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坡屋面建模及分析(投稿版)

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钢筋混凝土坡屋面建模及分析【摘 要】随着国民经济的快速发展和人民欣赏水平的提高,坡屋面建筑越來越受到人们的喜爱。坡屋面相比平屋面有具独特的优点:屋面造型美观,在屋面处铺设不同颜色的琉璃瓦可以得到不同的立面效果:排水顺畅,不容易积水积雪;隔热隔声效果好;结构受力合理,坡屋面为空间受力体系,整体性和经济性较好。但是现阶段,设计院在PKPM中进行坡屋而建模时,一般将坡屋面简化为平屋面建模,忽略了坡屋而梁的拱效应和屋面板对整体刚度的影响,与实际情况相差较大。木文从坡屋面的建模方法出发,了解坡屋面的空间受力特性;并分析不同建模方法的优缺点,为结构设计人员在进行坡屋面设计时提供一些建议!竟丶省科挛菝、建、受力特性1、 引言现代的钢筋混凝土坡屋面已经不同于中国传 统的双坡屋而和歇山建筑,也不同于西方教堂式的 坡屋面,现代的坡屋面一般为多坡屋面或Illi线型屋 面,造型较复杂。新颖的别墅坡屋面等屮小跨度坡 屋面蕴含着丰富的建筑思想和结构知识,需要我们 进一步的理解和分析。本文通过对传统的双坡屋而 进行分析,了解坡屋面的空间受力特性;进而分析 和设计实际工程中的别墅多坡屋面,了解实际坡屋 面的受力特性。2、 模型概况及建模方法2.1模型概况图1坡屋而投影图双坡屋而的投影图如图1所示。屋而为双坡屋 而,坡度为25°;屋面四角处柱截面尺寸为 3OO*3OOmm,屋而梁的截而尺寸为200*4()0mm;层 高为3300mm:屋面板厚度为12()mm;采用C30的 混凝土。屋而恒荷载为7KN/M2,活荷载为 ().7KN/M2o2.2建模方法为了准确分析坡屋面的空间受力特性,了解不 同建模方法的优缺点。本文应用四种建模方法建立 坡屋血?模型:平屋而法、PKPM坡屋而建模法、 PMSAP坡屋面建、SAP2000坡屋而建模法。(1) 平屋而法:将坡屋面简化为平屋而进行 建模分析是设计院使用最多的一种方法。当坡屋而 起坡点处设有一层水平屋面板时,以坡屋面起坡点 到坡屋而顶点的平均高度作为层高建立一个标准 层,梁板均按正常楼而水平布置;当坡屋而起坡点 处没有水平屋面板时,按从下层楼而至屋而顶点的 平均高度作为层高建立标准层,梁板均按正常楼而 水平布置。将坡屋而简化为平屋而的这种建模方法 比较简单,计算方便,出图速度快。但是它不能真 实模拟坡屋而的空间结构形态,忽略了屋而板对结 构整体刚度的贡献以及屋而梁对柱顶产生的水平 推力,使结构偏于不安全。(2) PKPM坡屋而建模法:在PKPM软件中 通过设置“梁两端标高”或者“上节点高”来布置 屋面斜梁。当坡屋面起坡点处有平屋面板时,带耍 建立两个标准层。顶层层髙200mm,布置200mm 高的短柱和l()()*l()()mm的虚梁传递荷载,下一层 按正常的梁板布置方法布置。当坡屋而起坡点处没 有平屋面板且屋面跨度较小不用布置下弦拉梁时, 可点接建立一个标准层,应用“上节点高”建立屋 而斜梁;当屋而跨度较人需要设置下弦拉梁时仍需 要按两个标准层建模。(3) PMSAP坡屋面建模法:PMSAP空间结 构分析软件可以対结构进行整体分析。在PMSAP 中的建模方法和在PKPM中类似,只需要在“特殊 构件补充定义”中将屋面板定义为弹性板60弹性 板6可以真实的模拟屋面板的平面内刚度和平面外 刚度,以实现结构模型的正确计算。PMSAP可以 计算屋面斜梁和屋面斜板对结构整体刚度的影响。 但是这种建模方法和対较复杂,在设计院内PMSAP 还没有得到充分的应用,这种建模方法很少能够得 以实施。(4) SAP2000坡屋面建模法:在SAP2000中 进行坡屋面建模时,用薄壳单元模拟屛面板,杆单 元模拟屋面梁和柱,柱底部固结。材料属性为C30 混凝土。SAP2000为通用有限元分析软件,能够准 确的进行单元划分和结构计算。但是SAP2000多用 于分析复杂结构,在SAP2000屮建模相对复杂,设 计院很少采用。3、内力分析3.1柱内力分析由柱最大内力值表1可以看岀:(1)平屋面 建模时的柱顶最大剪力约为坡屋面建模时的柱顶 剪力的71%;不同的坡屋面的建模方法得到的柱最 大内力值相差不大。在平屋面建模时没冇考虑屋面 折梁的拱效应产牛?的対支座的推力的影响,因而柱 顶剪力偏小,结构偏于不安全。(2)PKPM、PMSAP 及SAP2000均可以考虑屋血斜梁的作用。(3)应 用PKPM建模的结果中柱剪力和弯矩略大于 SAP2000和PMSAPo由于PKPM不能考虑到屋血 板对整体刚度的影响,因而计算的结构与实际情况 略有偏差,使得结构配筋偏大。PKPM平屋面PMSAPSAP2000轴力202.0222」195.2210.25明力40.92&539.334.7弯矩79.577.776.977.08表1柱授大内力值表3.2梁内力分析坡屋面横断面一般为“人”字形的折板。结构图3 PMSAP坡屋血梁弯矩图1 1受力状态与拱、壳类似。在这种受力状态下。折板 支撑处会产牛较大的水平推力,屋血边梁有较大的 扭矩作用。山坡屋面屋血梁弯矩图2、图3、图4 可以看出:坡屋面结构的空间整体性好、刚度大, 而H梁的弯业值比平屋血梁弯炬较小,因而坡屋面 受力更合理,更经济,这也是坡屋面优于一般平屋 血的地方。山屋面梁板变形图5可以看出:坡屋血 脊线的变形形态与框架结构存在很大差界,山于屋 面斜板对屋血脊梁的约束作用,屋曲脊梁受力较 小,因而在一些情况下可以不设脊梁,这样口J以是 坡屋面造型更简便,施工更方便。图2 PKPM坡屋面梁弯矩图 P?空— 671-图5 SAP2000中屋而梁板变形图4、别墅坡屋面分析木工程为屮建长青湖别墅项目,项目位于济南 市长清区,别墅地下一层地上三层,层高为 3300mmo屋顶投影图如右图所示。地震烈度为6 度,加速度为0.05g,场地类别为三类场地,50年 一遇的基本风压为0.45KN/M2o坡屋面的俯视图如 图6所示,屋而为多坡屋而且屋而相互交错形成折 线型交线。在边屋脊和屋而交线处布置梁,在屋脊 顶线处不布置梁。若按屛脊顶线布置梁板则模型相 对复杂,计算可知屋脊梁均为构造配筋,不能充分 发挥梁的有效作用,且施工难度大。且屋脊梁受力 较小,有时仅起到分隔屋面板的作用,屋面板口身 有互为支座的空间作用,因为在屋顶脊线处可不设 置屋脊梁,这样既节省了造价,又使得施工较简单。 由屋面梁弯矩图7、图8可以看出:按坡屋而建模 相比按平屋而建模,屋而梁弯矩较小,配筋小,经 济性更好;同吋坡屋而整体刚度人,变形较小,因 1何坡屋面相比平屋而有很大的优越性。8.8图7坡岸面梁板变形图5?4 11.9图8平屋面梁板变形图5、结语坡屋面相对于平屋面空间受力性能好,整体刚 度人,屋面斜梁和屋面斜板组成空间受力体系,因 而设计院在以后的坡屋面设计屮尽量釆用坡屋面 的建模方法。同时从以上的分析我们可以看出:(1) SAP2000和PMSAP等有限元软件
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