鋼筋混凝土坡屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工要點研究

沈壘 郭鵬

(機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 河南鄭州 450000)

0 引言

近年來隨著建筑市場的日趨成熟，建筑產(chǎn)品日趨多樣化，坡屋面以其造型美觀、防滲漏、不易積水等優(yōu)點日漸受到人們的青睞，在公共建筑、住宅建筑中應(yīng)用越來越廣泛。而在援外項目中為適應(yīng)當(dāng)?shù)靥厣?，坡屋面更是大量?yīng)用，然而援外項目所在國條件(人工、材料、機械)不理想，施工往往存在困難。在此背景下，做好鋼筋混凝土坡屋面的結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工顯得尤為重要。

基于此，本文以某援外項目為例對坡屋面設(shè)計和施工中應(yīng)關(guān)注的問題進行分析，以期系統(tǒng)地對該類項目的設(shè)計和施工加以指導(dǎo)。

1 項目概況

該項目為援肯尼亞內(nèi)羅畢大學(xué)孔子學(xué)院項目(圖1～圖3)，涵蓋辦公樓、綜合樓、宿舍樓，總建筑面積約6325m2。地上4層局部2層，無地下室，結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ厣?，所有建筑單體均采用坡屋面的結(jié)構(gòu)形式，屋蓋坡度為12°～25°(無悶頂)，掛水泥瓦。

圖1 工程效果圖

圖2 教學(xué)樓立面圖

圖3 教學(xué)樓屋頂平面圖

該工程結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱下獨立基礎(chǔ)。鋼筋強度等級為HRB400E，混凝土強度等級為C30。施工時水泥在當(dāng)?shù)夭少?，限于?dāng)?shù)貤l件，只能采購到硅酸鹽水泥?；炷劣墒┕て髽I(yè)自行拌制，澆筑時采用泵送，無混凝土外加劑。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 軟件選用

目前市場上可對坡屋面進行結(jié)構(gòu)研究的軟件有SATWE、PMSAP、SAP2000、MIDAS/GEN、ANSYS等。

各種軟件依據(jù)其側(cè)重點應(yīng)用在不同的場景中，一般來說ANSYS、SAP2000多應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究；MIDAS/GEN既可應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究，也可在復(fù)雜工程中使用；SATWE、PMSAP均屬PKPM設(shè)計模塊，一般應(yīng)用在工程設(shè)計領(lǐng)域。初期的PKPM有很多局限性，隨著軟件的不斷完善，一些問題逐步得到了解決，比如目前PKPM對于斜板的作用已能正確分析。

2.2 荷載處理

荷載的準確計算是結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提條件，從荷載類型上來說，坡屋面需考慮恒荷載、活荷載等，與常規(guī)屋面一致。同時，結(jié)合坡屋面的特殊性，進行坡屋面設(shè)計時，無論恒活荷載均要注意考慮屋面坡度的影響，如以平屋面代替坡屋面建模，則恒荷載一定要除以坡度余弦值；另一方面，坡屋面四周出于建筑立面的考慮，往往會設(shè)置一圈檐溝，如模型簡化(未將檐溝建入模型)，則在荷載計算上也要予以考慮。

2.3 受力簡述

好的結(jié)構(gòu)設(shè)計一定是基于全面的力學(xué)行為研究，準確掌握坡屋面的受力性能對于做好坡屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。

有限元研究表明，結(jié)構(gòu)隨屋面坡度的增加側(cè)向剛度逐漸變?nèi)?、周期逐漸增加[1]，在實際設(shè)計中可據(jù)此判斷軟件所建模型是否合理。常規(guī)的結(jié)構(gòu)梁板屬于受彎構(gòu)件，由于坡度的存在使得坡屋面上梁板成壓彎構(gòu)件[2]，在設(shè)計時最好應(yīng)注意上部縱筋通長設(shè)置。在豎向荷載作用下，坡屋面結(jié)構(gòu)會對兩邊豎向支撐構(gòu)件產(chǎn)生一定的水平推力，SATWE得出的柱頂彎矩偏小，與屋面斜梁相連的柱配筋應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加[2]。坡屋面的屋面板折角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時屋脊線法線方向有拉應(yīng)力存在[1]，在設(shè)計中應(yīng)對折板相交處做局部加強處理，屋脊處施工時應(yīng)加強對板面筋的保護，防止被人踩踏，達不到抵抗拉應(yīng)力的作用。屋脊梁是坡屋面板的支撐點，與平屋面不同的是這里屋面板和屋脊梁之間存在一定的角度，所以在具體計算屋脊梁時其兩側(cè)屋面板抗彎剛度的貢獻不應(yīng)當(dāng)考慮，設(shè)計時應(yīng)按照矩形梁而非T形梁配筋[3]，建議設(shè)計時對主要屋脊梁進行手算校核。隨著屋面坡度的增加，邊柱軸力逐漸增大，中柱軸力逐漸變?。欢凑蘸喕Ｐ?平屋面模型)算得的柱子受力因未考慮屋面坡度的影響，使得中柱的受力較真實情況偏大，偏保守，邊柱內(nèi)力較真實情況偏小，偏不安全。同時，隨著屋面坡度的增加，樓層水平向邊框梁軸壓力逐漸變小，梁端及跨中彎矩以及梁端剪力則逐漸變大；斜向框架梁的軸壓力則隨之增大，而梁端剪力則逐漸變小[4]。

根據(jù)坡屋面的受力變化情況，坡屋面角度轉(zhuǎn)折處的配筋至關(guān)重要，設(shè)計必須對此位置鋼筋配置予以明確，避免施工錯誤。典型配筋示意如圖4～圖5所示(實際施工應(yīng)根據(jù)彎折方向進行選用，這里僅為典型示例)。

圖4 折梁鋼筋布置圖

圖5 折板鋼筋布置圖

2.4 PKPM模型關(guān)鍵問題

PKPM中斜梁的輸入方式有兩種：第一種是采用上節(jié)點高命令；第二種是輸入梁兩端的梁頂標高。第一種方法應(yīng)用較廣，因為如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件的2個節(jié)點標高調(diào)整，與此構(gòu)件相連接的其他構(gòu)件的標高隨之調(diào)整。第二種輸入梁頂標高一般用于定義個別的層間梁和錯層梁。另外需要注意上節(jié)點高命令具體操作時應(yīng)采用降節(jié)點高度的方法，即輸入屋脊節(jié)點高度，然后降周邊節(jié)點[5]，這主要是基于正確考慮風(fēng)荷載的需要。

分析表明，隨著屋面板坡度的逐漸變大，板內(nèi)彎矩和應(yīng)力整體呈現(xiàn)減少的趨勢；板的彎折角度越大，其支座效應(yīng)越明顯[1]。鑒于此，不建議坡屋面設(shè)計時過多設(shè)梁，僅需按照平面設(shè)梁思路考慮即可。

為了確保相應(yīng)荷載在坡屋面上能夠準確地傳導(dǎo)，建模時需要在坡屋面模型的下口設(shè)置一個封邊梁。坡屋面模型樓層外圈的封邊梁和其相鄰樓層的外圈封邊梁位置相重合。PKPM對此采取合并機制，當(dāng)下層模型為框梁時，可在坡屋面模型樓層建立一道100×100的虛梁，或者是尺寸相一致的框架梁；如果下層模型為剪力墻，則只能夠按照100×100的虛梁來建模(圖6)。封邊梁的主要作用就是保證屋面板的正確生成和荷載的準確傳導(dǎo)。鑒于封邊梁的同一位置同時布置著下一層的樓面梁，因此程序在具體計算時只會保留其中一條梁，而把上一層虛梁或者樓層梁上的荷載導(dǎo)到下一層模型上的樓層梁上面。

圖6 PKPM結(jié)構(gòu)整樓模型

只有首先存在明確的樓層概念，才可以準確討論層剛度比，具體到坡屋面而言，結(jié)構(gòu)意義上層的概念并不明晰，所以無法從層剛度比的概念上分析坡屋面，但坡屋面的其它樓層需要考慮層剛度。位移比分析的前提是樓層能夠滿足剛性樓板的基本假定，但是坡屋面的屋面板是依據(jù)彈性板6或者彈性膜來分析計算的，不能滿足剛性樓板的約束條件，故坡屋面部分的位移比指標不具有指導(dǎo)意義，然而坡屋面的其它層依然要重視位移比指標[4-5]。

2.5 設(shè)計建議

(1)由于與平板受力的本質(zhì)區(qū)別，故坡屋面板的配筋應(yīng)在受力分析的基礎(chǔ)上人工調(diào)整配筋。建議坡屋面板厚不小于120mm，雙層雙向通長布置配筋，并建議適當(dāng)減少鋼筋的間距。

(2)為便于施工，避免錯誤，建議坡屋面結(jié)構(gòu)繪圖時，繪制多角度不同區(qū)域詳細的剖面定位圖。

(3)建議設(shè)計院組織設(shè)計人員繪制坡屋面標準構(gòu)造大樣圖集，形成知識庫，提高設(shè)計標準化。如節(jié)點鋼筋錨固、梁箍筋做法等均較平屋面有所不同，有必要予以明確。

(4)坡屋面不可避免存在多根梁相交于一點，此時節(jié)點鋼筋錨固較為困難，建議鋼筋規(guī)格選用上有所考慮。

(5)坡屋面造型復(fù)雜，建議在PKPM建模時力求主體骨架一致，細節(jié)部分選擇性舍棄，以避免軟件計算錯誤。

3 坡屋面結(jié)構(gòu)施工要點

3.1 模板工程

模板工程的質(zhì)量直接影響混凝土的質(zhì)量，要求模板安裝必須保證位置準確、支撐穩(wěn)固、接縫嚴密、表面平整。

屋面模板施工前應(yīng)先研究圖紙，根據(jù)圖紙中表現(xiàn)的坡屋面構(gòu)件關(guān)系準確計算出施工中所需的各種細部尺寸，具體操作可借助CAD軟件。施工中應(yīng)當(dāng)首先定出各屋脊線上的梁兩端標高，鋪設(shè)梁底膜、梁側(cè)模，并以此為基準線結(jié)合計算結(jié)果定出各坡屋面構(gòu)件的實際走向和坡度。

當(dāng)屋面坡度大于25°時，由于自重混凝土有向下滑動的趨勢，應(yīng)采用類似剪力墻的雙層模板?？紤]到現(xiàn)場實際情況，為避免施工時混凝土由于自重沿坡屋面模板向下流墜，在坡度允許時可以沿平行于屋脊方向每隔1m設(shè)置一道鋼絲網(wǎng)進行攔截。

不同于平屋面，坡屋面的模板支撐系統(tǒng)將受到斜屋面?zhèn)鱽淼乃酵屏?，因此，模板支撐必須增設(shè)水平橫桿以及斜撐與屋面承重架體連接成為整體(圖7)，以避免屋面結(jié)構(gòu)澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平方向作用力破壞屋面支撐系統(tǒng)而引起屋面混凝土板的撓曲變形甚至澆筑混凝土?xí)r架體坍塌[3]。

圖7 支撐體系設(shè)計模型

3.2 鋼筋工程

坡屋面鋼筋放樣至關(guān)重要，施工前需仔細領(lǐng)會圖紙，理解各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的空間關(guān)系；同時應(yīng)關(guān)注坡屋面構(gòu)件節(jié)點的大樣做法，在鋼筋放樣時尤其要注意折梁、折板鋼筋的彎折角度及斷開位置。此外，坡屋面的梁箍筋在施工放樣時，根據(jù)其在坡屋面的位置可能存在某些梁段箍筋一邊或幾邊為斜邊的情況，此種情況下要注意與設(shè)計確認梁高具體到哪個位置(圖8)。

圖8 坡屋面箍筋類型示意圖

坡屋面在進行鋼筋安裝操作時，應(yīng)在四周搭設(shè)操作平臺，如果坡屋面過陡，還要注意在模板上釘臨時防滑條及架設(shè)扶手，便于工人操作。

鋼筋安裝完畢后，為避免人員踩踏，要注意在上下層板鋼筋之間設(shè)置馬鐙以及在馬鐙上放置架板。馬鐙的設(shè)置，建議結(jié)合坡屋面坡度、屋面建筑做法、保護層厚度等因素特殊制作(圖9)。

其中坡屋面構(gòu)造做法如下：

①屋面瓦；

②掛瓦條30×30(h),中距按照瓦材規(guī)格；

③順水條30×30(h),@500；

④35mm厚C15細石混凝土(配Φ6@500×500鋼筋網(wǎng))；

⑤50mm厚擠塑聚苯板,使用DEA砂漿粘貼；

⑥防水層：3mm厚熱熔型聚酯胎SBS改性瀝青防水卷材；

⑦找平層：15mm厚1∶3水泥砂漿；

⑧鋼筋混凝土屋面板,從板內(nèi)伸出Φ8鋼筋,伸出屋面板110mm,雙向中距1000mm。

圖9 本項目特殊制作的“上”字形馬鐙

3.3 混凝土工程

坡屋面混凝土澆筑，首先要對進場混凝土坍落度進行控制?？紤]到屋面存在坡度，施工中混凝土稍一振搗即發(fā)生流淌，難以保證施工質(zhì)量，因此要求混凝土塌落度既不能過小也不能過大，因為如果過小無法泵送，過大將迅速流淌，建議屋面混凝土坍落度控制在10cm左右。

坡屋面的澆筑順序同樣很關(guān)鍵，這是因為坡屋面混凝土產(chǎn)生的水平力對支撐架體的穩(wěn)定性影響很大，因此，坡屋面混凝土的澆筑順序上嚴格要求對稱進行，并且不允許一次將整個斜面澆筑完成。此外為保證施工質(zhì)量，嚴禁在澆筑混凝土?xí)r采取自上而下的澆筑順序，因為這樣將導(dǎo)致混凝土振搗時向下流動致使難以振搗充分，引起蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷[6]。

由于混凝土澆筑時系采用對稱、自下而上的澆筑方式，時間上周期相較于常規(guī)屋面會稍長，為避免或減少施工冷縫的出現(xiàn)，建議在混凝土中摻假緩凝劑并應(yīng)當(dāng)保證屋面澆筑時混凝土的連續(xù)供應(yīng)。

為保證作業(yè)工人在坡屋面上的安全，坡屋面混凝土澆筑時要在屋面板上搭設(shè)鋼管架。

坡屋面混凝土澆筑時要求隨澆筑隨振搗，嚴格保證振搗質(zhì)量，澆筑完成后要及時收面，板與板交線處拉線收頭，屋脊線要求順直、對稱。

坡屋面施工完畢后應(yīng)及時養(yǎng)護，要求混凝土表面處于濕潤狀態(tài)至少7d，防止坡屋面混凝土由于收縮裂縫的產(chǎn)生引起滲漏現(xiàn)象的發(fā)生。考慮到坡屋面的坡度影響，灑水養(yǎng)護時屋面留不住水，一定程度上影響了養(yǎng)護效果，建議坡屋面澆筑完成后立即進行覆膜，在此基礎(chǔ)上進行定期灑水養(yǎng)護。

與此同時，屋面混凝土板強度只有達到或超過設(shè)計強度70%時方可上料[7]，以防止因支撐系統(tǒng)及模板的抖動導(dǎo)致屋面混凝土的開裂。如確需行走，應(yīng)提前設(shè)置通道。

4 結(jié)語

由于坡屋面的構(gòu)件關(guān)系復(fù)雜、變坡轉(zhuǎn)折多、細部節(jié)點復(fù)雜，使得坡屋面的設(shè)計與施工相對繁瑣。本文的論述旨在將坡屋面的設(shè)計與施工有機結(jié)合，從系統(tǒng)的角度考慮問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時正確選擇計算軟件、進行參數(shù)處理、計算結(jié)果優(yōu)化；在施工過程中注意結(jié)合坡屋面的特殊情況進行區(qū)別對待，從原材料的控制、模板支撐的特殊處理、鋼筋加工的精度控制多方面把控，最終保證實現(xiàn)工程預(yù)期效果。

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