坡屋面Word下载.docx

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接下来在说说静力计算问题。

这里以四边简支的单向板为例来讨论倾斜构件的荷载特点。

对于一个倾斜构件，其荷载g’+q’为沿斜向板长每延一米的屋面自重（包括防水层、找平层、保温层、结构板自重、板底抹灰、吊顶等）和使用活荷载的设计值。

为计算斜板的内力，应将g’+q’分解为垂直与板面和平行于板面的两个分量（如图Ｂ所示），以其中垂直于板面的荷载分量g’’+q’’=（g’+q’）·

COSα为荷载，可求得斜板跨中最大弯矩为：

式中：

L’—斜板斜向的实际计算跨度；

L—斜板斜向计算长度的水平投影长度，L=L’·

COSα

g+q—作用于斜板上的计算荷载沿水平方向的荷载集度，

;

α—斜板的倾角。

对于

的理解由附图Ｅ可以看得比较清楚，即沿水平方向取出单位长一段，则作用于此段内的实际竖向荷载总和应为

。

其中

为水平投影长度为1的斜向板长，可见g+q即为在单位1水平投影长度范围内作用于斜板上的荷载值。

由于ＰＫＰＭ系列软件中，对斜屋面可以通过定义节点高度、梁的左右节点标高、层简斜撑等来完成倾斜构件、楼层的定义，从而建出与工程实际一致的结构模型来，但根据ＰＫＰＭ系列软件所提供的资料来分析，该软件提供的荷载类型中仅有倾斜构件沿水平或垂直方向的分布集度简图（如右附图Ａ所示）；

因此，要求用户输入的倾斜构件的荷载是倾斜构件沿水平或垂直方向的分布集度，并不是倾斜构件沿斜长方向的荷载分布（单位面积、单位长度内的荷载）。

事实上，许多设计者并未这样做，仅仅输入了倾斜构件沿斜长方向的荷载分布（单位面积、单位长度内的荷载），这就导致了程序算出来的倾斜构件的配筋结果偏小，给结构带来隐患。

在设计过程中，本人曾在设计倾斜屋面的过程中发现：

采取升、降节点办法，使模型变成坡形，其计算出来的弯矩、配筋等与不降的结果一样。

所以，结构人员在设计倾斜构件时，应特别注意这个问题。

四、倾斜构件的构造要求

１、钢筋板的钢筋的构造

由于倾斜构件，尤其是屋面板，我们通常是双向双层配筋的，这样做虽偏于安全，可也实在浪费。

事实上，倾斜板也可按水平板一样构造，只不过负弯矩筋的长度应按规范规定、按板的斜长计算。

对于跨度较小的折板，其构造可按下附图Ｆ构造：

板厚

；

荷载可按

，计算跨度可按

计算。

对于跨度较大的板，转折处应加设梁，其构造可按下附图Ｇ构造：

２、防止开裂的构造

当屋面板跨度很大，屋面现浇板长度又大时，应适当考虑加设抵抗温度收缩的钢筋，或按如下方式加强构造：

①、顶层屋面板下设置现浇钢筋混凝土圈梁，并沿内外墙拉通，房屋两端圈梁下的墙体内宜适当设置水平钢筋；

②、屋面保温（隔热）层或屋面刚性面层及砂浆找平层应设置分隔缝，分隔缝间距不宜大于6m，并与女儿墙隔开，其缝宽不小于30mm；

③、在屋盖的适当部位设置分割缝，间距不宜大于２０ｍ（附图Ｈ）；

④、当现浇混凝土挑檐或坡屋顶长度大于１２ｍ时，宜沿纵向设置分隔缝或沿坡顶脊部设置分割缝，缝宽不小于２０ｍｍ，缝内应用防水弹性材料嵌（附图Ｉ）；

⑤、当房屋进深较大时，应沿女儿墙内侧的现浇板处设置局部分隔缝，缝宽不小于２０ｍｍ，缝内应用防水弹性材料嵌缝（附图Ｊ）；

⑥、在混凝土屋面板与墙体圈梁间设置滑动层。

滑动层可采用两层油毡夹滑石粉或橡胶片等：

对于较长纵墙，可只在其两端的2～3个开间内设置，对于横墙可只在其两端各ι/4范围内设置（ι为横墙长度）；

３、砌体结构中斜山墙的构造

在砖混结构中还应注意对砌体斜山墙的构造要求。

通常情况下要求屋面板支承在墙体上处应设置抗扭圈梁（拉梁），且在该圈梁（拉梁）对应位置加设垂直于该梁的水平拉梁，山墙斜三角部分构造要求，可参考下图构造做法加强。

4、关于保温、隔热的处理

在北方地区，保温隔热须当特别注意，采用方案一时，保温材料一定要采用块材，而不宜采用颗粒现场制作的，那样很容易造成保温厚度不均匀。

极易发生冷桥的外露钢筋混凝土构件，应作保温处理。

四、结束语

参考文献

1、《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》，中国建筑标准设计所，2003年2月第一版；

2、《钢筋混凝土及砖石结构》，中央广播电视大学出版社出版。

3、《建筑结构荷载规范》（GBJ50009-2001）

4、《混凝土结构设计规范》（50010-2002）

5、《建筑抗震设计规范》（50011-2001）

6、《PKPM用户手册》[

现代混凝土坡屋面结构设计

上传时间：

2008-6-2710:

24:

26

坡屋面 

结构设计

来 

源：

CUAD期刊库

作者：

畅君文1,夏锦红2 

（1.华东建筑设计研究院有限公司,上海200002;

2.平原大学,河南新乡453003）

[摘　要]通过工程实例及其不同模型假定计算出的内力结果,探讨现代钢筋混凝土坡屋面建筑的结构设计。

随着坡屋面的坡度增加,无论是屋面梁还是屋面板,其内力及其抗力贡献均已较大程度地区别于水平屋面构件,需根据结构的内力变化进行构件截面的设计和节点处理。

[关键词]坡屋面;

屋面梁;

屋面板;

屋脊;

内力

[中图分类号]TU375;

TU375.1;

TU375·

2　　　[文献标识码]A

　　之所以说是现代坡屋面结构,不仅是其建筑风格或造型已不同于中国传统的四坡顶或歇山建筑,不同于传统的西方各类教堂式坡屋面建筑,而且采用现代建筑材料和结构技术设计建造出的多坡甚至是曲线形屋面建筑形式。

许多中小跨度的混凝土坡屋面建筑蕴藏着丰富的现代建筑思想和结构技术。

笔者不是建筑师,但希望通过本文表达两个意思:

（1）结构是实现建筑思想和艺术的基础,结构工程师应当在保证结构安全的前提下不断优化和完善结构体系和构件设计,努力实现建筑设计意图以尽可能使之成为建筑技术与艺术有机结合的不朽作品;

（2）一些传统的结构概念应当与时俱进,即根据现代科技的不断发展做相应的调整,通过现代结构计算技术和工程实践,进一步检验已有的概念和经验,不断更新和提高。

笔者在此仅以某混凝土坡屋面工程的设计为背景,探讨混凝土坡屋面建筑结构的设计及体会。

1　工程背景

或许是城市建设的统一规划所需,或许是建设者情有独钟。

位于武汉市东湖区,与两湖大道和汤逊湖北路相邻的某教学工程的各子项均采用坡屋顶建筑风格。

西班牙蓝瓦覆盖下的坡屋顶建筑群,的确显现出异域般的风情和现代建筑气息。

图1是该工程的鸟瞰图。

根据建筑设计,一期建筑共包括有七个建筑主体,即两幢教学楼、两幢宿舍楼、餐厅报告厅、行政图文中心和钟楼。

其中,中、小学教学楼均为2~3层的普通多层建筑物;

学生宿舍楼均为四层的多层建筑物;

餐厅报告厅为两层具有一定跨度的大空间建筑;

行政图文中心则为3~4层的多层建筑。

高达35m的钟楼则是整个教学区的门面之作,是最需体现整体建筑风格的代表性建筑。

设计总建筑面积约2万余m2。

2　整体坡屋面结构形式

从图1的总体鸟瞰图和其功能介绍可以知道,混凝土坡屋面是该建筑群的主体结构形式。

而教学楼、宿舍楼甚至图文中心的屋面跨度也多在9~13m之间。

如果屋盖跨度中间再加设竖向支承点,则跨度还会减小。

以图2钟楼接待室为例,①~④轴的跨度为13·

5m。

通常情况下,结构工程师是希望将②、③轴两柱升至屋顶以支承屋面梁,减小梁的内力和构件截面。

显然,将②、③轴两柱升至屋顶不符合建筑大空间的思想并影响其通透效果。

如此情况下,依照传统的力学概念和设计经验提出,在檐口标高处加设下弦水平拉杆（图中虚线所示）以抵抗屋面梁产生的水平推力,减少两边柱的弯矩。

但这无论是对于图2钟楼接待室大厅或是八角形屋面的图文中心厅（图3）以及具有21m跨度的餐厅报告厅（图4）来讲,设置中柱或设置水平拉杆都是建筑师所不能接受的。

此时,结构工程师就应当站在整体空间的角度考虑结构方案。

当然,对于内隔墙很多的宿舍楼来讲,其内柱的设置并不影响建筑功能的使用和空间效果的需要,这种情况的内柱均可以直接升至屋面以支承坡屋面梁。

在竖向荷载作用下,坡屋面结构的确会对两边的竖向支承构件产生一定的水平推力。

但是,根据笔者的计算分析,坡屋面结构构件的内力不同于水平屋面结构构件,尤其是现浇钢筋混凝土结构的整体性,其梁板整体作用与传统的计算结果有较大的差距。

换句话讲,坡屋面结构对两边竖向构件产生的水平推力不至于必须增加下弦水平拉杆或造成竖向构件截面及配筋巨大而难以接受的程度。

并且,根据坡屋面的整体结构分析,屋脊部位构件内力远远小于边端部（见图3c、图5~图7）。

构件截面完全可以随内力变化而变化。

基于上述分析,该工程的坡屋面结构均采用现浇的钢筋混凝土梁板体系,并在保证建筑使用功能和空间艺术效果的前提下,不设下弦水平拉杆并尽可能减少或不设中柱。

3　坡屋面结构的计算和内力分析

现代混凝土坡屋面结构已不同于传统的建造及计算方法。

首先,为便于手算,传统的坡屋面结构计算都是将结构简化为杆系模型的,并且难以考虑空间整体作用。

其次,限于传统的建筑材料、施工方法及经济条件,传统混凝土坡屋面较现代混凝土坡屋面的整体性差,计算中较少考虑空间作用,更不考虑屋面板的共同抗力。

而现代结构计算,依靠能力强大而快捷的计算机技术和专业结构软件,可全面考虑参与结构抗力的各构件抗力及刚度贡献,包括梁板的共同作用。

现以图4中的一榀横向框架（图4c）为例说明之。

图4为餐厅报告厅的二层和屋面结构平面布置及其中一榀有代表性的横向框架示意图。

其一层为阶梯式报告厅,二层为餐厅。

为便于说明坡屋面部分的构件内力,仅取恒荷载（包括构件自重）作用下的计算结果,并将二层楼面和两边跨构件的内力隐去。

3·

1　平面杆系计算

在根据图4结构施工图建立的整体计算模型的基础上,通过屋面梁板荷载传导,抽取其中一榀横向框架利用中国建筑科学研究院编制的PK/PM-PK结构程序进行计算后,得出图5a所示的弯矩、剪力和轴力。

图5a的内力仅系平面计算结果,其杆系的空间效应和屋面板的参与均不考虑。

2　空间共同作用计算

图5b则为在建立整体计算模型中考虑屋面弹性板（厚120mm）的空间作用,利用韩国MIDAS/Gen空间有限元结构程序进行计算,得出对应于图5a横向框架的弯矩、剪力和轴力。

模型建立时的梁柱均采用具有拉、压、剪、弯、扭变形刚度的梁单元,屋面板采用具有平面外刚度的四节点和三节点薄板单元。

从图5b与图5a的计算结果,可以很明显地看到,考虑现浇混凝土屋面板空间作用后的屋面框架梁及两边框架柱的内力,均较大幅度的小于不考虑屋面板作用时相应杆件的内力。

3　弱化屋面板空间作用的计算

显然,图5b的计算结果难以被传统概念和经验所接受。

为此,在MIDAS/Gen模型基础上,在保持荷载量不变的前提下,弱化屋面板单元的面内面外刚度,仅考虑屋面弹性板（厚3mm）的有限空间作用。

对应于图5a横向框架的弯矩、剪力和轴力计算结果如图5c所示。

从图5c的计算结果,可以看出其屋面杆件内力仍较图5a有一定幅度的减少。

事实上,图5c虽然弱化了屋面弹性板的面内外的抗弯刚度,但由于其平面尺寸很大,其面内巨大的轴向刚度仍然存在。

因此,顺坡屋面的荷载或作用力必然被分解。

作为同样的分析思路及计算,图3c、3d所示的八角形屋面梁内力也就成为必然的结果了。

4　坡屋顶的结构设计处理

从计算比较可以知道,不同程度地考虑坡屋面板的刚度贡献,可以得到不同的杆件内力计算结果。

事实上,现浇整体钢筋混凝土坡屋面的刚度及抗力贡献是客观存在的,不由设计者考虑与否而有无。

特别是屋面坡度越陡,屋面板的刚度及抗力贡献越明显,屋面梁甚至仅成为屋面板的分隔和约束而已。

因此,在完成结构体系确定和构件计算之后,坡屋面结构的一些特殊构造成为设计的关键部分之一。

（1）由于坡屋面板的空间作用和平面内外的综合受力,坡屋面板配置钢筋不仅仅要考虑板平面的抗弯,而且要考虑其轴向受力（当然也包括温度、收缩等引起的轴向受力）。

因此,坡屋面板应双层双向通长配筋,并适当加密钢筋间距。

（2）屋脊通常是两个或多个方向梁或板的交汇部位。

由于坡屋面受力的特殊性,当仅为板交汇时,宜将板钢筋交叉搭接锚固,见图6a。

当板以受轴向力为主时,交接部位的截面尺度宜适当加大,并设置纵向钢筋和箍筋,如图6b所示的坡度很陡的钟楼屋面板。

当为多个方向的屋面梁汇交时,除汇交节点应进行专门计算外,应特别注意汇交节点的钢筋锚固。

图3e为八角形屋面梁的汇交节点处理示意,供参考。

（3）屋脊梁构造包括横向框架梁和纵向梁以及斜向屋脊梁。

从图5的内力图可以知道,横向坡屋面梁在跨中的内力很小。

为了保证横向框架梁的整体性和连续性,在满足抗力计算的前题下,可仅在横向屋脊节点布置纵向贯通构造钢筋,并适当加密箍筋,见图4d节点示意。

　　纵向屋脊梁是坡屋面板的支承点。

由于纵向梁两侧的屋面板与纵向梁都呈一定夹角。

因此,纵向梁的计算不应考虑两侧屋面板对其抗弯贡献。

并且,由于屋面板起着事实上轴向传荷的作用,应按抗拉要求将屋面板钢筋锚固在屋脊纵向梁内。

（4）坡屋面的梁柱交接部位在一定程度上就是梁柱的连续过渡区。

从图5的内力图可以知道,坡屋面梁在跨中的内力很小,其受力也主要集中在梁柱交接部位。

因此,该交接部位的抗弯、抗剪和抗裂均很重要,箍筋设置尤应加强。

不过,作为某种程度上的梁柱连续过渡区,在满足各作用组合的抗力计算前提下,对该区域的梁柱纵向钢筋没必要一定强调对称配筋,以减少节点内过大的纵向配筋率。

（5）无论是屋面梁或是屋面板,其内力及其抗力贡献已较大程度地区别于平屋面构件。

屋面板传荷的方式随屋面坡度的改变而改变,坡度越陡,传荷变化及影响周边梁的程度越大。

因此,对于坡屋面结构设计应采用具有任意坡度或角度的节点设置,并采用考虑任意板单元功能的整体空间结构计算软件进行计算,而不能简单套用平屋面结构的计算结果。

5　结束语

笔者在此所述及的工程规模非常普通,阐述的思想则是希望树立起结构技术与艺术相结合的观念,是结构工程师需要从思想上为之追求并付出辛勤劳动和智慧才能得到的艺术成果。

结构不仅仅是钢筋混凝土硬骨头,更是充满生机的建筑艺术的基础。

在满足结构安全的首要前提下,在满足建筑功能和造型设计的同时,也应努力表现建筑技术与艺术结合的内涵,体现出应有的结构美。

现代坡屋面结构设计也必须依靠和利用现代结构的设计手段和思想来实现现代坡屋面建筑设计需要。

结构工程师不应当是画图匠,也不应当是规范和计算的奴隶。

结构工程师应当是应用并驾驭规范去实现并开创结构设计新技术的实践者和领航者。

建筑结构常识——地面及楼板工程

一、楼板层和地面层的基本要求

（1）强度、刚度 

楼板要求挠度不大于跨度的1／250。

（2）隔声 

楼板隔声量一般在40～50dB。

（3）经济 

一般楼板和地面约占建筑物总造价的20%～30%。

（4）防火、隔热、保温 

非预应力钢筋砼预制楼板耐火极限为1.0h，预应力钢筋砼楼板耐火极限为0.5h，现浇钢筋砼楼板为1～2h。

一级耐火等级建筑的楼板应采用非燃烧体，耐火极限不低于1.5h,二级耐火极限不低于1h，三级耐火极限不低于0.5h。

北方地区，楼地面有保温要求，一般在靠外墙部分2m内做地面垫层保温。

二、地面

（1）面层

（2）垫层 

刚性垫层：

常采用低强度素砼或碎砖厚度为50～100；

柔性垫层：

常用50～100厚的砂垫层、100厚的碎砖灌浆层、50～70厚的石灰炉渣层。

（3）地基 

一般要求填土夯实层的地耐力不少于0.1N/m2

三、楼面 

楼板约占总自重50%～60%

1、现浇板

（1）板式楼板 

单向板跨度不大于2.5m，双向板跨度为3～4m。

（2）梁板式楼板 

当房间平面尺寸任一向均大于6m时，应在两个方向设梁。

井式楼板板跨一般为6～10m，板厚为70～80mm，井格为长一般在2.5m之内。

（3）无梁楼板 

柱距以6m较为经济。

板厚一般不小于120mm。

由于自重大，用钢量大，常用于书库、仓库、商场，有时也用于水池的顶板、底板和片筏基础。

2、装配式钢筋砼楼板

3、装配整体式钢筋砼楼板 

四、地面的垫层

1、灰土层 

灰土垫层应采用熟化石灰与黏土的拌合料铺设，其厚度不应小于100mm。

土料用孔径16～20mm的筛子、熟化石灰用孔径6～10mm筛子过筛。

一般熟化石灰：

黏土为3：

7或2：

8,洒水堆放8h后可以使用。

每层虚铺厚度为200～250mm，使用压路机可到300mm，一般不少于夯实三遍，碾压不少于六遍，不得隔日夯实或遭雨淋。

施工流程：

a、基层处理；

b、过筛；

c、灰土拌合；

d、分层铺设灰土并夯打密实；

e、检验。

2、砂垫层和砂石垫层 

砂垫层厚度不应小于60mm，砂石垫层厚度不应小于100mm。

砂应采用中砂、石子的最大粒径不得大于垫层厚度的2／3.温度低于－10℃不宜施工。

避免精细颗粒分离，应用粒径为5～25mm的细砂石填补表面空隙，每段铺完后应洒水湿润表面，打夯三遍或碾压四遍以上。

夯实后的厚度不大于虚铺厚度的3／4。

b、做出控制铺填厚度的标准；

c、分层铺设；

3、水泥砼垫层 

铺垫前，其下一表层应湿润。

垫层厚不应小于60mm。

强度不应小于C10。

粗骨料最大粒径不应大于垫层的2／3,含泥量不应大于2%，砂为中粗料，其含泥量不应大于3%。

浇筑一般从一端开始，由内外连续浇筑，其铺设应连续进行，间歇一般不超过2h。

采用平板式振捣哭或振动杠（厚层超过200mm应采用插入式振捣器）。

铺设时，当气温长期处在0度下，如设计无要求，垫层应设伸缩缝。

a、纵向缩缝 

间距不得大于6m，一般为平头缝或加肋板平头缝，当垫层厚度大于150mm时，可作企口缝。

缝间不得放置隔离材料，浇注时应互相紧贴。

b、横向缩缝 

间距不得大于12m，应作假缝。

假缝宽度为5～20mm，深度为垫层厚度的1／3,缝内填水泥砂浆。

五、找平层

1、材料要求 

骨料粒径不大于其厚度2／3,含泥量不大于2%，砂有中粗砂，其含泥量不大于3%。

水泥砂浆体积比不应小于3：

3,砼强度等级不应小于C15。

水应采用饮用水。

2、基层处理 

表面平整度应控制在10mm内，抹找平层前应洒水湿润。

3、冲筋、贴灰饼 

根据＋500mm标高水平线，在地面四周做灰饼，大房间相距1.5～2m增加冲筋。

六、隔离层

防水层四周与墙接触处，应向上高出地面不和于250mm，必须经过24h蓄水试验无渗漏方可。

1、隔离材料有：

石油沥青油毡（一至二层）；

沥青玻璃布油毡（一层）；

再生胶油毡（一层）；

聚氯乙烯卷材（一层）；

防水冷胶料（一布三胶）；

防水涂膜（三道）；

防油渗胶泥玻璃纤维（一布二胶）；

刚性防水材料与柔性防水涂料复合。

2、施工流程：

a、清理基层；

b、设置结合层（做冷底子油或底胶）；

c、附加层处理（地漏、管根、阴阳角等处应加涂用作附加层处理）；

d、铺设防水隔离层。

需要多层涂布时，应待前一道固化后再施工，刮涂方向应与前一道垂直，管道穿过楼板面时，防水涂料应超过套管上口，在靠墙处，如无设计要求时，应高出面层20～30mm。

坡屋面结构的设计

由于程序本身的原因，主要是鉴于PM模块在建模型时的局限性，对于坡屋面结构的设计时，还不能按照实际情况进行建模（除非采用空间任意建模模块SpasCAD），也就是上层的斜梁不能直接落在下层的柱顶，用PM建模型的时候斜梁下面必须要有至少200mm高的短柱来支撑，也就是将斜屋面单独建一个标准层，在这个标准层上斜梁底有至少200mm高的短柱，这样才不会造成传荷的错误。

另外一个问题，由于斜屋面板目前程序也不能计算和处理，所以也得进行简化。

目前斜屋面结构有三种计算模型可取：

1、用SpasCAD进行建模，按照实际情况进行建模，不做任何简化。

用PMSAP进行分析计算

2、将斜屋面的刚度贡献忽略掉，将其上的荷载和自重按照双向板的情况分加到四边的梁上，用PM建模，用SATWE或TAT进行分析计算

3、将屋面板的刚度用斜支撑来模拟，也就是在屋面上布置斜支撑来代替屋面板，同时也要考虑屋面自重及其上的荷载。

用PM建模，用SATWE或TAT进行分析。

总结上述三种模型，第一种模型很多设计院不具备软件上的要求。

第二种与第三种比较起来，第三种模型更接近于实际情况，无论在周期、位移、刚度等的计算上都与第一种模型更接近，所以建议大家采用第三种计算模型。