基于PKPM分析不同建模方法对坡屋面计算结果影响

陈家燊 严浩

1. 信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司厦门分院 福建 厦门 361000；2. 南京睿艺环境工程有限公司 江苏 南京 211100

近年来坡屋面造型的建筑拥有优美的外观，丰富的立面造型，防渗漏不易积水等特点，受到越来越多人的青睐；但对于坡屋面的建模却一直是结构工程师不可忽略的一大问题，如何运用PKPM软件，建立与实际建筑相似的模型，且能保证计算结果的准确性，也一直是工程师们研究的问题。本文通过一个模拟案例采用两种不同坡屋面的建模方法，对计算结果进行比较，从而分析不同建模方法对结构的影响[1]。

1 工程概况

本文通过一个长度为12m，宽度为6m，层高为3m，屋顶高度2m的模型案例对不同坡屋面的建模方法进行建模，并分析计算结果，建模过程中除坡屋面建模方式不同之外，其余参数保持一致。本案例的结构形式为框架结构，建筑层数为1层，结构的重要性系数为1，地面粗糙程度为B类，场地类别为三类，抗震等级为三级，设计地震分组为第二组，地震烈度为7度，基本风压为0.8KN/m2，周期折减系数为0.7，体型系数为1.3，楼面及屋面的附加恒载为2KN/m2，楼面及屋面的附加活载分别为2 KN/m2，0.5 KN/m2，梁间线荷载为4KN/m2。模型中柱子截面为400×400，主梁截面为250×500，次梁截面为200×400[2]。

2 坡屋面的建模方法

2.1 简化为平屋面

该建模方法是将坡屋面简化为平屋面，这种建模方法及计算都比较简单，其具体做法是将屋面层更高加高，加高的高度一般取屋面层层高的2/3，但是它不能准确真实地反应结构形态。一般在设计时，会将这种建模方法所计算的结果进行人为的放大，所以这种做法通长比较保守，常常造成设计成本的增多[3]。

2.2 设置“梁两端标高”

在PKPM中通过设置“改上下节点高”和“梁两端标高”来将水平梁改为斜梁，在“改上下节点高”时可分为两种情况，一种采用降节点的方式，即将屋面层设置为一个标准层，楼层组装时输入层高，再将檐口梁降下。另外一种的采用升节点的方式，即将屋面层设置为一个标准层，在楼层组装时将屋面层层高设置为零，再将屋脊梁升高。而针对降节点的方式所创建的坡屋面封口梁的建模方式又可以分为三种。第一，针对框架结构，可将封口梁与屋面梁按实际梁大小建模处理。第二，是将封口梁设置为100mm×100mm的虚梁，及“上虚下实”，这种方式多用于下部为剪力墙结构，此时虚梁起到传递荷载的作用。第三，是同样是设置虚梁，只是此时将虚梁设置在下部，即“上实下虚”的方式，虚梁同样只起到传递荷载的作用。本次案例模拟中，坡屋面的建模方法采用降节点的方式与简化为平屋面的方法进行对比分析[4]。

3 对比计算结果

3.1 弯矩对比

在恒载作用下的弯矩进对比分析，在坡屋面模型弯矩图中，一层上下水平梁的梁底负弯矩约为49kN/m，中间水平梁的梁底负弯矩约为54kN/m，平屋面模型弯矩图中一层上下水平梁的梁底负弯矩约为27kN/m，中间水平梁的梁底负弯矩约为49kN/m，可见坡屋面形式下的水平梁的梁底负弯矩比平屋面下的梁底负弯矩大9%～44%，而在坡屋面模型弯矩图中，一层竖直梁的梁支座弯矩大于14kN/m，平屋面模型弯矩图中，一层竖直梁的梁支座弯矩才约10kN/m，可见坡屋面形式下的竖直梁的梁支座弯矩比平屋面下的梁支座弯矩大[5]。

3.2 轴力对比

在恒载作用下的轴力进行对比分析，可以发现在坡屋面轴力图中，两边柱的柱顶轴力约165kN，柱底轴力约为165kN；中间柱的柱顶轴力约为300kN，柱底轴力约为165kN。在平屋面轴力图中，两边柱的柱顶轴力约65kN，柱底轴力约为65kN；中间柱的柱顶轴力约为120kN，柱底轴力约为120kN，可见坡屋面的柱顶轴力及柱底轴力均比平屋面的柱顶及柱底轴力大，并且发现比平屋面及坡屋面的一层梁均没有轴力，但坡屋面轴力图中，第二层的斜梁出现了轴力，之所以出现这样的情况，是因为对于斜屋面，其在竖向荷载作用下，其竖向荷载分解为沿斜屋面的分荷载及垂直于斜屋面的荷载，导致斜梁产生轴力。

综上所述，通过分析可知，坡屋面的弯矩值均比平屋面的弯矩值大，并且在轴力图中斜梁会出现轴力，出现这种情况，主要是由于两斜梁互为支座，在竖向荷载作用下，沿斜梁方向的分力将对柱产生压力，对斜梁产生拉力，对下层竖向梁产生推力，垂直于斜屋面的荷载侧使斜梁产生弯矩。对于有坡屋面的结构，当坡屋面下有水平板及拉梁时，对坡屋面的计算结果较为准确[6]。

4 结束语

结果表明无论从计算模型, 还是计算结果上, 采用坡屋面降节点的方式比较科学合理。从现在建筑行业来看，坡屋面应用越来越广，如何创建正确的模型，并对其进行正确的分析是一个值得研究的课题，本文仅是对目前已有的一些建坡屋面的方法进行探讨，还有很多需要进一步进行研究和讨论的地方。