多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計分析

占冰榮

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模塊建筑是一種新興的建筑體系，由于多層鋼框架結構的應用范圍比較廣，在對鋼結構模塊進行模塊單元之間的連接時，可以采用專用節(jié)點連接形式，這種連接形式具有非常好的合理性、簡單性、穩(wěn)定性和便捷施工的優(yōu)點。

1 多層鋼結構模塊建筑和傳統(tǒng)鋼框架結構的區(qū)別

1.1 相同點

多層鋼結構模塊建筑和傳統(tǒng)鋼框架結構都是利用鋼材自身的特性進行設計的，所以無論是多層鋼結構模塊還是傳統(tǒng)的鋼框架結構方式，都可以拆卸鋼構件。在對鋼結構進行設計的過程中，對鋼構件的品質(zhì)要求非常高，同時也對監(jiān)管工作的要求非常高，否則無法滿足鋼構件的拆卸需求[1]。

1.2 不同點

鋼結構模塊主要是基于傳統(tǒng)鋼框架結構的建筑方案中，通過結合新型技術，從而研發(fā)出最新的建筑設計方案。傳統(tǒng)的鋼框架結構方案采用的是預制方式，通常都是提前規(guī)劃設計方案并進行模擬，能夠提高工作的成效，并保證鋼結構的質(zhì)量需求。然而鋼結構模塊相比于傳統(tǒng)的節(jié)點設計要求更加復雜，因此在節(jié)點設計時，必須重視相關節(jié)點的設計[2]。

2 結構體、構件、節(jié)點的設計需求

2.1 結構體的選擇

對辦公樓的建筑設計，鋼結構模塊往往有著固定的尺寸要求，因此在對鋼結構的生產(chǎn)中，通常由生產(chǎn)單位加工成型后直接運送到施工現(xiàn)場進行安裝。所以在整個運輸過程中，需要考慮到鋼結構的吊裝運輸問題。按照我國道路運輸?shù)南嚓P管理規(guī)定，吊裝的寬度不得超過3.5 m，高度不得超過4.2 m。在確定鋼結構體模塊和傳統(tǒng)鋼框架的結構體系過程中，除對每一層需要使用傳統(tǒng)的鋼框架結構，其他部分都需要鋼結構模塊單元[3]。

2.2 首層鋼框架結構

在辦公樓的首層結構建筑中，通常主要采用矩形鋼管柱和H型鋼梁組成的鋼框架結構。這是因為使用矩形鋼管柱和H型鋼梁組成的鋼架結構必須對梁柱節(jié)點的隔板能更好地符合模塊建筑施工的相關設計需求。

2.3 模塊單元類型

在辦公樓的建筑中，鋼結構模塊單元一般采用的是鋼框架結構，這些鋼框架結構主要分為四個不同的模塊單元，分別是普通模塊單元、中柱模塊單元、支撐模塊單元以及角部加強模塊單元。普通模塊單元一般情況下是由四根模塊柱組成，同時還有板梁、天花板以及次梁構成，所以普通模塊單元主要適用于辦公樓建筑中開敞的辦公區(qū)域，而不適合其他辦公區(qū)域。中柱模塊單元往往是在普通模塊單元基礎上，通過增設中柱的方式，將中柱的上下進行貫通連接，所以中柱模塊單元通常只適用于增強模塊建筑的整體性能需求。支撐模塊單元是在模塊單元內(nèi)設置支撐，其作用是增強建筑的抗側(cè)剛度，因此支撐模塊單元主要應用于樓梯和建筑周圍。角部加強模塊單元主要位于模塊建筑角部，可以避免角部單柱過于薄弱，這些模塊單元中的各個構件均采用冷彎方鋼管和冷彎矩形鋼管，在工廠內(nèi)進行焊接后即可使用[4]。

2.4 構件的設計

在辦公樓的建筑中，使用的鋼材材質(zhì)以Q345B鋼為主，因此樓板之間搭放時，需要模塊次梁間距小于2 m。并按照GB 50011-2010標準要求，在模塊柱中澆筑混凝土，可以很好地減小軸壓比，并將軸壓比控制在0.4以下，同時混凝土的強度也需要達到C40要求。對首層框架界面的設計，通常有三種選擇類型，分別是200 mm×10 mm、310 mm×200 mm×10 mm、310 mm×10 mm類型，所以在荷載條件下對構件強度和剛度進行設計，需要將模塊的梁截面控制在100 mm×50 mm×5 mm～300 mm×150 mm×10 mm，有利于方便模塊建筑現(xiàn)場的施工。

2.5 節(jié)點設計

在節(jié)點的設計中，首先，需要對模塊單元之間的連接點和模塊單元的連接專用節(jié)點使用插銷連接、螺栓拉桿連接的方式，才能更好地確保模塊節(jié)點的連接強度和剛度。然而這種構造缺乏一定的合理性與傳力可靠性，需要將模塊單元的分類結構連接成具有足夠剛度需求的結構，才能更好地應用多層鋼結構的模塊建筑需求。其次，在傳統(tǒng)鋼框架和模塊單元的有效連接中，只有將鋼框架模塊搭建在模塊單元，才能將隔板貫式節(jié)點與模塊節(jié)點之間結合在一起。在具體的施工中，將上隔板改造成模塊節(jié)點類似的插銷連接形式，并與上隔板端部焊接在一起，可以用來搭接上部模塊梁，并將鋼柱打斷部分焊接在十字肋板上，有利于加強節(jié)點區(qū)域，并防止腹板局部失穩(wěn)的情況發(fā)生[5]。

3 建立結構計算模型

3.1 結構參數(shù)計算

將辦公樓的抗震強度設置為8級，基本地震加速度設置為0.2 g，按照地震分組，可以將辦公樓建筑工程劃分為抗震等級三級。根據(jù)GB 50009—2012標準要求執(zhí)行，考慮到恒荷載、活荷載、風荷載以及地震的作用，對適應的施工情況進行有效組合。

3.2 簡化節(jié)點的合理性研究

在簡化節(jié)點的合理性研究中，首先，對節(jié)點的簡化模型，要做到模塊連接點的簡化，而在對具體簡化到上下模塊之間的各構建模塊進行約束時，對模型中的模塊柱和模塊梁連接點用鋼性短桿表示，能夠更好地實現(xiàn)節(jié)點之間的自由度耦合需求。其次，在模塊連接點之間的簡化合理性研究中，運用ANSYS有限元軟件模型，能夠?qū)χ斒┘幼銐虻奈灰萍s束。在設計中要求材料處于彈性階段，這樣的簡化對設計是可以接受的，因此節(jié)點的簡化處理方式是比較合理的[6]。

3.3 建立模型

在模型建立中采用有限元軟件MIDAS/Gen821進行建模，梁柱通常采用梁單元建立，同時支撐上下模塊之間的拉桿和水平模塊之間的蓋板，并對連接采用桁架單元進行建立。

4 計算結果分析

4.1 對周期和振幅的計算分析

在特征值分析中得到結構前的12振型評論分布圖，并從相關圖中得出前3階段的振型頻率。通常前3階段的振型頻率較低，只有第4～12階段的頻率變化比較快且比較密集。

4.2 頂點位移

在四種工況組合下的頂點位移中，通常最大的位移發(fā)生在頂層，X風荷載工況組合下結構頂點的最大位移是5.64 mm，Y向風荷載工況組合下結構頂點的最大位移是6.28 mm，X向地震作用工況組合下結構頂點的最大位移是30.24 mm，Y向地震作用工況組合下結構頂點的最大位移是20.34 mm。由于這四種工況組合下的頂點位移都小于BG 50017—2003的標準要求，所以對框架結構頂點位移的限制要求計算后，得出最終的限制是32.8 mm。

4.3 應力比與用鋼量

鋼構件應力比中，應力比均小于1，且大部分應力比在0.85以下，最大的應力比也只有0.878。鋼管混凝土構件的應力比最大值為0.952，所以經(jīng)過計算，對結構的總用鋼量和平均每平米用鋼量進行計算，可以得出每平米的用鋼量是85.59。然而在綠色環(huán)保施工中，只有更好地節(jié)約人力和物力資源，才能有效地彌補用鋼量，比對模塊建筑的用鋼量進行優(yōu)化設計，使用鋼量的需求大幅度降低。

5 結語

在辦公樓的建筑設計中，根據(jù)模塊尺寸和建筑功能的需求，選擇結構體為剛模塊與鋼框架復合建筑結構，所以在實際的節(jié)點受力中，對節(jié)點進行簡化。同時運用ANSYS有限元軟件和MIDAS/Gen821軟件，可以對模型進行簡化并構建出對應的結構模型，最終滿足多層鋼結構模塊和鋼框復合建筑結構的設計需求。