張 琪 （中節(jié)能國禎環(huán)保科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 前言

近年來，屋頂綠化在增加城市綠量、提高建筑節(jié)能效益、緩解熱島效應(yīng)、助力碳達(dá)峰碳中和等方面發(fā)揮重要作用。住建部大力推動城市屋頂綠化發(fā)展，相關(guān)部門先后制定《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》《城市綠地設(shè)計規(guī)范》《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，對屋頂綠化提出具體建設(shè)要求，并將屋頂綠化作為《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》的重要指標(biāo)。推動屋頂綠化科研工作，支持相關(guān)科研院校和設(shè)計單位加強(qiáng)屋頂綠化防水材料、適用植物篩選、種植養(yǎng)護(hù)等方面研究，為各地推進(jìn)綠化工作提供適用的技術(shù)方案。住建部加強(qiáng)政策引導(dǎo)，鼓勵各地結(jié)合城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造、生態(tài)修復(fù)城市修補(bǔ)等工作，在相關(guān)建筑滿足荷載、防水和安全等情況下，因地制宜開展屋頂綠化。污水處理工程作為城市建設(shè)的重要部分，逐步推行綠色建筑設(shè)計；早期建設(shè)的污水處理廠，絕大部分構(gòu)筑物的頂面都未進(jìn)行綠建設(shè)計，因此已建污水處理廠的構(gòu)筑物池頂改造勢在必行。

1 工程概況

某工程半地上清水池長52.5m，寬19m，高6.3m?，F(xiàn)需要進(jìn)行綠色建筑節(jié)能改造，增加整個污水處理廠綠化面積，提高整體環(huán)境品質(zhì)。在景觀要求方面，需在該池頂增加綠化設(shè)施，這就要對池頂梁板、池壁等進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算。原設(shè)計圖紙池體結(jié)構(gòu)形式主要為頂板、池壁結(jié)構(gòu)。主池壁厚500mm，基礎(chǔ)采用筏板結(jié)構(gòu)，底板厚度600mm。頂板主要為單向板，頂板厚150mm。池體簡要情況如圖1和圖2所示。本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組第二組，抗震設(shè)防類別為乙類，抗震措施按8度采取。場地特征周期為0.55s。建筑場地類別為Ⅲ類，屬抗震一般地段?？垢≡O(shè)計水位取建成后室外地坪以下1m進(jìn)行設(shè)計。池頂平面布置圖及剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 池頂平面布置圖（單位cm）

圖2 1-1剖面圖（單位cm）

2 池頂改造設(shè)計

2.1 原結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

清水池內(nèi)正常運營狀態(tài)，池內(nèi)水位高度5.6m。池外無土，池內(nèi)滿水工況為最不利情況。原頂板設(shè)計恒載0.5kN/m2(不包括頂板自重)，活載 3.0kN/m2。地基基床系數(shù)取20000kN/m2，組合系數(shù)執(zhí)行《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，恒載分項系數(shù)取1.2，活載分項系數(shù)取1.4。

采用盈建科軟件中的手冊算法，經(jīng)過對原圖紙的復(fù)核計算發(fā)現(xiàn)，原水池頂板設(shè)計富余量很小。頂板最大負(fù)彎矩計算配筋為506mm2，考慮頂板裂縫及溫度變化的影響，配筋為雙層雙向D10@150，配筋面積523mm2，板配筋安全余量很小。該池頂梁編號為兩種梁WKL1、WKL2，截面尺寸依次為300x400，250x600。復(fù)核梁的配筋時，梁的裂縫寬度控制在0.2mm，梁的計算配筋和實際配筋有一定余量。

2.2 池頂改造綠化構(gòu)造及荷載

清水池池頂在綠化植被的選擇上宜采用輕量化的種植土，景觀設(shè)計宜以淺根系，生長緩慢的植被，最后選定為種植草皮。根據(jù)《種植屋面技術(shù)規(guī)程》（JGJ155），采用簡單式種植，種植土采用無機(jī)種植土，其飽和水容重為450～650kg/m3，有機(jī)質(zhì)含量≤2%，總孔隙率在80～90%，有效水分在40%～45%，排水速率≥200mm/h。池頂采用一級防水要求，其池頂做法如圖3所示。

圖3 池頂結(jié)構(gòu)做法

綜合考慮計算，池頂恒載取1.5kN/m2(不包括頂板自重)，池頂活載取3.0kN/m2。

2.3 池頂結(jié)構(gòu)計算復(fù)核（不同計算方法對比分析）

按照綠色建筑設(shè)計要求，后期在池頂增加綠化，如采用常規(guī)結(jié)構(gòu)計算方式，清水池頂面結(jié)構(gòu)將無法滿足承載力極限狀態(tài)要求以及正常使用極限狀態(tài)要求。實際上按照手冊算法，池頂計算本身的安全冗余度存在一定的余量。采用手冊算法，是將整個板塊按照其支座的劃分，分成各個板塊，然后根據(jù)板四邊支座的支撐形式進(jìn)行獨立計算，計算時并沒有考慮相鄰板塊的影響，其計算結(jié)果就會導(dǎo)致板的支座處兩邊負(fù)彎矩計算結(jié)果不平衡，當(dāng)其相鄰板的跨度相差較大的情況時，這種不平衡彎矩會更為明顯。在進(jìn)行設(shè)計配筋時候，往往會忽略這樣的影響，采用較大的一側(cè)進(jìn)行配筋計算，該計算假定與實際情況存在較大差異，但在計算板的支座負(fù)彎矩時具有一定的安全保有量。下面將給出此類問題的多種計算方法，進(jìn)行比較論證設(shè)計。

2.3.1 計算方式的選取

為解決上述計算假定帶來的計算偏差，在考慮頂板配筋計算時，采用彈性板6、有限元算法，手冊算法進(jìn)行不同算法的比較分析。將頂板定義為彈性板6采用盈建科有限元計算，另外采用盈建科手冊算法以及Midas有限元數(shù)值分析計算進(jìn)行不同算法的對比分析。

不同計算方式的特征如下。

①手冊算法

建筑的樓屋面一般為現(xiàn)澆混凝土板，厚度很薄，平面尺寸很大，具有很大的面內(nèi)剛度，因此可近似認(rèn)為樓板在其自身平面內(nèi)為無限剛。在使用剛性樓板假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體分析時，可認(rèn)為每塊剛性樓板在水平面內(nèi)做剛體運動，這就減少了板的自由度，除剛性板主節(jié)點外，其余每個節(jié)點只剩下3個自由度，即繞X、Y方向的轉(zhuǎn)角和Z方向位移。即“剛性樓板”模型假定樓板平面內(nèi)剛度無限大，平面外剛度為零，不考慮樓板面內(nèi)外作用的耦合效應(yīng)。

進(jìn)行剛性樓板假定也是為了讓結(jié)構(gòu)分析的自由度數(shù)目大大減少，增加電算速度以及誤差，更能簡化計算分析過程和結(jié)果的匯總提取。但是，由于假定樓板內(nèi)的節(jié)點沒有相對位移，導(dǎo)致與樓板相互連接的梁等桿件的軸向變形為零，得不到構(gòu)件的軸力，在剛性樓板假定的情況下，軸力被樓板吸收。對于坡屋面和斜板，剛性樓板假定將不再適用。

手冊算法按照《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》的算法計算，根據(jù)彈性薄板算法計算四邊支承板。梁（包括虛梁）對樓板的約束條件按照自動生成或用戶指定的邊界條件為準(zhǔn)，計算中不考慮梁的彈性變形，梁作為樓板的豎向不動支座或固定支座計算。其主要用于大部分有梁體系的板和一般的非特別厚的板，平面內(nèi)剛度無窮大和平面外剛度為零。

②有限元算法且不選擇考慮梁彈性撓度

采用有限元算法時，程序?qū)前遄詣硬捎梅謪^(qū)技術(shù)，忽略相距較遠(yuǎn)板塊的影響，實際上是分成若干相互重疊的小塊板進(jìn)行計算，有限元板的劃分尺寸取0.5m。不選擇考慮梁彈性撓度，則樓板模型只包含樓板單元。梁對樓板的約束條件按照自動生成的或用戶指定的邊界條件為準(zhǔn)且計算不考慮梁的彈性變形，梁作為樓板的豎向不動支座或固定支座，此時作為固定支座的梁位置一般均有支座負(fù)彎矩。

③有限元算法且選擇考慮梁彈性撓度

此時的樓板模型包括梁和樓板兩種構(gòu)件，梁板之間的約束是按照真實的有限元算法算出梁對板的約束條件，可以近似理解為梁是樓板的彈性支座，而豎向構(gòu)件為整個梁板模型的固定支座。當(dāng)梁相對樓板的撓度偏大時，由于梁變形的原因，梁不足以作為樓板的豎向支座，導(dǎo)致次梁位置處的支座負(fù)彎矩和配筋很小甚至為零（施工圖仍然會生成支座構(gòu)造負(fù)筋）。PKPM、盈建科等一些結(jié)構(gòu)計算軟件均有彈性樓板6選項，假定樓板平面內(nèi)剛度和平面外剛度均為有限值。從力學(xué)模型的角度看，彈性樓板6相對最符合樓板的真實受力情況，可以應(yīng)用于任何工程。從工程設(shè)計的角度看，在采用彈性樓板6假定時，部分豎向樓面荷載將通過樓板的面外剛度直接傳遞給豎向構(gòu)件，導(dǎo)致梁的彎矩減少，相應(yīng)的配筋也會減少，這樣可以起到優(yōu)化設(shè)計的作用。當(dāng)樓板厚度較大時，一般應(yīng)考慮樓板和梁的共同作用，使二者共同承擔(dān)荷載，減少梁在各個荷載工況下的彎矩和配筋，經(jīng)濟(jì)合理，更是符合強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計要求，對抗震有利。

2.3.2 分析結(jié)果

①池頂板分析結(jié)果

在分析時，依次進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合進(jìn)行計算，下面將選取的是左邊第二塊板進(jìn)行計算分析統(tǒng)計。該板塊計算跨度lx=4300mm，Ly=17500mm，板厚150mm，保護(hù)層取15mm。該池頂板依次在不同的計算方法下的部分計算結(jié)果如表1所示。

頂板不同計算結(jié)果對比 表1

經(jīng)過以上分析得知，采用手冊算法時是將整個頂板劃分成各個矩形板塊，然后查手冊進(jìn)行計算彎矩，這就導(dǎo)致相鄰板塊之間的彎矩值不相等，與實際受力不符，具有一定的安全保有度。采用盈建科彈性板6算法能夠平衡支座兩側(cè)處的彎矩值，從而降低板支座處的彎矩值。采用Midas有限元算法和盈建科的彈性板6算法相差不大。在實際設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)計比較，做到確保結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，從而達(dá)到使用的功能要求。

②池頂梁分析結(jié)果

池頂梁分析時，一是采取常規(guī)分析方法，即樓板荷載采取了平面導(dǎo)荷的方式，直接導(dǎo)荷給梁進(jìn)行計算。二是采用彈性板6進(jìn)行計算，考慮梁與彈性板變形協(xié)調(diào)。其分析結(jié)果選WKL1、WKL2中的各一根梁進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

頂板梁不同計算結(jié)果對比 表2

通過以上分析得知，采用彈性板6分析時，可以顯著降低梁的彎矩和剪力，從而減少梁的配筋起到設(shè)計優(yōu)化作用，但是也要根據(jù)實際項目情況進(jìn)行合理的分析。經(jīng)過驗算，梁的強(qiáng)度滿足池頂綠化后的荷載要求。

2.4 設(shè)計結(jié)果及設(shè)計要點

經(jīng)過以上驗算在池頂恒載恒載取1.5kN/m2，活載取3.0kN/m2的情況下，池頂板能夠滿足設(shè)計要求。既有池頂面改造工程，在要保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，兼顧綠色節(jié)能和整個廠區(qū)的綠化配置。在進(jìn)行綠化設(shè)計時，對不同工程特點考慮以下幾點：

①在改造之前，如原頂具有防水層，在改造前對原防水層進(jìn)行評估和鑒定，以確認(rèn)是否滿足改造要求，如原防水層具有防水能力，可直接在其上增加一道耐根穿刺防水層，新鋪設(shè)的防水層與舊防水層應(yīng)能很好的結(jié)合，如既有防水層不能滿足要求時，清除后按照種植屋面防水層要求重新鋪設(shè)防水層，種植樓面必須滿足一級防水的要求；

②如有節(jié)能設(shè)計，按照節(jié)能計算進(jìn)行保溫層的鋪設(shè)，并符合相關(guān)要求；

③種植土采用輕量化的種植土，植被應(yīng)選擇生長緩慢，適合及時修剪的淺根系植被；

④種植頂面具備良好的排水措施，按照要求設(shè)置緩沖帶，緩沖帶的材質(zhì)宜采用陶粒等輕質(zhì)材料；

⑤種植屋面的四周設(shè)置防滑、防墜落等設(shè)施，必要時設(shè)置屋面防雷系統(tǒng)。