带闷顶层框架结构的建模和设计方法.docx

?

?

带闷顶层框架结构的建模和设计方法

?

?

摘要：利用有限元软件对带闷顶层的框架结构进行分析，根据平面和刚度计算结果，结合实践经验提出闷顶层的建模建议及设计方法。

关键词：坡屋面；框架结构；有限元

引言

闷顶一般指坡屋面与下层平屋面联合形成的封闭或半封闭空间。南方雨水多，坡屋面可以快速排出雨水，并且采用挂瓦等做法可以有效美化立面，是最常见的屋面样式，因此闷屋顶广泛存在于工程实践中。

闷顶由两层结构板组成，因为存在重合的区域，在建模中会遇到较多问题。本文运用盈建科有限元软件，对闷屋顶层按实际建模，并探讨屋面层的刚度问题。

1结构建模和分析

1.1工程概况

广东某校区教学楼七层带闷顶框架结构，结构总高度为32.2m，檐口高度为27.45m。屋面坡度1：2，为双坡屋面，坡屋面檐口低于平屋面标高，坡屋面和平屋面层共用边梁，并设置内排水沟。屋面大样如图1所示。

图1坡屋面大样

1.2建模要点

常见建模方法是将闷顶设置为独立两层再组合在一起计算。这种处理方法虽无大碍，但不能很好的模拟边梁受力，增加建模的工作量的同时计算书中也不便说明以哪一层的计算结果为准。为此可以采用一些特别做法来解决。

本工程采用盈建科有限元软件做整体分析，其中结构主体按常规框架结构建模，主体建模在此不予赘述。鉴于软件的建模规则，闷屋顶层需拆分为平屋面层和坡屋面层两层分别建模，最后通过调整节点高度，将两层连接到一起。注意到，调整节点高度后，两层出现共用同一道边梁的情况（见图1），建模中需要将坡屋面层（即上一层）对应的边梁设置为“虚梁”。调整节点标高后，上下层边梁重合，软件在计算过程中，自动归并边梁，输出一个合力结果。用“虚梁”的方式建模，能够较简便合理地模拟构件实际受力状况，减少模型的工作量。屋面层模型如图2所示。

图2坡屋面层模型图

1.3平面计算结果

计算结果中如图3和图4所示，坡屋面层调节节点标高后与平屋面层重叠的梁和柱，均不再输出结果。笔者按照以往做法，另建一个不合并屋面层的模型，采用等效荷载方式将坡屋面荷载施加在平屋面边梁上，所得结果与上述方式建模的结果基本一致。合并后的计算模型更为简洁，输出结果更为明确和准确。

图3坡屋面层局部计算结果

图4平屋面层局部计算结果

1.4刚度问题

闷屋顶层因为三角剖面的形式，形同层间设置斜撑，顶层整体刚度会极大增加。如表1所示，闷顶层位移角变得很小，由六层的1/3000左右，突变为1/9999，反映出抗侧刚度很大，导致下一层的刚度比远小于1，按照规范要求，此时六层应为薄弱层。但相关研究采用有限元空间模拟计算，与采用层为概念计算的结果对比，发现两者在平面计算结果基本一致，而抗侧刚度上有较大差异[1]。大量工程实践表明，因坡屋面有较多不确定因素以及计算方法的局限性，建模中比较常用的做法是，按平层和半层高设置屋面层。基于这个做法，笔者按平屋面调整模型，得到的刚度比，基本等于或者大于1.0。

表1楼层位移角和刚度比

实践中还遇到过，只在建筑平面外围设置有闷屋顶，平面内部没有结构连接，即大开洞，或者闷顶为悬挑结构的情况，如图5所示。此类情况坡屋面层往往通过一根大梁与平屋面层连接，上下两层不仅共用边梁，同时还共用侧边梁，形成一个更复杂的空间体。此时边梁仍然可以通过降节点的方式简化，但侧边梁由于受到软件计算法则的局限，无法合并，所以此类情况的模型不宜简化，而应做进一步分析。但无论如何，这种复杂的空间体是小范围的刚度变大，可视作为同一层，因此在分析此类刚度问题时，可将坡屋面视作非框架构件去除，只保留平屋面层作整体分析。

图5悬挑闷顶层大样

2结语和建议

（1）闷顶层分离式建模和合并建模，两者计算结果并无太大差别。

（2）合并建模采用调整节点高结合虚梁的方式实现，软件自动归并同一标高的构件。这种建模方法可以简化模型，使计算书更为简洁明朗，计算结果也更能反映实际情况。

（3）采用调节点高的方式会导致屋面层刚度增大，与实际情况不符。而简化模型后得到的刚度结果也不能完全反映。闷屋顶的形式种类繁多，应该按照具体情况具体分析。另外实践中，因闷屋顶广泛使用，闷顶层刚度增大又是客观存在的，所以无论计算结果如何，都建议在概念上对下一层结构采取加强措施。

Reference：

[1]徐杰年.斜坡屋面设计及分析[J].广东建材,2007(5):118-119.

?

-全文完-