复杂坡屋面结构在游乐建筑中的设计应用.pdf

图104.301乘车站平面及立面图 广东土木与建筑 GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2013年5月 第5期 MAY 2013 No．5 结构设计中通常把坡度小于3的屋面板近似 于平屋面，坡度≥3的屋面按坡屋面设计。 在物质 条件日益丰富的今天，人们不再满足生活在四平八 稳的方盒子的空间里，由于坡屋面能为建筑提供丰 富的立面元素，屋面排水顺畅，室内使用空间灵活， 因而坡屋面建筑的数量不断增多。 然而部分设计人 员概念模糊，有的按平屋面简单简化设计，有的根据 建筑屋脊线条任意布置斜梁或斜柱，再加上计算软 件仿真分析技术缺陷，设计出来的构件配筋要不是 盲目放大，就是荷载传递不当导致关键部位抗力不 足，工程质量问题逐渐凸显。 1工程概况 珠海长隆海洋度假区位于珠海市横琴岛富祥 湾，首期工程占地面积为143万m2，总建筑面积为 120.5万m2，主要包括海洋主题乐园、国际海洋世界、 户外休闲娱乐设施等。 园区建筑全部设计为西洋异 域风格，造型夸张怪异，结构设计难度突出。 笔者设计的3栋过山车乘车站建筑复杂坡屋面 就是其中一例，它们分别是04.301水上过山车乘车 站、05.301飞行过山车乘车站和 06.302超级激流乘 车站，方案设计师为了让游客乘坐惊险刺激体的过 山车进站时仍能收获一份惊艳，把乘车站也设计得 突兀森郁（如图1）。 屋面形式多样，有单坡、双坡、四 坡、跃层坡、折板坡、高低衔接坡、带老虎窗坡，屋面 倾斜角1075不等，最大屋面跨度达21m。 本项目位于近海岸， 基本风压按50年重现期 0.85kN m2考虑；地面粗糙度类别为A类；风荷载体 型系数取1.4。 抗震设防烈度为7度，设防分组第一 组，Ⅲ类场地。由此可知，结构水平荷载较大，屋面设 计的准确性尤为重要。 2结构设计 2.1坡屋面结构方案选择 根据各过山车建筑设备功能要求，设置抵抗水平 复杂坡屋面结构在游乐建筑中的设计应用 朱珍华 （广州市设计院广州510620） 摘要本文根据工程实例，描述了不同类型坡屋面的结构特点，重点介绍PKPM计算软件实操要点，为别墅坡屋面、体育 馆看台等结构设计提供参考意见。 关键词坡屋面；PKPM； 结构设计 Design Application of Complex Sloping Roof Structure in Amusement Building Zhu Zhenhua （Guangzhou Design InstituteGuangzhou 510620，China） AbstractBased on the engineering example，describes the structural characteristics of the different types of sloping roof，focuses on the PKPM software practical operation points，and provide a reference for the structural design of the Villa sloping roof，the stadium bleachers. Keywosdsslope roofing；PKPM；structure design 11 ①②③④ 图205.301乘车站维修间屋面平面图 屋架1 屋架1 21360 690068007660 髿 鬂 鬁 鬀 20690 750 3064 750 30813064320032003081 11.970 LZ1 WKL1（3） L1（3） WKL2（3） LZ1 LZ1 LZ1 LZ1（3） 15.050 13.691 12.242 10.550 11.770 WKL2（3） L1（3） KZ1 WKL4（1） KZ1 髿鬂 LZ1 WKL4（6） 图305.301乘车站屋面平面图 屋架2 屋架2 ①②③④⑤⑥ 髿 鬂 鬁 鬀 21680 4300 45003880 16700 1800 2350 1500 235045504550 1500 45004500 500 2000 1200 2700 500 1200 髿鬂鬁鬀 KZ WKL3 WKL3 WKL10（3B） L4 843 22781938 7.650 7.650 22561919 885 180038504500190045003850 WKL2 KZKZKZ WKL4WKL4 WKL5（1） 朱珍华 复杂坡屋面结构在游乐建筑中的设计应用MAY 2013No．52013年5月第5期 推力的下弦梁的情况， 本项目在进行坡屋面结构设 计时进行如下考虑 ⑴大梁抬柱支撑屋面方案（如图2） 此方案屋面跨度21m，下弦大梁6001800，屋面 斜梁250600，立柱300300，是根据大跨工业厂房 屋面混凝土桁架结构衍生而来，用小立柱代替斜腹 杆，刻意弱化上层斜梁，减少折梁屋脊节点处交叉钢 筋数量，方便施工操作；屋面荷载通过小立柱传递给 下层大梁，主体结构由大梁和柱形成的框架组成，传 力路线明确，计算简单。 由于设置了下弦梁，建筑内 部空间使用率有所降低， 所有屋面荷载都由下弦梁 承担，该梁截面及钢筋用量均较大。 此方案适合对施 工进度要求紧的1222m大跨度陡坡度屋面建筑。 ⑵无立柱方案（如图3） 此方案屋面跨度9m，斜梁截面300800，下弦 梁200500。 在方案⑴基础上取消了小立柱，适当加 大屋面斜梁截面。 此方案适合612m中等跨度陡坡 度屋面建筑。 ⑶纯折梁方案 在方案⑵的基础上取消了下弦梁，根据建筑屋 面起伏布置折梁，本项目04.301、06.302乘车站柱网 跨度合理、屋面檐口标高较低，为了保证室内净高， 大部分屋面梁选用此方案。 此方案常用于6m以下 小跨度缓坡度屋面建筑，屋面产生的水平推力不大， 完全可以适当加强柱设计来抵抗。 ⑷假预应力桁架方案 此方案与方案⑵相似，不同之处是把下弦梁用 预应力索替换。 众所周知，坡屋架在竖向荷载作用 下会产生一部分水平推力， 这部分力由预应力索承 担，屋架弯矩及剪力由屋面斜梁按普通平面梁设计即 可，且施工操作简单，经济效益可观。 但由于业内工 程实例少， 尚有预应力索变形与屋面梁裂缝控制协 调问题需研究，本项目工期紧迫，暂不采用此方案。 2.2PM建模 本工程采用PKPM（08版）软件建模分析计算， 由于该软件早期版本在坡屋面结构处理上不尽人 意，软件公司根据市场反馈意见作了大量修改，目前 版本基本上能模拟坡屋面对结构的作用影响。 笔者 根据实操经验列出部分注意事项 ⑴ PM模块中可以通过调整“上节点标高”、输 入“梁端标高”多种方式实现同一标准层内布置不同 标高处梁。建模前详细研究建筑屋面平面图，总体摸 清坡屋面各控制点标高， 以屋脊处最高标高为层标 高，其它节点按相对负数输入，确定标准数量和标高。 ⑵斜板厚及竖向荷载根据不同坡度计算，板厚 h（1 251 35）l cosa（其中计算跨度l（l0b12 b22，1.05ln的较大值），l0为梁中心距，b1、b2为左右 梁宽，ln为板净跨距，荷载gq（g′q′） cosa。 本项 目由于屋面有很重的造型包装荷载（15kN m2），室外 空气含海水的环境特点，再结合建筑节能要求，最终 屋面最小板厚取150mm，板面保护层厚度取30mm， 室内侧保护层取15mm。 软件主要根据板受弯承载 力给出的配筋结果，对于有些大悬臂构件，由于造型 负重引起支座附近集中荷载很大， 这部分板需要进 行板的剪切验算，由此算得板厚有些达到300mm。 ⑶根据建筑柱网跨度，合理布置主次梁，并不 需要每条屋脊线处都布置梁， 但为了保证斜板能成功模拟， 在没有布受力梁屋脊、折板线 处必须加设100100虚梁，这 样才能保证楼板荷载传递正 确、楼板刚度不被丢失，建模 完成后可通过三维轴测图显 示方式查看楼板生成效果，检 查是否有遗漏。 本项目梁布置 原则是保证斜板主受力方向 折线不超过3条，这样可以更 好地保证板内力传递。 ⑷在平、坡共用屋面檐口 及跃层坡屋面建模时， 需找准 共用梁位置及标高，把实际梁 12 图405.301乘车站屋架2局部恒载弯矩、剪力图 AXL-7.1 -42.5 52.0 55.8 -95.0-94.9 AXL-4.7AXL-5.0 6.3 1.7 2.1 屋面斜梁弯矩 下悬梁弯矩 AXL-5.8 56.9 AXL-7.2 51.9 -95.4 -95.7 AXL-5.6 -68.0 AXL338.1 14.5 -11.0 121.1 -16.5 AXL274.5 -16.5AXL-274.7-66.8 14.5121.7 -10.8 AXL338.1 105.7 -104.7 -2.9 16.1 屋面斜梁剪力 下弦梁剪力 TOR-0.6 106.0 -104.9 TOR-0.3 -109.4 TOR0.389.3 -11.3 -89.5 TOR0.4 -47.8 11.3 109.2 TOR-0.3 广东土木与建筑MAY 2013No．52013年5月第5期 截面建在下层平面中，屋面层在此处输入虚梁即可， 程序可自动导算荷载。 此操作需特别注意的是，一 定要保证坡屋面虚梁与下层梁节点一一对应，即当 下层有次梁与该梁相交时产生节点时，屋面虚梁在 相对应位置必须人为增加节点，否则程序屋面荷载 很难传递到檐口梁上去，造成配筋偏小的安全隐患。 ⑸在进行位移参数计算校核时，高低坡屋面衔 接处错层梁宜合并同一标高，否则会出现位移比异 常的情况。 2.3SATWE计算分析 模型建立后马上进行仿真分析，这一步核心工 作由程序后台自动计算完成，计算前我们还有一些 SATWE前处理参数需要定义。大部分参数同普通屋 面结构一致，这里只提几处不同点 ⑴构件配筋计算时坡屋面板应定义弹性板6 或弹性膜，这样程序可自动考虑斜板对屋面层得刚 度贡献，对周边构件的影响得到真实的模拟； ⑵与屋脊线斜交梁两侧楼板翼缘作用有限，计 算其配筋时不应按普通梁的方法考虑其对抗弯刚度 贡献，本工程为方便操作，仅考虑矩形梁截面刚度。 ⑶由于坡屋面中存在大量的斜梁、虚梁，在地 震作用分析方法应选择“总刚分析方法”。 2.4结果判断 根据典型屋架05.301乘车站屋架2的局部内 力结果（如图4）可知坡屋面斜梁屋脊处出现了负 弯矩，与普通梁跨中为正弯矩最大处迥然不同；剪力 亦呈现“人”字坡屋面互为支座的受力特性，设计时 应按贯通钢筋配置梁中部钢筋。 2.5构造措施 坡屋面结构受力复杂， 设计时采用双层双向通 长配筋、屋脊折板（梁）主筋满足互锚搭接要求、陡坡 内折角局部加厚消除集中应力等构造措施在诸多文 献资料均有记载，在此不再赘述。 笔者重点介绍几处细节注意事项 本项目有些 斜坡檐口悬挑达2.7m，由局部风压验算时，板底某 些部位出现了负弯矩， 由此得知悬挑板底筋不能仅 按构造配置；坡面中三叉梁设计时，应保证其中一根 梁与屋脊梁在节点处纵筋直径和根数一致， 另外一 个根斜梁以它为支座，按规定锚固即可，这样可以减 少节点处钢筋接头，方便施工钢筋摆放；坡度较陡的 （＞60）屋面应满足剪力墙构造要求；锥体屋面板按 两部分分别考虑，下半部按斜板设计，注意钢筋应从 下往上逐渐减少用量，避免所有钢筋交汇拥挤，斜板 水平筋放在竖向筋外侧，并封闭焊接相连，上半部分 尖塔可按柱构造设计。 3结束语 目前本项目3个乘车站主体结构均已施工封 顶，里外无明显的设计瑕疵，当然这也得益于设计过 程中施工单位积极配合和信息反馈。由此可知，只要 设计人熟悉概念，研究透屋面特性，掌握软件操作技 巧， 了解施工工艺水平， 再复杂的坡屋面都可能实 现， 美轮美奂的坡屋面建筑不仅是建筑师的思想结 晶，也凝聚着结构工程师的智慧。 参考文献 ［1］GB 50011-2010建筑抗震设计规范［S］ ［2］GB 50010-2010混凝土结构设计规范［S］ ［3］GB 50693-2011坡屋面工程技术规范［S］ ［4］ 任卫教. PKPM中坡屋面建模及计算特点［J］. PKPM新 天地，2009（1） ［5］ 中国建筑科学研究院，建筑工程软件研究所. PKPM多 高层结构计算软件应用指南［M］.北京中国建筑工业 出版社，2010 13