刘兴才
中国中元国际工程有限公司，北京市海淀区，
摘要：近年来，地震灾害频发，造成了巨大的财产损失。在乡村地区，由于对抗震设防的重视程度不够和受到传统习惯的影响，当地居民主要根据自己的意愿建造住宅，很多不考虑抗震设防的要求，当地震发生时，这部分住宅破坏严重，屋盖坍塌情况较为普遍，对当地居民的生命财产安全产生巨大的威胁。本文从屋盖结构的安全性出发，对典型屋架采用有限元分析软件ANSYS进行分析，针对分析结果，同时结合实际情况提出了改造方案，经有限元计算软件ANSYS分析后满足设计要求。
关键词：抗震设防、屋盖、有限元分析
前言
现有的乡村建筑大都采用纯木质平面桁架作为屋架，且各平面桁架平行布置在建筑中，在受力分布上较单一，仅有两端与墙体连接，使得屋架体系有一定的不稳定性。在发生地震时这种屋架比较容易沿着与其垂直的方向倾斜垮塌，或者因支撑屋架的外墙外闪造成屋架一端失去支撑而坠落，从而造成不必要的人员伤亡和财产损失。平面屋架在材料选择上也没有充分利用不同建筑材料之间成本和受力特性互补的特点，盲目使用截面过大的木材，造成了严重的浪费，而且木质材料受资源和环境因素的影响较大，作为桁架下弦杆件时极其浪费资源，且自重较大，容易是支撑屋架的墙体出现裂缝，从而使整个结构趋于不稳定性。图1.1为乡村住宅的平面屋架。
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图1.1平面屋架
1典型屋架计算分析
为了进一步验证平面桁架屋架的受力特性，用有限元软件ANSYS建立实体模型，选用Beam188单元，弹性模量取1.2×106Kpa，泊松比为0.3，屋面荷载按上人屋面2.0kN均布荷载加到屋架上弦杆上。图1.2为有限元模型。
图1.2平面屋架模型
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图1.2有限元模型
通过对该平面屋架的静力分析发现：屋架的上弦杆主要受到的压力较大，腹杆中竖向受压，斜向受拉，下弦杆基本是受拉，可见下弦杆完全可以用一种抗拉性能较强的材料代替，而截面过大对结构的受力性能没有太大的帮助。
从抗震的角度来说，平面屋架仅有两个固定点和墙体连接，对墙体没有约束作用，而且墙体对屋架也没用限制作用，这就导致了屋架比较容易倾覆，造成生命财产的损失。当承载屋架的任何一段墙体外闪塌落时，屋架都会塌落；当山墙破坏时，山墙上的檩条也会因山墙承载力不足而坠落。
2空间屋架结构设计
从当地人对住宅外形的要求出发，为了保持改造后的住宅屋面和原住宅屋面的相似性，本文提出一种改造后的轻型钢木桁架空间结构。
该屋架主要是一种由木材和钢筋组合成的空间桁架结构。屋架主体由两榀三角形平面桁架交叉组成，两平面桁架相互垂直。在桁架的组成材料上，主要是在节能环保和利用当地材料的基础上，从材料造价的角度考虑，采用村镇建筑中经常采用的圆木作为弦杆的主要材料。每个桁架都有靠近末端的竖向支撑和靠近中间立杆的斜杆组成，这样使结构更加稳定。具体如图1.3。
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图1.3空间桁架示意图
在受力方面，根据屋面和各弦杆的受力原理和受力特性，考虑到在乡村地区房屋中该空间桁架直接用圆木作为下弦杆时，对结构的跨度有限制作用，而且不利于抗震要求，因此桁架下面的下弦杆采用钢筋拉接，组成空间钢木桁架增大了跨度，此处的钢筋主要受到拉力的作用，而腹杆中有的杆件是压杆而有的杆件是拉杆。
在不同的节点主要采用锚固构件并进行齿结合使其接近刚接点，从而增加整个结构的稳定性，特别是增加了在地震动作用时的稳定性，同时，采用钢筋代替大截面圆木做下弦杆可以减少了整个结构的自重，而且还可以降低造价，从经济角度更易让乡村居民接受。两桁架垂直交于中间支撑杆处，并将屋面荷载作用于桁架的力部分转移至中间支撑杆件处，进而又传递到中心节点板上，从而将竖向荷载通过变化转移成钢筋的部分拉力，减小了承载力破坏荷载，使得屋面更加稳定，避免了在地震发生时结构的倾覆，从而保护了居民的生命财产安全。另外，钢筋的加入使得该桁架体系有一定的柔性作用，使其破坏类型成为塑性破坏，减少了伤亡事件的发生。
通过对现有屋架的调查以及对相关屋架的结构分析，将屋架的尺寸初步定在由两榀全等的、长为8~15m、高跨比为1/4~1/2的等腰三角形平面钢木桁架和节点板组装连接成空间立体结构，在受力点分布上更加科学合理，下弦杆用钢筋代替大截面木材，节省了材料，并充分利用了不同材料之间的特性，降低了结构的自重，同时降低了造价，增加了结构的稳定性和抗震性能，适合乡村地区的建筑使用。
该屋架的两榀平面钢木桁架以立式交叉，且各平面钢木桁架的中间立杆相重合，所述相重合的过顶点的中线位置处固定有支杆，支杆上端与各上弦杆相连接，下端固定于节点板上。各平面钢木桁架的下弦杆相交并固定于节点板上，下弦杆两端与上弦杆相连接，上弦杆与支杆上端采用锚固钉连接固定，支杆下端采用锚固钉连接固定在节点板上。为了保证下弦杆的两根钢筋在使用过程中保持平行，可在两根钢筋之间焊接钢质支撑点，并且该钢质支撑点可焊接在腹杆与下弦杆的连接点处。
由于采用钢木结构，该空间桁架的跨度较大，满足乡村地区建筑中横向和纵向大跨空间的要求。
3空间屋架受力性能分析
该屋架配合改造后的砌体住宅使用，改造后住宅的横墙长度为6m，两开间为7.2m，以此确定桁架跨度。
在乡村地区屋架荷载主要有下面几部分组成：屋架荷载主要考虑屋面自重，因该大跨度轻型钢木桁架屋架应用于村镇地区，而村镇建筑中屋面自重主要包括粘土平瓦（0.55kN/m2）、椽子芦席（0.13kN/m2）以及檩条自重（4kN/ m3），屋面坡度取最小值1:2（即斜面长度系数为1.12），跨度取9m，对屋架承受的屋面荷载进行计算。
村镇地区屋面檩条一般采用直径为12cm左右的原木。按檩条间距为80cm（村镇地区屋面常用布置）来计算，跨度为9m时每个坡面所用檩条总长度约为24m，自重为0.062×3.14×4 00kg/m3×24m =1.08kN。跨度9m，高跨比1/4时每个坡面的面积在26m2，斜面长度系数为1.12，同时平瓦和椽子芦席的厚度一般在0.06m。
则每个坡面的荷载：
(06+0.13×0.06）×1.12×31+1.08=12.8kN，四个坡面受力为51.2kN。
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300
为了进一步验证屋架的安全性，采用有限元软件ANSYS建立实体模型进行静力分析，具体单元及材料属性如下：
表3.1 屋架材料属性表
将屋面荷载等分后按竖向荷载加到空间桁架的上弦杆上，将屋架的四个端点约束，采用静力分析，主要观察屋架的变形。
从分析结果中提取X方向和Y方向的位移云图，从云图中可以看出：X方向的最大位移为0.98×10-5m，Y方向的最大位移为0.47×10-5 m，位移非常小，基本上没有发生变形。这说明这类屋架在承受屋面荷载时跨中挠度很小，安全性比较高。
同样将屋面荷载的具体数值作为施加外力大小的根据，在上弦杆和腹杆节点处以及中间支杆顶端挂质量相等的沙袋代替屋面荷载，每个沙袋质量取3kN，加载后测量不同节点板处挠度的变化，将实际测量结果和有限元结果对比，发现满足挠度和承载力要求。
4结论
该屋架属于钢木结构组成空间桁架体系，充分利用了不同材料间的特性，空间体系使结构更加稳定，水平拉结筋可承担水平分力和部分屋面荷载下传形成的张力，整个结构连接紧密，设计合理，安装简单，易于操作，有利于村镇建筑屋架的稳定性。由于该屋架可以形成大跨空间，故可以作为乡村地区公共活动场所的屋架形式，同样也可以作为乡村住宅屋架使用。
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作者简介：刘兴才、男、山东东营人、汉、1985.10、硕士研究生、工程师、结构设计。