屋顶绿化层荷载对高层框架结构安全性的影响*

徐福卫 陈海玉 秦 丽

1 概述

随着国内城市化进程的加快,建筑用地与居住环境的矛盾日益突出,建设可持续发展的建筑与城市成为当今最受关注的话题。在这样的大背景下,人们越来越关注城市生态环境的建设,希望把更多的绿化空间引入建筑空间,缓解建筑与园林绿地的矛盾,增加单位区域中的绿化面积,对屋顶进行绿化是解决这一问题十分有效的方法[1-6]。因此屋顶花园的建设已经成为现代建筑发展的必然趋势,然而屋顶绿化时产生较大的屋面荷载对建筑物下部结构的影响程度研究深度相对较浅,到底多大的屋面荷载对其下部结构才不产生较大的影响现在还没有一个确切的结论,很难达到实际应用的效果。本文针对该问题结合一框架房屋结构进行三维有限元计算分析,探讨各种屋面荷载对其下部结构安全性的影响程度。

2 屋顶绿化层荷载对其下部结构安全性影响的研究

2.1 计算模型

本建筑物为某一框架—筒体结构[7],总高度为54 m,18层,层高3 m,结构平面如图1所示。其主要承重构件的截面尺寸及混凝土强度标号如表1所示。在本文中,为了计算方便钢筋混凝土的密度统一为2 700 kg/m3,弹性模量按混凝土的弹性模量取值,泊松比取0.2,只考虑竖向自重荷载。

表1 模型参数表

2.2 屋顶绿化层荷载的取值

屋顶绿化层荷载一般主要包括地被植物、花灌木和乔木的荷重和种植土及其荷载。本文主要研究各种屋面荷载对其下部结构的影响,因此对屋顶绿化层荷载采用一个系列的取值,其分别为:0.00 kN/m2,1.00 kN/m2,3.00 kN/m2,4.50 kN/m2,6.00 kN/m2,7.50 kN/m2,9.00 kN/m2,12.00 kN/m2,15.00 kN/m2,18.00 kN/m2,21.00 kN/m2,24.00 kN/m2,27.00 kN/m2,30.00 kN/m2,共计 14种荷载取值(其中0.00 kN/m2此种荷载表示计算荷载只有自重荷载,其余计算荷载则包含屋面荷载和自重荷载)。

2.3 屋顶绿化层荷载对其下部结构安全性的影响计算分析

根据上述计算模型数据和屋顶绿化层荷载的取值,利用ANSYS有限元计算软件建立的三维有限元计算模型如图2所示。

从图3可以很清楚的看出,由自重产生的位移占主要部分,屋顶绿化所产生的荷载所造成的位移相对较小,对建筑物结构的竖向位移的影响较小。另从图3中也可得出随着屋面荷载的增加竖向位移也是增加的,这也符合实际工程中竖向位移的真实结果,也证明了计算结果是可靠的。

从表2中的几种屋面荷载对其下部结构内力的影响可以看出,自重荷载产生的内力占主要部分,屋顶绿化层荷载对整个结构的影响不是很大。但屋顶绿化所产生的荷载对其下部结构的影响主要集中在顶层,顶层柱子的轴力的增加较底层最大轴力的增加比例要大很多,当屋面荷载为3.00 kN/m2时,顶层柱子的轴力都超过三成,而最大轴力的增幅却只有0.88%;同理屋面荷载对弯矩的影响也基本遵循这个规律,顶层弯矩的增加幅度较中间层增加的幅度大很多,因此在建造此类建筑结构时要加强屋顶框架的配筋,若对已建建筑物进行屋顶花园的建设,则要注意顶部结构的加固。轴力对框架柱产生的是压应力,而弯矩对框架梁和柱产生拉应力,因此最大拉应力也出现在屋顶,当屋面荷载加到7.50 kN/m2时,屋顶的最大拉应力已经达到了 1.60 MPa,而标号为C40的混凝土的抗拉强度为1.65 MPa,因此此荷载可以认为是该建筑物屋面所能承受的最大荷载。当屋面荷载增加到9.00 kN/m2时,屋面的最大拉应力值达到了1.92 MPa,超过了混凝土的抗拉强度,此时屋面会因屋面荷载过大而出现局部破坏。因此可以认为此框架结构的建筑物最大屋面荷载不能超过7.50 kN/m2。

表2 几种屋面荷载对其下部结构内力的影响一览表

3 结语

1)建筑结构的竖向位移是随着高度增加的,其中结构的自重荷载作用产生的竖向位移占主要部分,对屋顶进行绿化时而增加的荷载产生的竖向位移相对较小。

2)自重荷载作用建筑结构时产生的内力占主要部分,屋顶绿化层荷载施加时产生的轴力与整个结构的总轴力相比较小,但产生的弯矩影响却相对较大,主要集中在建筑物的顶部,弯矩增加的比例相对轴力要大很多。在屋面荷载达到7.50 kN/m2时,屋面上拉应力基本达到了混凝土的抗拉强度。因此我们认为若屋面荷载不超过7.50 kN/m2,对整个建筑结构的安全不会产生大的影响,但对建筑结构的顶部(特别是顶层)影响却相对较大,应注意对建筑结构的顶部(特别是顶层)增加框架梁柱的配筋或对其进行加固处理,以防建筑物顶部出现局部破坏。若屋面荷载超过7.50 kN/m2,则屋面有可能出现局部破坏,应慎重建设。

[2] 赵卫艳.浅谈我国屋顶花园设计的作用、现状和原则[J].河南农业,2009(4):61-62.

[3] 陈亚龙.城市屋顶绿化改造工程与已有建筑物结构安全性问题及处理意见[J].职大学报,2005(2):9-10.

[4] 张秋梅.浅谈屋顶花园的建造[J].贵州林业科技,2002,30(8):41-55.

[5] 吴少锋.屋顶花园的荷载取值及排水构造[J].广东水利水电,2002(5):9-13.

[6] 李春祥.绿色屋顶荷重对建筑结构的影响[J].华东船舶工业学院学报,2003(6):17-20.

[7] 郝文化,叶裕明.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.