文/林紅星（安徽中亞鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司）

2018年底，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)工作會(huì)議提出大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)等裝配式建筑，加快完善裝配式建筑技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系。裝配式鋼結(jié)構(gòu)由主體鋼結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等建筑部品組成，各部品在工廠加工制作，在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)模塊化安裝。該結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、重量輕、施工快捷、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。輕鋼結(jié)構(gòu)建筑中屋面通常做成坡屋面，常見(jiàn)于多層居住建筑、舊屋面改造、臨時(shí)建筑設(shè)施等項(xiàng)目中，既能豐富建筑立面，防滲防漏，保溫隔熱，又可以改善頂層的居住環(huán)境，提高整個(gè)建筑空間的利用率。坡屋面通常分為單坡、雙坡、四坡等形式，采用鋼屋架建造的坡屋頂重量輕、防水性能好、保溫節(jié)能，可滿足不同建筑屋面造型的需要。

一、工程概況

工程項(xiàng)目為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，主體結(jié)構(gòu)兩層，多坡屋面，建筑坡度約23 度，結(jié)構(gòu)體系為鋼框架結(jié)構(gòu)，樓板為預(yù)制疊合樓板，外圍護(hù)墻板為薄壁型鋼骨架輕質(zhì)混凝土復(fù)合板[1]。鋼屋架由多個(gè)桁架現(xiàn)場(chǎng)拼接而成，如圖1 所示，其中編號(hào)為1 的屋架為主屋架，屋面板考慮兩種方案。

方案一：模塊化屋面。采用薄壁型鋼骨架輕質(zhì)混凝土復(fù)合板，將屋面分塊制作薄壁型鋼骨架，再將ALC 板通過(guò)自攻釘固定在骨架上[2]，整個(gè)屋面板實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，工廠加工制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接件與鋼屋架機(jī)械連接，安裝較為便捷，能減少施工現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量。

圖1 鋼屋架平面圖

方案二：整體式屋面，即現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面?，F(xiàn)澆屋面的支撐仍采用薄壁型鋼骨架，骨架安裝好后再澆注混凝土。現(xiàn)澆屋面作為一種常規(guī)屋面，適用性強(qiáng)、整體性好,具有良好的防水防滲性能。

鋼屋架使用矩形鋼管設(shè)計(jì)，與二層鋼框架梁頂螺栓連接，能夠同時(shí)滿足上述兩種屋面板方案的要求。屋架上下弦桿和拼接處立柱截面均為100mm×50mm、厚度為3.0mm，腹桿截面為80mm×40mm、厚度為3.0mm，材料為Q235。方案一屋面恒載為1.5kN/m2，方案二屋面恒載為2.5kN/m2，屋面活載為0.6 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，考慮水平地震作用，抗震設(shè)防烈度為7 度(0.1g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

二、鋼屋架整體受力分析

本工程屋面為多坡屋面，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，采用單榀平面設(shè)計(jì)不能準(zhǔn)確計(jì)算屋架的受力情況，需使用空間受力模型計(jì)算分析。薄壁型鋼骨架采用點(diǎn)支撐式與鋼屋架連接，支撐點(diǎn)位于桁架腹桿與上弦桿的交點(diǎn)，屋面荷載通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞至屋架。使用3D3S 中的空間任意結(jié)構(gòu)整體建模，能夠滿足本工程的計(jì)算需要，同時(shí)可以對(duì)桿件按規(guī)范進(jìn)行校核。

鋼屋架計(jì)算模型中，腹桿兩端和支座均設(shè)置為鉸接[3]。表1 為鋼屋架的計(jì)算結(jié)果，從表1 的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，最大應(yīng)力比均為平面外穩(wěn)定應(yīng)力控制狀態(tài)，方案一鋼屋架在標(biāo)準(zhǔn)組合“恒載+活載”作用下最大豎向撓度為1.734mm。鋼屋架整體用鋼量約1.9t。

計(jì)算結(jié)果表明：兩種屋面板方案的鋼屋架均滿足GB 50017-2017 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[4]的規(guī)定，方案一采用模塊化屋面重量輕，安裝便捷，可對(duì)鋼屋架截面做適當(dāng)優(yōu)化，以節(jié)省材料。

三、鋼屋架節(jié)點(diǎn)有限元分析

本工程中鋼屋架最為復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)如圖2 所示，圖中數(shù)字表示桿件編號(hào)，該節(jié)點(diǎn)由圖1 中1 號(hào)、3 號(hào)和4 號(hào)屋架組成，受力情況較為復(fù)雜。運(yùn)用通用有限元軟件ADINA 對(duì)該節(jié)點(diǎn)在最不利荷載組合工況下的受力進(jìn)行分析，可以了解節(jié)點(diǎn)的受力情況，改善節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的不足。最不利荷載組合工況內(nèi)力通過(guò)提取3D3S 模型中的內(nèi)力確定，如表2 所示，N表示軸力，單位為kN，壓力為負(fù)值,拉力為正值。

圖2 節(jié)點(diǎn)示意圖

表1 鋼屋架的計(jì)算結(jié)果

表2 最不利荷載組合工況節(jié)點(diǎn)內(nèi)力（單位：kN）

圖3 方案二節(jié)點(diǎn)有效應(yīng)力圖

圖4 方案二節(jié)點(diǎn)改進(jìn)后有效應(yīng)力圖

材料選取：矩形鋼管選用理想的彈塑性模型，屈服應(yīng)力為215 N/mm2，彈性模量為2.06×105 N/mm2，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

單元選?。菏褂?D 實(shí)體單元能真實(shí)有效地反映節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。

約束和加載：對(duì)主管兩端（桿件1 和2）的x、y和z向的平動(dòng)自由度進(jìn)行約束，桿件軸力加載于支管端部，加載方式采用逐級(jí)加載，分為10 個(gè)時(shí)間步，每步荷載增量為設(shè)計(jì)荷載的1/10。

網(wǎng)格劃分：經(jīng)試算選擇10 節(jié)點(diǎn)的3D 實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格能夠滿足精度要求[5]，網(wǎng)格密度為25mm，自由網(wǎng)格劃分。

分析類型：選擇結(jié)構(gòu)靜力分析，同時(shí)打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步，采用位移收斂準(zhǔn)則。

圖3 為方案二節(jié)點(diǎn)有效應(yīng)力圖，最大應(yīng)力為114.8MPa，方案一中的最大應(yīng)力為75.2MPa，均位于各屋架的連接處（圖略）。由圖3 可知，桿件中的應(yīng)力分布較為均勻，遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力較小，屋架連接處的應(yīng)力大于桿件中的應(yīng)力，存在應(yīng)力集中問(wèn)題，但均小于材料的屈服強(qiáng)度，整體仍偏于安全?？紤]該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)焊接等因素，對(duì)節(jié)點(diǎn)處主管局部設(shè)置外套管或內(nèi)襯加勁板，可避免應(yīng)力集中，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力[6,7]。圖4 為方案二節(jié)點(diǎn)設(shè)置外套管后的有效應(yīng)力圖，最大應(yīng)力為83.4MPa，方案一節(jié)點(diǎn)改進(jìn)后的最大有效應(yīng)力55.7MPa（圖略），應(yīng)力峰值下降較為明顯。

四、結(jié)論

模塊化屋面相對(duì)于整體式屋面，重量輕，便于施工安裝，能減少現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)量；模塊化屋面和整體式屋面方案的鋼屋架均滿足規(guī)范中的規(guī)定，可對(duì)方案一鋼屋架截面作適當(dāng)優(yōu)化，以節(jié)省材料；節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力位于各屋架的連接處，但小于材料的屈服強(qiáng)度，整體偏于安全；對(duì)節(jié)點(diǎn)處主管局部設(shè)置外套管或內(nèi)襯加勁板，可避免應(yīng)力集中，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力。