坡屋顶异形柱框架结构设计

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1、第九届全国现代结构工程学术研讨会坡屋顶异形柱框架结构设计刘瀛1陈大鹏2高福聚3(1-建华建筑设计合资有限公司，北京1000622．秦皇岛市第二建筑工程有限公司，河北秦皇岛0660003．中国石油大学(华东)土术工程系，山东青岛266555)提要：通过工程实例及其不同模型假定计算出的内力结果，探讨钢筋砼坡屋顶异形柱框架的结构设计。坡屋面的存在，无论是整体结构还是屋面构件，其受力特征均已较大程度地区别于平屋面结构，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：坡屋顶，异形柱框架结构，ETA

2、BS．^』．—J-一、刖舌随着我国经济建设的快速发展，人们对建筑设计的要求也越来越高。异形柱结构避免框架梁、柱在室内凸出，改善了建筑观瞻，得到了广大建筑及结构工程师的认同。2006年8月10日，我国第一部异形柱结构行业标准《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ149—2006)正式实施后，在北京等一些8度抗震设防的高烈度地区也逐渐得到采用，主要用于一些层数不多的别墅(包括联排、独栋等)、花园洋房等底层住宅建筑中。这些建筑多采用钢筋混凝土坡屋顶的结构形式。坡屋顶的存在，使得这些结构的整体受力特征与普通

3、的平屋顶结构有较大的差别。当前在国内广泛应用的一些结构计算软件中，由于不能提供斜板薄壳的计算单元及空间建模能力，难以准确的模拟真实的结构形式。这种情况下，一些设计人员往往把坡屋顶看成垂直投影下的平面梁板(这时，通常把顶层层高算至坡屋顶高度的一半处)，或把平脊、斜脊轮廓线当成框架盲目地加斜梁、斜柱。而平脊、斜脊的横断面都是“人”字型的折板，无论是否布置梁、柱，其脊线的受力变形形态并不等同于框架。上述做法都会使计算结果与真实的结构内力相差很大。本文通过一个工程实例，采用国际通用的计算软件ETABS对坡

4、屋顶按实际工程情况进行建模计算，并与前述两种简化方式进行比较，以研究不同的坡屋项建模方式对计算结果的影响。二、工程概况某三户联排别墅，位于8度抗震设防区，场地类别为Ill类。采用现浇钢筋砼异形柱框架结构。结构抗震等级为二级；基本风压值为0．45kN／m2。地上三层，无地下室，室内外高差0．60m。首层层高3．6m，二层层高3．3m，三层檐口标高9．8m。坡屋面坡角30度，由双坡及四坡两部分坡屋面组成，屋脊标高12．43m。房屋高度为11．77m(自室外地面算至坡屋顶高度的1／2处)。平面尺寸24．

5、7m<14．Im。各层平面图见图1。三、建筑平面布置二、建巩平圆干扫直由于异形柱结构中的L形柱及T形柱的截面特性决定了其受力特性与普通矩形框架柱有较大差异，尤为突出的是其抗扭能力较弱，特别是L形柱更为明显。但框架结构最为薄弱的角柱，通常会按建筑布局布置为L形柱；加之别墅类建筑，受建筑布局影响，柱网布置往往较为凌乱，这些决定了此类异形柱结构对结构平面刚度分布较为敏感，尤其是在8度区这样的高烈度地区，结构平面刚度分布必须相当均匀，否则工业建筑2009增刊第九届辛国现代结构I程学术研讨会结构柱、尤其是角

6、柱，很难通过计算。这一方面要求设计人员必须通过仔细规划柱罔布置、调整柱肢眭短等措施来平衡结构的刚度分布．另一方面，结构专业也应和建筑专业密切协调，在可能的情况下，结构受力的复杂、薄弱部竹宜尽景采用普通矩形柱。一般而言，别墅娄的建筑层数不多、柱同较密，薄弱部位采用300×300的方柱即可，而受力性能有较大提高。警a)二层楼面示意图疆蕤搔强c)檐口标高梁示意图(d)屋面示意图图l结构平面示意圉本例中．每户南侧一’二层均布置了较大的两层挑高的客厅，且在南侧立面上设置两层通高的宙户，不兑许结构设梁。通过在

7、建筑平面中寻找适当的位置布置柱阿，使得结构柱阿布置大致上是规则的、均匀的；而个别受力复杂的角拄改为普通矩形柱，改善了受力性能，取得了较好的教果。檐口标高处，在双坡屋架的下弦设置了拉梁，藏于建筑隔墙内，以平衡柱顶推力(6、7、9轴处)。四、结构整体计算分析(一)整体建梗为了比较坡屋顶的不同建模方式对结构整体计算结果的影响，分别采用PKPM(SATWES)系列软件及ETABS鞔什耐率例进行建模计算。其中，结构除坡屋顶外的其它部分建模均相同。对于坡屋顶，在ETABS较件中屋面形状完全按工程实际建模，且在

8、屋面转折处不设脊线梁，只依据柱网的布置设置相应的框架梁(圉2)；而在PKPM中，按照两种方式建模：l、坡屋顶简化为平面梁扳，顶层层高算至坡屋顶高度的一半(以下简称“平粱模型”)；2、采用悔改“上节点高”的建模手段，在顶层设置斜粱．以大致模拟实际的屋面形状。此时，在四坡屋顶部分沿脊线设置了脊线粱，以便勾勒出该部分屋顶的大致形状(图3，以下简称“斜粱模型”)。(二)计算参数的取用在ETABS建模中，平层楼板采用膜单元。与之相连的中粱指定“围绕3轴的惯性矩修正系数”(即相当于SA"rwE