坡屋頂結(jié)構(gòu)在房建工程中的應用研究

何遠志

（深圳市寶明興建筑工程有限公司，廣東深圳 518000）

為滿足不斷增加的生活需要，建筑的數(shù)量也在不斷增加，人們對于建筑的建設與功能要求也變得越來越高。人們早已完成了從僅關注房屋建筑的基本功能到外形與功能兼顧的轉(zhuǎn)變。分析近幾年的房建工程建設現(xiàn)狀可知，大量的工程開始應用坡屋頂結(jié)構(gòu)，在保證其內(nèi)外部基本功能的同時也維持了建筑美觀性，這也是該結(jié)構(gòu)應用頻率較高的主要原因。

1 坡屋頂結(jié)構(gòu)的計算模型

1.1 屋頂檐口處不設置水平樓板

如果沒有住宅工程中坡屋面的利用需要，在檐口標高處并不需要以設置水平樓板的方式確保結(jié)構(gòu)的應用效果。在此種無須水平樓板的情況下，針對建筑，應根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范中的標準內(nèi)容進行設計，檐口的標高度應計算在建筑物總高度中。檐口標高處就是建筑的外墻體與屋頂之間結(jié)構(gòu)交叉處得到屋頂結(jié)構(gòu)的板頂位置。為了方便計算，也可以在計算總高度時以檐口標高與建筑頂層樓面標高相減，此時會出現(xiàn)坡屋頂高于檐口標高的部分無法納入計算過程的情況[1]。

為保證高度計算精度，可以屋頂坡度為基礎，提起梁柱的控制節(jié)點，將相應數(shù)據(jù)輸入計算軟件時需要注意，此時的數(shù)據(jù)相對于檐口標高值應大于0。

計算軟件推薦應用PKPM軟件，作為中國建筑研究院應用的工程設計軟件，其應用效果較好。該軟件還可以輸入對應數(shù)據(jù)后對坡屋頂結(jié)構(gòu)的實際情況進行充分模擬，更立體化向人們展現(xiàn)建筑的全部情況，這一過程對于充分發(fā)揮計算模型的作用極為重要。如果需要計算結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)建筑層數(shù)、標高等數(shù)據(jù)，結(jié)合框架與框剪的結(jié)構(gòu)體系計算相應的結(jié)果，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

1.2 屋頂檐口處設置水平樓板

部分住宅坡屋頂由于一些特殊原因或建筑結(jié)構(gòu)條件的限制，設計高度較高，在這種情況下為了提高空間的應用有效性或滿足結(jié)構(gòu)抗力的需要，應當找準檐口標高處的位置，并搭設水平樓板以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，滿足結(jié)構(gòu)的設計需要[2]。

搭設水平樓板后，此時形成的三角形結(jié)構(gòu)構(gòu)成了閣樓。根據(jù)結(jié)構(gòu)計算規(guī)則，閣樓是否有居住價值以及是否具備居住條件均不重要，只要存在閣樓，就應將其納入計算環(huán)節(jié)。根據(jù)建筑抗震規(guī)范設計的相關要求，重點描述了對砌體房屋高度的相關規(guī)定，針對此種帶有閣樓的特殊的坡層頂層設計，此時計算其層高應由檐口標高起始，計算其到坡屋頂?shù)陌敫呶恢?。若采取PKPM的軟件計算法展開后續(xù)設計環(huán)節(jié)，此時的閣樓層高計算數(shù)值不受到相關條件的限制。這是因為與層高位置相對，能夠以屋頂坡度數(shù)值為依據(jù)對梁柱的控制節(jié)點采取提起或降低等操作，并對模擬的坡屋頂結(jié)構(gòu)的實際情況進行深入分析，以計算出結(jié)構(gòu)對應的相關數(shù)值，滿足結(jié)構(gòu)設計的應用需要。

2 坡屋面板的內(nèi)力分析

2.1 板的內(nèi)力與板坡角有著緊密聯(lián)系

假設條件相同的情況下，對應坡角為16°，坡屋面板此時表現(xiàn)出的起拱作用極小。針對此種情況，在計算的過程中以板的全跨L作為計算數(shù)值較為妥當，需要注意的是此時全跨L按照平面板進行計算；對應的坡角為18.3°，此時能夠凸顯拱的作用；坡角對應的角度為21.8°，此時能夠明顯表現(xiàn)拱的作用，觀察坡板能夠發(fā)現(xiàn)其彎折角彎矩接近0[3]。針對此種情況，以平面板條件下的全跨L的計算方式，得到的數(shù)據(jù)不具備科學性與合理性。

在計算此數(shù)值時沒有考慮其與坡角的關系，以此數(shù)值為基礎進行配筋將會造成極大浪費。為了在此種情況下保證計算數(shù)值的準確性，必須在計算的過程中應用更多先進軟件，并融入有限元方法，對其最終展示的結(jié)構(gòu)進行深入分析，最終的數(shù)值才能夠應用至結(jié)構(gòu)配筋過程中，并保證應用效果。需要注意的是，由于此過程涉及的計算內(nèi)容較多，需要耗費大量的時間與精力，大部分設計單位難以實現(xiàn)，為解決這一問題，應嘗試應用條分法采取其他類似的簡化計算方式，提高計算效率。

條分法是利用寬扁梁形式對分析對象進行縱橫劃分，將其分為若干數(shù)量的寬等板的具有交叉特性的梁系，并在此基礎上以模擬屋面板的實際情況為依據(jù)，對其進行完整計算，將參照梁的內(nèi)里對板作為配筋分析的數(shù)據(jù)條件。

以尺寸為6.6 m×7.2 m的四坡屋面板為例，此時其對應的坡角大致為25.6°，應以條分法作為此面板的計算方式。需要在此計算過程中應用PKPM軟件，SATWE與PMCAD為主要的數(shù)值計算程序。

分析最終結(jié)果數(shù)值，中部中梁對應的內(nèi)力與配筋均較小，此種條件下按照構(gòu)造配筋的方式已經(jīng)能夠基本滿足數(shù)值的計算需要[4]。此時邊梁承擔的內(nèi)力較大，在此種情況下考慮邊梁的扭轉(zhuǎn)與變形環(huán)節(jié)，其能夠在一定限度上削弱對坡屋面板的約束，實際設計與應用配置坡屋面板鋼筋時，應對其進行適當?shù)姆糯筇幚怼钠鋵嶋H使用狀態(tài)與效果來看，具有大跨度特征的板結(jié)構(gòu)的裂縫問題發(fā)生風險顯著降低，且應用的效果極好。

2.2 規(guī)整坡屋面的屋面衍生變化

坡屋面的幾種典型形式如圖1所示。

圖1 坡屋面的幾種典型形式

針對規(guī)整上衍生變化的屋面情況，進行處理時應采取局部加雙層板的方式，陰影部分代表雙層板，需要首先保證其余的板材與下層板之間形成具有規(guī)整特征的坡屋面板，針對其進行的計算分析可以通過條分法的步驟進行。分析此種結(jié)構(gòu)可知，其上層板可以是下層板的附屬構(gòu)件，對其進行設計時應加強下層板的配筋，同時應對上、下層兩處板材的交叉部分進行適當補強處理，達到預期的設計效果。

2.3 具有復雜多變特性的坡屋面

建筑本身具有靈活多變的立體效果展現(xiàn)，無論是外形還是平面不規(guī)則，均會影響其立體的效果展示，此時的坡屋面難免會設計出具有不對稱與坡度多變特點的復雜形狀。

針對復雜多變的屋面情況，僅應用有限元的方式對其進行計算，難以保證計算結(jié)果的準確性，為了盡量簡化計算流程，可以采取架設斜坡屋面梁的方式，用以分割整板，此時分割的四邊支承板面積均較小。若在此種情況下均采用構(gòu)造配筋的方式，為了滿足斜梁的布置需要，應結(jié)合屋脊線與處于建筑內(nèi)部的分隔墻的分布與位置情況，綜合考慮多種因素以確保板面整潔且受力明確，為其后續(xù)的施工過程提供方便條件，奠定基礎。

3 坡屋頂梁設計中存在的主要問題與建議

3.1 檐口梁設計

從以上計算分析過程中能夠知曉，若有閣樓層坡屋頂建設的需求，應將其分成兩個結(jié)構(gòu)層參與整體的計算過程，但此種情況下不可避免會出現(xiàn)一些矛盾。主要原因是坡屋頂結(jié)構(gòu)在檐口的位置一般都設置框架梁，若將其拆分為兩個結(jié)構(gòu)層進行計算，即框架梁將計算兩次，進入計算過程中的閣樓梁與屋面梁事實上為同一條[5]。若不對其進行處理，兩條梁均參與計算過程后，與檐口梁的受力情況不相符，此時的梁既承擔了來自閣樓層的負載，也承擔著坡屋頂?shù)呢撦d，與計算所需要的分別承重的計算標準不符，另外由于梁的重復計算，自重也被計算兩次，數(shù)值不具備準確性。

為解決這一問題，可以采用虛梁與小柱的添加方式模擬導荷，即在此種計算模型下，處于下層位置的梁輸入的尺寸數(shù)據(jù)與檐口量的荷載均為真實數(shù)值；處于上層的梁由于其對應的輸入界面過小，此時可以將這一高度視為虛梁，此時其僅承擔傳遞載荷的作用。

上、下梁之間由于設置了較多柱子，屋面板產(chǎn)生載荷的同時，其載荷也能夠快速傳遞到下層。設置柱子的數(shù)量應根據(jù)實際情況與數(shù)值計算的準確度而定，通常情況下其數(shù)量越多，代表檐口梁承擔的集中載荷就越發(fā)密集，模擬梁實際承擔的具有連續(xù)分布特點的載荷時準確度越高，數(shù)值的應用有效性也會同時提升。

但需要注意，在這種情況下輸入該層數(shù)據(jù)的層高不應過小，若過小則可能影響柱子的計算長度。此時應用程序?qū)?shù)據(jù)進行計算時，認為該層結(jié)構(gòu)的剛度較大，由于存在地震力剛度分配原則，在此種情況下相較于其他層面，該層面將會承擔超過以上層面許多倍的地震力，得出的結(jié)果也將會出現(xiàn)異常。

3.2 坡屋頂梁梁端設鉸

針對外形不規(guī)則且坡度較大的坡屋面板，為保證結(jié)構(gòu)應用的安全性，需要以分析建議為依據(jù)，設置坡屋頂斜梁，用以對板的尺寸進行劃分，同時也為施工的放線定位等提供方便條件。此時可能會出現(xiàn)一個節(jié)點存在多根梁與之相接，由于在計算時以連續(xù)梁的中間支座固接對其進行計算，最終與節(jié)點相連的部分，梁端的配筋量普遍有較大的特征，這種情況在柱子的節(jié)點處體現(xiàn)尤為明顯。解決此問題需要調(diào)幅節(jié)點處的負彎矩，采取減少插入支座的鋼筋數(shù)量的方式，也可以將梁端作為鉸接端計算數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，坡屋頂作為現(xiàn)階段常用的房建工程結(jié)構(gòu)，其突出的應用優(yōu)勢使其在建筑行業(yè)中的應用頻率越來越高。通過對其結(jié)構(gòu)與計算數(shù)值等進行深入探究，結(jié)構(gòu)受力分析表現(xiàn)更合理，計算更簡便，為結(jié)構(gòu)應用安全性與美觀性進一步提升奠定了堅實的基礎。