。

图1 建筑立面

2 结构计算及分析

2.1 设计参数

2.1.1地震动参数

该工程震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第三组。建筑场地类别为II类，场地特征周期0.45 s。

2.1.2抗震设防类别

根据GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》[1]和DB62/T 25-3055—2011《(甘肃省)建筑抗震设计规程》[2]，该工程抗震设防类别为乙类(重点设防类)，水平地震作用按8度0.20g计算，按9度采取抗震措施。框架抗震等级为一级。

2.1.3风荷载

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[3]，50年一遇的基本风压取0.30 kN/m2。地面粗糙度为C类。风振舒适度计算时，采用10年一遇的风压0.20 kN/m2。

2.1.4雪荷载

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，基本雪压取0.15 kN/m2。

2.1.5结构设计使用年限及安全等级

根据GB 50068—2018《建筑结构可靠度设计统一标准》[4]，结构设计使用年限为50年，主体结构安全等级为一级。

2.2 整体结构计算软件、分析方法和参数

该工程采用YJK有限元程序，进行竖向荷载和多遇地震下整体结构的常规弹性分析。多遇地震作用计算采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法(CQC)，结构的变形和内力按弹性方法计算。梁、柱采用杆单元，剪力墙采用墙(壳)单元。梁柱节点按刚域考虑，中梁刚度增大系数为2.0，边梁刚度放大系数为1.5，楼板采用刚性楼板假定(构件设计时采用实际楼板刚度)，模拟施工的分层加载，梁扭矩折减系数为0.4。地震作用计算时振型数程序依据质量参与系数>90%自动确定，嵌固部位取在结构±0.00处，并按程序的方法考虑地下周边土的约束，周期折减系数取0.80，阻尼比取0.05。

2.3 结构建模

因工程在3层局部为宴会厅，3、4层局部抽柱通高，抽柱后局部最大跨度为22.2 m，为支撑顶部坡屋面，遂需在坡屋面底标高处设置框架梁(其余部位无梁，楼板开洞)用以梁上起柱来支撑坡屋面。在工程建模中按工程情况进行坡屋面建模，局部进行简化处理，其中局部坡屋面层与下部拖柱层按以下两种形式建模：

(1)将坡屋面层与下部拖柱层分为两层建模(模型一)，拖柱层层高为3.6 m，坡屋面层层高取1 mm，如图2所示。

图2 模型一

(2)将坡屋面层与下部拖柱层合为一层建模(模型二)，其层高为3.6 m，如图3所示。

图3 模型二

为对两种不同建模形式进行比较，两个模型除以上区别外，其计算参数和计算荷载均取相同，其中需特别注意的是坡屋面板应设置为弹性膜，其他平层楼板采用刚性楼板假定，结构整体模型如图4所示。

图4 整体模型

2.4 整体计算指标对比

两种不同建模方式下结构整体计算指标对比见表1～8。

表1 模型一和模型二的周期对比

表3 模型一和模型二的地上楼层地震反应力对比(Y方向)

表4 模型一和模型二的地上楼层位移比对比(X方向)

由表1～8看出，两种建模方式下坡屋面以下各层结构整体指标计算相差很小，其中位移比和楼层侧移刚度误差为0，其余指标(周期、位移角)等正负误差均<3%。因此，不同建模形式对坡屋面以下各层计算的影响可忽略，对坡屋面以下各层的设计两

表5 模型一和模型二的地上楼层位移比对比(Y方向)

表6 模型一和模型二的地上楼层位移角对比(X方向)

表7 模型一和模型二的地上楼层位移角对比(Y方向)

表8 模型一和模型二的地上楼层侧移刚度(剪切刚度)比对比

种建模方式均可。对于坡屋面层，建模中虽然采取了两种方式，但对于整体指标的判断应紧密结合层的概念，模型一虽然将坡屋面层分为两层建模，但建筑结构中，其实际为一层结构。因此对坡屋面层楼层地震反应力的比较中，模型一应取顶部两层之和，即X向取2 991.43(569.97+2 421.46=2 991.43)kN，两者误差为2.2%，Y向取2 991.43(551.95+2 386.25=2 938.20)kN，两者误差为2.3%。

而对于该结构刚度比的验算，由于坡屋面的特殊性，更应该有层的概念，并应对电算结果进行合理判断，不能一味凑指标，造成结构的不合理。由表8可以看出，模型一中除第1层刚度比满足规范要求，其他各层刚度比均不满足要求，程序判断为为薄弱层，显然此结果异常。这是因为模型一建模时将坡屋面分为两层而造成的，这点可以由模型二的结果得以验证，因而对于这种计算结果不应作为设计参考依据，此时应在程序中将薄弱层放大系数改为1.0进行计算(该模型薄弱层放大系数即取1.0)；同样，由模型二计算结果看出，第3层刚度比不满足规范要求，这是由于其上一层为坡屋面层，该层侧向刚度由于坡屋面的特殊性，其本身就较大，并且在计算刚度比时，对坡屋面层的层高取为坡屋面最低点处的高度，这并不能如实反映坡屋面的层高，如果在建模时，按相关规范将坡屋面层高取至主坡高度一半处(各结构构件相对地面高度不变)即层高为6.8 m时，第3层刚度比满足规范要求，所以该层也不是薄弱层。

有以上分析可知，当对两种建模方式刚度比进行合理判断后，其坡屋面以下各层结构整体指标相差不大，满足工程设计精度的要求，均可作为设计的参考依据，而坡屋面层，由于其特殊性(柱顶不在同一标高)，其刚度比的计算并不合理，并不能作为设计依据，对其构件的设计，建议取两种包络。