關(guān)于坡屋面框架結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的判別

□□ 張 強(qiáng) (甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑造型和生活環(huán)境的要求越來(lái)越高。坡屋面結(jié)構(gòu)由于其造型優(yōu)美，并且在建筑保溫隔熱及大面積屋面排水等方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此，坡屋面設(shè)計(jì)在工業(yè)民用建筑中被越來(lái)越多的應(yīng)用。但坡屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中由于其不等高，豎向高度差異較大，并且坡屋頂層與一般平層相比剛度較大，在位移比和剛度比計(jì)算中，不同的建模形式會(huì)得出不同的計(jì)算結(jié)果，甚至出現(xiàn)異常結(jié)果。本文針對(duì)坡屋面計(jì)算中存在的剛度比超限等問(wèn)題結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)不同建模方式所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

某工程為蘭州市七里河區(qū)的一棟商業(yè)建筑，地上4層，地下3層，建筑總長(zhǎng)為50.40 m，寬為25.20 m，建筑主體高度為22.10 m，地上除屋面層外其余層高為5.1 m，屋面層高為3.6 m，建筑立面如圖1所示。屋面為坡屋面形式，坡屋面檐口至坡屋面屋脊的高度為6.4 m。地上建筑主要功能為商業(yè)、宴會(huì)廳，地下建筑主要功能為車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房。由于建筑功能需要，3、4層宴會(huì)廳兩層通高，形成樓板不連續(xù)，由兩塊剛性板組成，且形成局部穿層柱，高度為8.70 m。該工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋樓面采用鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)。

圖1 建筑立面

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.1地震動(dòng)參數(shù)

該工程震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)，場(chǎng)地特征周期0.45 s。

2.1.2抗震設(shè)防類(lèi)別

根據(jù)GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》[1]和DB62/T 25-3055—2011《(甘肅省)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]，該工程抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)(重點(diǎn)設(shè)防類(lèi))，水平地震作用按8度0.20g計(jì)算，按9度采取抗震措施。框架抗震等級(jí)為一級(jí)。

2.1.3風(fēng)荷載

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]，50年一遇的基本風(fēng)壓取0.30 kN/m2。地面粗糙度為C類(lèi)。風(fēng)振舒適度計(jì)算時(shí)，采用10年一遇的風(fēng)壓0.20 kN/m2。

2.1.4雪荷載

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，基本雪壓取0.15 kN/m2。

2.1.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限及安全等級(jí)

根據(jù)GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[4]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，主體結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。

2.2 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件、分析方法和參數(shù)

該工程采用YJK有限元程序，進(jìn)行豎向荷載和多遇地震下整體結(jié)構(gòu)的常規(guī)彈性分析。多遇地震作用計(jì)算采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法(CQC)，結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力按彈性方法計(jì)算。梁、柱采用桿單元，剪力墻采用墻(殼)單元。梁柱節(jié)點(diǎn)按剛域考慮，中梁剛度增大系數(shù)為2.0，邊梁剛度放大系數(shù)為1.5，樓板采用剛性樓板假定(構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用實(shí)際樓板剛度)，模擬施工的分層加載，梁扭矩折減系數(shù)為0.4。地震作用計(jì)算時(shí)振型數(shù)程序依據(jù)質(zhì)量參與系數(shù)>90%自動(dòng)確定，嵌固部位取在結(jié)構(gòu)±0.00處，并按程序的方法考慮地下周邊土的約束，周期折減系數(shù)取0.80，阻尼比取0.05。

2.3 結(jié)構(gòu)建模

因工程在3層局部為宴會(huì)廳，3、4層局部抽柱通高，抽柱后局部最大跨度為22.2 m，為支撐頂部坡屋面，遂需在坡屋面底標(biāo)高處設(shè)置框架梁(其余部位無(wú)梁，樓板開(kāi)洞)用以梁上起柱來(lái)支撐坡屋面。在工程建模中按工程情況進(jìn)行坡屋面建模，局部進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其中局部坡屋面層與下部拖柱層按以下兩種形式建模：

(1)將坡屋面層與下部拖柱層分為兩層建模(模型一)，拖柱層層高為3.6 m，坡屋面層層高取1 mm，如圖2所示。

圖2 模型一

(2)將坡屋面層與下部拖柱層合為一層建模(模型二)，其層高為3.6 m，如圖3所示。

圖3 模型二

為對(duì)兩種不同建模形式進(jìn)行比較，兩個(gè)模型除以上區(qū)別外，其計(jì)算參數(shù)和計(jì)算荷載均取相同，其中需特別注意的是坡屋面板應(yīng)設(shè)置為彈性膜，其他平層樓板采用剛性樓板假定，結(jié)構(gòu)整體模型如圖4所示。

圖4 整體模型

2.4 整體計(jì)算指標(biāo)對(duì)比

兩種不同建模方式下結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1～8。

表1 模型一和模型二的周期對(duì)比

表3 模型一和模型二的地上樓層地震反應(yīng)力對(duì)比(Y方向)

表4 模型一和模型二的地上樓層位移比對(duì)比(X方向)

由表1～8看出，兩種建模方式下坡屋面以下各層結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計(jì)算相差很小，其中位移比和樓層側(cè)移剛度誤差為0，其余指標(biāo)(周期、位移角)等正負(fù)誤差均<3%。因此，不同建模形式對(duì)坡屋面以下各層計(jì)算的影響可忽略，對(duì)坡屋面以下各層的設(shè)計(jì)兩

表5 模型一和模型二的地上樓層位移比對(duì)比(Y方向)

表6 模型一和模型二的地上樓層位移角對(duì)比(X方向)

表7 模型一和模型二的地上樓層位移角對(duì)比(Y方向)

表8 模型一和模型二的地上樓層側(cè)移剛度(剪切剛度)比對(duì)比

種建模方式均可。對(duì)于坡屋面層，建模中雖然采取了兩種方式，但對(duì)于整體指標(biāo)的判斷應(yīng)緊密結(jié)合層的概念，模型一雖然將坡屋面層分為兩層建模，但建筑結(jié)構(gòu)中，其實(shí)際為一層結(jié)構(gòu)。因此對(duì)坡屋面層樓層地震反應(yīng)力的比較中，模型一應(yīng)取頂部?jī)蓪又?，即X向取2 991.43(569.97+2 421.46=2 991.43)kN，兩者誤差為2.2%，Y向取2 991.43(551.95+2 386.25=2 938.20)kN，兩者誤差為2.3%。

而對(duì)于該結(jié)構(gòu)剛度比的驗(yàn)算，由于坡屋面的特殊性，更應(yīng)該有層的概念，并應(yīng)對(duì)電算結(jié)果進(jìn)行合理判斷，不能一味湊指標(biāo)，造成結(jié)構(gòu)的不合理。由表8可以看出，模型一中除第1層剛度比滿足規(guī)范要求，其他各層剛度比均不滿足要求，程序判斷為為薄弱層，顯然此結(jié)果異常。這是因?yàn)槟Ｐ鸵唤r(shí)將坡屋面分為兩層而造成的，這點(diǎn)可以由模型二的結(jié)果得以驗(yàn)證，因而對(duì)于這種計(jì)算結(jié)果不應(yīng)作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)，此時(shí)應(yīng)在程序中將薄弱層放大系數(shù)改為1.0進(jìn)行計(jì)算(該模型薄弱層放大系數(shù)即取1.0)；同樣，由模型二計(jì)算結(jié)果看出，第3層剛度比不滿足規(guī)范要求，這是由于其上一層為坡屋面層，該層側(cè)向剛度由于坡屋面的特殊性，其本身就較大，并且在計(jì)算剛度比時(shí)，對(duì)坡屋面層的層高取為坡屋面最低點(diǎn)處的高度，這并不能如實(shí)反映坡屋面的層高，如果在建模時(shí)，按相關(guān)規(guī)范將坡屋面層高取至主坡高度一半處(各結(jié)構(gòu)構(gòu)件相對(duì)地面高度不變)即層高為6.8 m時(shí)，第3層剛度比滿足規(guī)范要求，所以該層也不是薄弱層。

有以上分析可知，當(dāng)對(duì)兩種建模方式剛度比進(jìn)行合理判斷后，其坡屋面以下各層結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)相差不大，滿足工程設(shè)計(jì)精度的要求，均可作為設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，而坡屋面層，由于其特殊性(柱頂不在同一標(biāo)高)，其剛度比的計(jì)算并不合理，并不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)其構(gòu)件的設(shè)計(jì)，建議取兩種包絡(luò)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的加強(qiáng)措施

因該工程存在樓板不連續(xù)且有穿層柱，在設(shè)計(jì)中還需采取以下加強(qiáng)措施：

(1)樓板削弱部位加大板厚，并雙層雙向配筋，每層每方向配筋率≮0.25%。

(2)削弱部位的樓板采用符合樓板平面內(nèi)剛度變化的計(jì)算模型，計(jì)入樓板局部變形的影響。

(3)坡屋面錯(cuò)層處短柱軸壓比限值按0.6控制，箍筋采用井字復(fù)合箍，最小體積配箍率按1.2%控制。箍筋間距為100 mm全高加密。

(4)對(duì)坡屋面層處存在的單邊梁、穿層柱按中震彈性進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于坡屋面下局部有梁用以梁上起柱來(lái)支撐坡屋面與該工程類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，無(wú)論坡屋面為一層建模還是分兩層建模，對(duì)坡屋面下樓層設(shè)計(jì)均無(wú)影響。

(2)當(dāng)坡屋面分兩層建模時(shí)，可能會(huì)造成坡屋面下3層層剛度比異常，應(yīng)仔細(xì)分析原因，要有層的概念，以確定電算結(jié)果是否異常，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，不應(yīng)盲從結(jié)果而硬調(diào)結(jié)構(gòu)。

(3)坡屋面層建模時(shí)層高的確定對(duì)坡屋面剛度比有重要影響，應(yīng)結(jié)合規(guī)范要求及工程情況進(jìn)行合理的確定，以如實(shí)反映結(jié)構(gòu)情況。