鋼筋混凝土坡屋面結構設計與施工要點研究

沈壘 郭鵬

(機械工業第六設計研究院有限公司 河南鄭州 450000)

0 引言

近年來隨著建筑市場的日趨成熟，建筑產品日趨多樣化，坡屋面以其造型美觀、防滲漏、不易積水等優點日漸受到人們的青睞，在公共建筑、住宅建筑中應用越來越廣泛。而在援外項目中為適應當地特色，坡屋面更是大量應用，然而援外項目所在國條件(人工、材料、機械)不理想，施工往往存在困難。在此背景下，做好鋼筋混凝土坡屋面的結構設計與施工顯得尤為重要。

基于此，本文以某援外項目為例對坡屋面設計和施工中應關注的問題進行分析，以期系統地對該類項目的設計和施工加以指導。

1 項目概況

該項目為援肯尼亞內羅畢大學孔子學院項目(圖1～圖3)，涵蓋辦公樓、綜合樓、宿舍樓，總建筑面積約6325m2。地上4層局部2層，無地下室，結合當地建筑特色，所有建筑單體均采用坡屋面的結構形式，屋蓋坡度為12°～25°(無悶頂)，掛水泥瓦。

圖1 工程效果圖

圖2 教學樓立面圖

圖3 教學樓屋頂平面圖

該工程結構類型為鋼筋混凝土框架結構，柱下獨立基礎。鋼筋強度等級為HRB400E，混凝土強度等級為C30。施工時水泥在當地采購，限于當地條件，只能采購到硅酸鹽水泥。混凝土由施工企業自行拌制，澆筑時采用泵送，無混凝土外加劑。

2 結構設計要點

2.1 軟件選用

目前市場上可對坡屋面進行結構研究的軟件有SATWE、PMSAP、SAP2000、MIDAS/GEN、ANSYS等。

各種軟件依據其側重點應用在不同的場景中，一般來說ANSYS、SAP2000多應用于學術研究；MIDAS/GEN既可應用于學術研究，也可在復雜工程中使用；SATWE、PMSAP均屬PKPM設計模塊，一般應用在工程設計領域。初期的PKPM有很多局限性，隨著軟件的不斷完善，一些問題逐步得到了解決，比如目前PKPM對于斜板的作用已能正確分析。

2.2 荷載處理

荷載的準確計算是結構設計的前提條件，從荷載類型上來說，坡屋面需考慮恒荷載、活荷載等，與常規屋面一致。同時，結合坡屋面的特殊性，進行坡屋面設計時，無論恒活荷載均要注意考慮屋面坡度的影響，如以平屋面代替坡屋面建模，則恒荷載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慮，往往會設置一圈檐溝，如模型簡化(未將檐溝建入模型)，則在荷載計算上也要予以考慮。

2.3 受力簡述

好的結構設計一定是基于全面的力學行為研究，準確掌握坡屋面的受力性能對于做好坡屋面結構設計至關重要。

有限元研究表明，結構隨屋面坡度的增加側向剛度逐漸變弱、周期逐漸增加[1]，在實際設計中可據此判斷軟件所建模型是否合理。常規的結構梁板屬于受彎構件，由于坡度的存在使得坡屋面上梁板成壓彎構件[2]，在設計時最好應注意上部縱筋通長設置。在豎向荷載作用下，坡屋面結構會對兩邊豎向支撐構件產生一定的水平推力，SATWE得出的柱頂彎矩偏小，與屋面斜梁相連的柱配筋應當適當增加[2]。坡屋面的屋面板折角處存在應力集中現象，同時屋脊線法線方向有拉應力存在[1]，在設計中應對折板相交處做局部加強處理，屋脊處施工時應加強對板面筋的保護，防止被人踩踏，達不到抵抗拉應力的作用。屋脊梁是坡屋面板的支撐點，與平屋面不同的是這里屋面板和屋脊梁之間存在一定的角度，所以在具體計算屋脊梁時其兩側屋面板抗彎剛度的貢獻不應當考慮，設計時應按照矩形梁而非T形梁配筋[3]，建議設計時對主要屋脊梁進行手算校核。隨著屋面坡度的增加，邊柱軸力逐漸增大，中柱軸力逐漸變小；而按照簡化模型(平屋面模型)算得的柱子受力因未考慮屋面坡度的影響，使得中柱的受力較真實情況偏大，偏保守，邊柱內力較真實情況偏小，偏不安全。同時，隨著屋面坡度的增加，樓層水平向邊框梁軸壓力逐漸變小，梁端及跨中彎矩以及梁端剪力則逐漸變大；斜向框架梁的軸壓力則隨之增大，而梁端剪力則逐漸變小[4]。

根據坡屋面的受力變化情況，坡屋面角度轉折處的配筋至關重要，設計必須對此位置鋼筋配置予以明確，避免施工錯誤。典型配筋示意如圖4～圖5所示(實際施工應根據彎折方向進行選用，這里僅為典型示例)。

圖4 折梁鋼筋布置圖

圖5 折板鋼筋布置圖

2.4 PKPM模型關鍵問題

PKPM中斜梁的輸入方式有兩種：第一種是采用上節點高命令；第二種是輸入梁兩端的梁頂標高。第一種方法應用較廣，因為如果結構構件的2個節點標高調整，與此構件相連接的其他構件的標高隨之調整。第二種輸入梁頂標高一般用于定義個別的層間梁和錯層梁。另外需要注意上節點高命令具體操作時應采用降節點高度的方法，即輸入屋脊節點高度，然后降周邊節點[5]，這主要是基于正確考慮風荷載的需要。

分析表明，隨著屋面板坡度的逐漸變大，板內彎矩和應力整體呈現減少的趨勢；板的彎折角度越大，其支座效應越明顯[1]。鑒于此，不建議坡屋面設計時過多設梁，僅需按照平面設梁思路考慮即可。

為了確保相應荷載在坡屋面上能夠準確地傳導，建模時需要在坡屋面模型的下口設置一個封邊梁。坡屋面模型樓層外圈的封邊梁和其相鄰樓層的外圈封邊梁位置相重合。PKPM對此采取合并機制，當下層模型為框梁時，可在坡屋面模型樓層建立一道100×100的虛梁，或者是尺寸相一致的框架梁；如果下層模型為剪力墻，則只能夠按照100×100的虛梁來建模(圖6)。封邊梁的主要作用就是保證屋面板的正確生成和荷載的準確傳導。鑒于封邊梁的同一位置同時布置著下一層的樓面梁，因此程序在具體計算時只會保留其中一條梁，而把上一層虛梁或者樓層梁上的荷載導到下一層模型上的樓層梁上面。

圖6 PKPM結構整樓模型

只有首先存在明確的樓層概念，才可以準確討論層剛度比，具體到坡屋面而言，結構意義上層的概念并不明晰，所以無法從層剛度比的概念上分析坡屋面，但坡屋面的其它樓層需要考慮層剛度。位移比分析的前提是樓層能夠滿足剛性樓板的基本假定，但是坡屋面的屋面板是依據彈性板6或者彈性膜來分析計算的，不能滿足剛性樓板的約束條件，故坡屋面部分的位移比指標不具有指導意義，然而坡屋面的其它層依然要重視位移比指標[4-5]。

2.5 設計建議

(1)由于與平板受力的本質區別，故坡屋面板的配筋應在受力分析的基礎上人工調整配筋。建議坡屋面板厚不小于120mm，雙層雙向通長布置配筋，并建議適當減少鋼筋的間距。

(2)為便于施工，避免錯誤，建議坡屋面結構繪圖時，繪制多角度不同區域詳細的剖面定位圖。

(3)建議設計院組織設計人員繪制坡屋面標準構造大樣圖集，形成知識庫，提高設計標準化。如節點鋼筋錨固、梁箍筋做法等均較平屋面有所不同，有必要予以明確。

(4)坡屋面不可避免存在多根梁相交于一點，此時節點鋼筋錨固較為困難，建議鋼筋規格選用上有所考慮。

(5)坡屋面造型復雜，建議在PKPM建模時力求主體骨架一致，細節部分選擇性舍棄，以避免軟件計算錯誤。

3 坡屋面結構施工要點

3.1 模板工程

模板工程的質量直接影響混凝土的質量，要求模板安裝必須保證位置準確、支撐穩固、接縫嚴密、表面平整。

屋面模板施工前應先研究圖紙，根據圖紙中表現的坡屋面構件關系準確計算出施工中所需的各種細部尺寸，具體操作可借助CAD軟件。施工中應當首先定出各屋脊線上的梁兩端標高，鋪設梁底膜、梁側模，并以此為基準線結合計算結果定出各坡屋面構件的實際走向和坡度。

當屋面坡度大于25°時，由于自重混凝土有向下滑動的趨勢，應采用類似剪力墻的雙層模板。考慮到現場實際情況，為避免施工時混凝土由于自重沿坡屋面模板向下流墜，在坡度允許時可以沿平行于屋脊方向每隔1m設置一道鋼絲網進行攔截。

不同于平屋面，坡屋面的模板支撐系統將受到斜屋面傳來的水平推力，因此，模板支撐必須增設水平橫桿以及斜撐與屋面承重架體連接成為整體(圖7)，以避免屋面結構澆筑混凝土時產生的水平方向作用力破壞屋面支撐系統而引起屋面混凝土板的撓曲變形甚至澆筑混凝土時架體坍塌[3]。

圖7 支撐體系設計模型

3.2 鋼筋工程

坡屋面鋼筋放樣至關重要，施工前需仔細領會圖紙，理解各個結構構件之間的空間關系；同時應關注坡屋面構件節點的大樣做法，在鋼筋放樣時尤其要注意折梁、折板鋼筋的彎折角度及斷開位置。此外，坡屋面的梁箍筋在施工放樣時，根據其在坡屋面的位置可能存在某些梁段箍筋一邊或幾邊為斜邊的情況，此種情況下要注意與設計確認梁高具體到哪個位置(圖8)。

圖8 坡屋面箍筋類型示意圖

坡屋面在進行鋼筋安裝操作時，應在四周搭設操作平臺，如果坡屋面過陡，還要注意在模板上釘臨時防滑條及架設扶手，便于工人操作。

鋼筋安裝完畢后，為避免人員踩踏，要注意在上下層板鋼筋之間設置馬鐙以及在馬鐙上放置架板。馬鐙的設置，建議結合坡屋面坡度、屋面建筑做法、保護層厚度等因素特殊制作(圖9)。

其中坡屋面構造做法如下：

①屋面瓦；

②掛瓦條30×30(h),中距按照瓦材規格；

③順水條30×30(h),@500；

④35mm厚C15細石混凝土(配Φ6@500×500鋼筋網)；

⑤50mm厚擠塑聚苯板,使用DEA砂漿粘貼；

⑥防水層：3mm厚熱熔型聚酯胎SBS改性瀝青防水卷材；

⑦找平層：15mm厚1∶3水泥砂漿；

⑧鋼筋混凝土屋面板,從板內伸出Φ8鋼筋,伸出屋面板110mm,雙向中距1000mm。

圖9 本項目特殊制作的“上”字形馬鐙

3.3 混凝土工程

坡屋面混凝土澆筑，首先要對進場混凝土坍落度進行控制。考慮到屋面存在坡度，施工中混凝土稍一振搗即發生流淌，難以保證施工質量，因此要求混凝土塌落度既不能過小也不能過大，因為如果過小無法泵送，過大將迅速流淌，建議屋面混凝土坍落度控制在10cm左右。

坡屋面的澆筑順序同樣很關鍵，這是因為坡屋面混凝土產生的水平力對支撐架體的穩定性影響很大，因此，坡屋面混凝土的澆筑順序上嚴格要求對稱進行，并且不允許一次將整個斜面澆筑完成。此外為保證施工質量，嚴禁在澆筑混凝土時采取自上而下的澆筑順序，因為這樣將導致混凝土振搗時向下流動致使難以振搗充分，引起蜂窩、麻面等質量缺陷[6]。

由于混凝土澆筑時系采用對稱、自下而上的澆筑方式，時間上周期相較于常規屋面會稍長，為避免或減少施工冷縫的出現，建議在混凝土中摻假緩凝劑并應當保證屋面澆筑時混凝土的連續供應。

為保證作業工人在坡屋面上的安全，坡屋面混凝土澆筑時要在屋面板上搭設鋼管架。

坡屋面混凝土澆筑時要求隨澆筑隨振搗，嚴格保證振搗質量，澆筑完成后要及時收面，板與板交線處拉線收頭，屋脊線要求順直、對稱。

坡屋面施工完畢后應及時養護，要求混凝土表面處于濕潤狀態至少7d，防止坡屋面混凝土由于收縮裂縫的產生引起滲漏現象的發生。考慮到坡屋面的坡度影響，灑水養護時屋面留不住水，一定程度上影響了養護效果，建議坡屋面澆筑完成后立即進行覆膜，在此基礎上進行定期灑水養護。

與此同時，屋面混凝土板強度只有達到或超過設計強度70%時方可上料[7]，以防止因支撐系統及模板的抖動導致屋面混凝土的開裂。如確需行走，應提前設置通道。

4 結語

由于坡屋面的構件關系復雜、變坡轉折多、細部節點復雜，使得坡屋面的設計與施工相對繁瑣。本文的論述旨在將坡屋面的設計與施工有機結合，從系統的角度考慮問題。在結構設計時正確選擇計算軟件、進行參數處理、計算結果優化；在施工過程中注意結合坡屋面的特殊情況進行區別對待，從原材料的控制、模板支撐的特殊處理、鋼筋加工的精度控制多方面把控，最終保證實現工程預期效果。

參考文獻

[1] 黃高瓊, 謝劉, 楊朝山,等.鋼筋混凝土屋面坡度變化對結構內力的影響分析[J].重慶建筑, 2010, 9(8):31-33.

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[4] 張明敏,畢明宇.坡屋面框架結構建模及坡度影響分析[J].建筑技術,2015,46(5):456-458.

[5] 暢君文,夏錦紅.現代混凝土坡屋面結構設計[J].建筑科學,2008(5):1-4.

[6] 黃平干.綜合探討醫療建筑工程現場技術服務的設計施工經驗及創新[J].四川建筑科學研究, 2015,1(2):320-325.

[7] 施群凱,范作鋒,段艷慧,等.大坡度斜屋面構造層防滑移施工技術[J].施工技術,2016,45(3):88-90.

[8] GB50207-2012 屋面工程質量驗收規范[S].北京：中國建筑工業出版社, 2012.