钢筋混凝土坡屋面结构设计与施工要点研究

沈垒 郭鹏

(机械工业第六设计研究院有限公司 河南郑州 450000)

0 引言

近年来随着建筑市场的日趋成熟，建筑产品日趋多样化，坡屋面以其造型美观、防渗漏、不易积水等优点日渐受到人们的青睐，在公共建筑、住宅建筑中应用越来越广泛。而在援外项目中为适应当地特色，坡屋面更是大量应用，然而援外项目所在国条件(人工、材料、机械)不理想，施工往往存在困难。在此背景下，做好钢筋混凝土坡屋面的结构设计与施工显得尤为重要。

基于此，本文以某援外项目为例对坡屋面设计和施工中应关注的问题进行分析，以期系统地对该类项目的设计和施工加以指导。

1 项目概况

该项目为援肯尼亚内罗毕大学孔子学院项目(图1～图3)，涵盖办公楼、综合楼、宿舍楼，总建筑面积约6325m2。地上4层局部2层，无地下室，结合当地建筑特色，所有建筑单体均采用坡屋面的结构形式，屋盖坡度为12°～25°(无闷顶)，挂水泥瓦。

图1 工程效果图

图2 教学楼立面图

图3 教学楼屋顶平面图

该工程结构类型为钢筋混凝土框架结构，柱下独立基础。钢筋强度等级为HRB400E，混凝土强度等级为C30。施工时水泥在当地采购，限于当地条件，只能采购到硅酸盐水泥。混凝土由施工企业自行拌制，浇筑时采用泵送，无混凝土外加剂。

2 结构设计要点

2.1 软件选用

目前市场上可对坡屋面进行结构研究的软件有SATWE、PMSAP、SAP2000、MIDAS/GEN、ANSYS等。

各种软件依据其侧重点应用在不同的场景中，一般来说ANSYS、SAP2000多应用于学术研究；MIDAS/GEN既可应用于学术研究，也可在复杂工程中使用；SATWE、PMSAP均属PKPM设计模块，一般应用在工程设计领域。初期的PKPM有很多局限性，随着软件的不断完善，一些问题逐步得到了解决，比如目前PKPM对于斜板的作用已能正确分析。

2.2 荷载处理

荷载的准确计算是结构设计的前提条件，从荷载类型上来说，坡屋面需考虑恒荷载、活荷载等，与常规屋面一致。同时，结合坡屋面的特殊性，进行坡屋面设计时，无论恒活荷载均要注意考虑屋面坡度的影响，如以平屋面代替坡屋面建模，则恒荷载一定要除以坡度余弦值；另一方面，坡屋面四周出于建筑立面的考虑，往往会设置一圈檐沟，如模型简化(未将檐沟建入模型)，则在荷载计算上也要予以考虑。

2.3 受力简述

好的结构设计一定是基于全面的力学行为研究，准确掌握坡屋面的受力性能对于做好坡屋面结构设计至关重要。

有限元研究表明，结构随屋面坡度的增加侧向刚度逐渐变弱、周期逐渐增加[1]，在实际设计中可据此判断软件所建模型是否合理。常规的结构梁板属于受弯构件，由于坡度的存在使得坡屋面上梁板成压弯构件[2]，在设计时最好应注意上部纵筋通长设置。在竖向荷载作用下，坡屋面结构会对两边竖向支撑构件产生一定的水平推力，SATWE得出的柱顶弯矩偏小，与屋面斜梁相连的柱配筋应当适当增加[2]。坡屋面的屋面板折角处存在应力集中现象，同时屋脊线法线方向有拉应力存在[1]，在设计中应对折板相交处做局部加强处理，屋脊处施工时应加强对板面筋的保护，防止被人踩踏，达不到抵抗拉应力的作用。屋脊梁是坡屋面板的支撑点，与平屋面不同的是这里屋面板和屋脊梁之间存在一定的角度，所以在具体计算屋脊梁时其两侧屋面板抗弯刚度的贡献不应当考虑，设计时应按照矩形梁而非T形梁配筋[3]，建议设计时对主要屋脊梁进行手算校核。随着屋面坡度的增加，边柱轴力逐渐增大，中柱轴力逐渐变小；而按照简化模型(平屋面模型)算得的柱子受力因未考虑屋面坡度的影响，使得中柱的受力较真实情况偏大，偏保守，边柱内力较真实情况偏小，偏不安全。同时，随着屋面坡度的增加，楼层水平向边框梁轴压力逐渐变小，梁端及跨中弯矩以及梁端剪力则逐渐变大；斜向框架梁的轴压力则随之增大，而梁端剪力则逐渐变小[4]。

根据坡屋面的受力变化情况，坡屋面角度转折处的配筋至关重要，设计必须对此位置钢筋配置予以明确，避免施工错误。典型配筋示意如图4～图5所示(实际施工应根据弯折方向进行选用，这里仅为典型示例)。

图4 折梁钢筋布置图

图5 折板钢筋布置图

2.4 PKPM模型关键问题

PKPM中斜梁的输入方式有两种：第一种是采用上节点高命令；第二种是输入梁两端的梁顶标高。第一种方法应用较广，因为如果结构构件的2个节点标高调整，与此构件相连接的其他构件的标高随之调整。第二种输入梁顶标高一般用于定义个别的层间梁和错层梁。另外需要注意上节点高命令具体操作时应采用降节点高度的方法，即输入屋脊节点高度，然后降周边节点[5]，这主要是基于正确考虑风荷载的需要。

分析表明，随着屋面板坡度的逐渐变大，板内弯矩和应力整体呈现减少的趋势；板的弯折角度越大，其支座效应越明显[1]。鉴于此，不建议坡屋面设计时过多设梁，仅需按照平面设梁思路考虑即可。

为了确保相应荷载在坡屋面上能够准确地传导，建模时需要在坡屋面模型的下口设置一个封边梁。坡屋面模型楼层外圈的封边梁和其相邻楼层的外圈封边梁位置相重合。PKPM对此采取合并机制，当下层模型为框梁时，可在坡屋面模型楼层建立一道100×100的虚梁，或者是尺寸相一致的框架梁；如果下层模型为剪力墙，则只能够按照100×100的虚梁来建模(图6)。封边梁的主要作用就是保证屋面板的正确生成和荷载的准确传导。鉴于封边梁的同一位置同时布置着下一层的楼面梁，因此程序在具体计算时只会保留其中一条梁，而把上一层虚梁或者楼层梁上的荷载导到下一层模型上的楼层梁上面。

图6 PKPM结构整楼模型

只有首先存在明确的楼层概念，才可以准确讨论层刚度比，具体到坡屋面而言，结构意义上层的概念并不明晰，所以无法从层刚度比的概念上分析坡屋面，但坡屋面的其它楼层需要考虑层刚度。位移比分析的前提是楼层能够满足刚性楼板的基本假定，但是坡屋面的屋面板是依据弹性板6或者弹性膜来分析计算的，不能满足刚性楼板的约束条件，故坡屋面部分的位移比指标不具有指导意义，然而坡屋面的其它层依然要重视位移比指标[4-5]。

2.5 设计建议

(1)由于与平板受力的本质区别，故坡屋面板的配筋应在受力分析的基础上人工调整配筋。建议坡屋面板厚不小于120mm，双层双向通长布置配筋，并建议适当减少钢筋的间距。

(2)为便于施工，避免错误，建议坡屋面结构绘图时，绘制多角度不同区域详细的剖面定位图。

(3)建议设计院组织设计人员绘制坡屋面标准构造大样图集，形成知识库，提高设计标准化。如节点钢筋锚固、梁箍筋做法等均较平屋面有所不同，有必要予以明确。

(4)坡屋面不可避免存在多根梁相交于一点，此时节点钢筋锚固较为困难，建议钢筋规格选用上有所考虑。

(5)坡屋面造型复杂，建议在PKPM建模时力求主体骨架一致，细节部分选择性舍弃，以避免软件计算错误。

3 坡屋面结构施工要点

3.1 模板工程

模板工程的质量直接影响混凝土的质量，要求模板安装必须保证位置准确、支撑稳固、接缝严密、表面平整。

屋面模板施工前应先研究图纸，根据图纸中表现的坡屋面构件关系准确计算出施工中所需的各种细部尺寸，具体操作可借助CAD软件。施工中应当首先定出各屋脊线上的梁两端标高，铺设梁底膜、梁侧模，并以此为基准线结合计算结果定出各坡屋面构件的实际走向和坡度。

当屋面坡度大于25°时，由于自重混凝土有向下滑动的趋势，应采用类似剪力墙的双层模板。考虑到现场实际情况，为避免施工时混凝土由于自重沿坡屋面模板向下流坠，在坡度允许时可以沿平行于屋脊方向每隔1m设置一道钢丝网进行拦截。

不同于平屋面，坡屋面的模板支撑系统将受到斜屋面传来的水平推力，因此，模板支撑必须增设水平横杆以及斜撑与屋面承重架体连接成为整体(图7)，以避免屋面结构浇筑混凝土时产生的水平方向作用力破坏屋面支撑系统而引起屋面混凝土板的挠曲变形甚至浇筑混凝土时架体坍塌[3]。

图7 支撑体系设计模型

3.2 钢筋工程

坡屋面钢筋放样至关重要，施工前需仔细领会图纸，理解各个结构构件之间的空间关系；同时应关注坡屋面构件节点的大样做法，在钢筋放样时尤其要注意折梁、折板钢筋的弯折角度及断开位置。此外，坡屋面的梁箍筋在施工放样时，根据其在坡屋面的位置可能存在某些梁段箍筋一边或几边为斜边的情况，此种情况下要注意与设计确认梁高具体到哪个位置(图8)。

图8 坡屋面箍筋类型示意图

坡屋面在进行钢筋安装操作时，应在四周搭设操作平台，如果坡屋面过陡，还要注意在模板上钉临时防滑条及架设扶手，便于工人操作。

钢筋安装完毕后，为避免人员踩踏，要注意在上下层板钢筋之间设置马镫以及在马镫上放置架板。马镫的设置，建议结合坡屋面坡度、屋面建筑做法、保护层厚度等因素特殊制作(图9)。

其中坡屋面构造做法如下：

①屋面瓦；

②挂瓦条30×30(h),中距按照瓦材规格；

③顺水条30×30(h),@500；

④35mm厚C15细石混凝土(配Φ6@500×500钢筋网)；

⑤50mm厚挤塑聚苯板,使用DEA砂浆粘贴；

⑥防水层：3mm厚热熔型聚酯胎SBS改性沥青防水卷材；

⑦找平层：15mm厚1∶3水泥砂浆；

⑧钢筋混凝土屋面板,从板内伸出Φ8钢筋,伸出屋面板110mm,双向中距1000mm。

图9 本项目特殊制作的“上”字形马镫

3.3 混凝土工程

坡屋面混凝土浇筑，首先要对进场混凝土坍落度进行控制。考虑到屋面存在坡度，施工中混凝土稍一振捣即发生流淌，难以保证施工质量，因此要求混凝土塌落度既不能过小也不能过大，因为如果过小无法泵送，过大将迅速流淌，建议屋面混凝土坍落度控制在10cm左右。

坡屋面的浇筑顺序同样很关键，这是因为坡屋面混凝土产生的水平力对支撑架体的稳定性影响很大，因此，坡屋面混凝土的浇筑顺序上严格要求对称进行，并且不允许一次将整个斜面浇筑完成。此外为保证施工质量，严禁在浇筑混凝土时采取自上而下的浇筑顺序，因为这样将导致混凝土振捣时向下流动致使难以振捣充分，引起蜂窝、麻面等质量缺陷[6]。

由于混凝土浇筑时系采用对称、自下而上的浇筑方式，时间上周期相较于常规屋面会稍长，为避免或减少施工冷缝的出现，建议在混凝土中掺假缓凝剂并应当保证屋面浇筑时混凝土的连续供应。

为保证作业工人在坡屋面上的安全，坡屋面混凝土浇筑时要在屋面板上搭设钢管架。

坡屋面混凝土浇筑时要求随浇筑随振捣，严格保证振捣质量，浇筑完成后要及时收面，板与板交线处拉线收头，屋脊线要求顺直、对称。

坡屋面施工完毕后应及时养护，要求混凝土表面处于湿润状态至少7d，防止坡屋面混凝土由于收缩裂缝的产生引起渗漏现象的发生。考虑到坡屋面的坡度影响，洒水养护时屋面留不住水，一定程度上影响了养护效果，建议坡屋面浇筑完成后立即进行覆膜，在此基础上进行定期洒水养护。

与此同时，屋面混凝土板强度只有达到或超过设计强度70%时方可上料[7]，以防止因支撑系统及模板的抖动导致屋面混凝土的开裂。如确需行走，应提前设置通道。

4 结语

由于坡屋面的构件关系复杂、变坡转折多、细部节点复杂，使得坡屋面的设计与施工相对繁琐。本文的论述旨在将坡屋面的设计与施工有机结合，从系统的角度考虑问题。在结构设计时正确选择计算软件、进行参数处理、计算结果优化；在施工过程中注意结合坡屋面的特殊情况进行区别对待，从原材料的控制、模板支撑的特殊处理、钢筋加工的精度控制多方面把控，最终保证实现工程预期效果。

参考文献

[1] 黄高琼, 谢刘, 杨朝山,等.钢筋混凝土屋面坡度变化对结构内力的影响分析[J].重庆建筑, 2010, 9(8):31-33.

[2] 孟凡林, 孟祥瑞, 王元,等.不同软件计算钢筋混凝土坡屋面的对比[J].吉林建筑大学学报, 2011, 28(5):9-12.

[3] 汪方羲.浅析坡屋面结构设计及施工[J].福建建筑, 2014(10):60-62.

[4] 张明敏,毕明宇.坡屋面框架结构建模及坡度影响分析[J].建筑技术,2015,46(5):456-458.

[5] 畅君文,夏锦红.现代混凝土坡屋面结构设计[J].建筑科学,2008(5):1-4.

[6] 黄平干.综合探讨医疗建筑工程现场技术服务的设计施工经验及创新[J].四川建筑科学研究, 2015,1(2):320-325.

[7] 施群凯,范作锋,段艳慧,等.大坡度斜屋面构造层防滑移施工技术[J].施工技术,2016,45(3):88-90.

[8] GB50207-2012 屋面工程质量验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社, 2012.