多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

李欣俊

0 引言

在建筑工程實(shí)施過程中，多層鋼結(jié)構(gòu)模塊應(yīng)用范圍十分廣泛，由于鋼結(jié)構(gòu)中部比較重要的零部件數(shù)量較多，包含：鋼梁、鋼柱、鋼桁架等，連接方式為傳統(tǒng)的零部件焊接以及螺栓連接模式，加上連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，工程建設(shè)量極大，因此多層鋼結(jié)構(gòu)模塊實(shí)際進(jìn)行單元連接時(shí)，模塊單元連接模式十分簡(jiǎn)單，并且不同模塊連接模式各不相同，因此一般需要使用建筑企業(yè)所提供的專用節(jié)點(diǎn)形式。

建筑專用節(jié)點(diǎn)連接形式一般需要使用螺栓拉桿等方式，以此保證模塊之間角度連接間的剛度和穩(wěn)定性，由于專用節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)普遍具有外部形式簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因此該施工模式普遍適用于模塊單元的連接。

1 建筑案例

本文以某商業(yè)建筑作為實(shí)際案例，通過設(shè)計(jì)人員詳細(xì)分析建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)、模塊建筑以及傳統(tǒng)鋼框架施工結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別，讓設(shè)計(jì)人員了解多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，從根本上提高施工水平和層次，推進(jìn)建筑行業(yè)的全面發(fā)展和進(jìn)步。為此設(shè)計(jì)人員應(yīng)詳細(xì)分析多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求以及應(yīng)用策略。

建筑項(xiàng)目屬于辦公公寓，其施工面積一般為3 100 m，整個(gè)建筑一共4 層，總體高度為15m，其中第一層高度為1.5m，其他樓層為3.3m，所以建筑工程需要使用多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)體系。

2 鋼框架施工特點(diǎn)

鋼框架在施工過程中，主要應(yīng)用于大型且簡(jiǎn)單的施工結(jié)構(gòu)，比如：車庫、農(nóng)業(yè)建筑工程以及高層商用建筑。

2.1 施工強(qiáng)度

由于鋼框架在基礎(chǔ)建設(shè)環(huán)節(jié)上，其內(nèi)部零部件比木質(zhì)材料或者混凝土材料重量更輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，其中基礎(chǔ)鋼框結(jié)構(gòu)承重相比木結(jié)構(gòu)，建筑質(zhì)量至少輕30%～50%左右，并且鋼框結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)框架更堅(jiān)固、更耐用。

2.2 制造簡(jiǎn)單

鋼框架復(fù)合建筑實(shí)施過程中，鋼材質(zhì)螺栓生產(chǎn)過程中，尺寸參數(shù)種類較多，能夠按照訂單設(shè)計(jì)實(shí)際情況進(jìn)行生產(chǎn)和制造，此種施工現(xiàn)狀意味著此種施工模式能夠定制出不同建筑類型、尺寸大小的建筑荷載。

2.3 耐火性

由于現(xiàn)代化鋼框架施工結(jié)構(gòu)具有極高的防火性能，能夠減少建筑物產(chǎn)生的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，能夠在火災(zāi)產(chǎn)生時(shí)阻止火勢(shì)蔓延。

2.4 耐潮性

鋼框架在實(shí)施環(huán)節(jié)上，具有良好的防潮應(yīng)用性能，其性能取決于鋼材質(zhì)基礎(chǔ)碳物質(zhì)基礎(chǔ)含量，為了保證鋼框架施工效果和質(zhì)量水平，需要使用可以防銹的熱量鋅鍍層，以此保證鋼結(jié)構(gòu)零部件不會(huì)受到水資源的腐蝕和影響。

3 多層鋼結(jié)構(gòu)施工要點(diǎn)

3.1 工廠制作

多層鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，應(yīng)經(jīng)過廠家生產(chǎn)和制作兩個(gè)階段，完成施工現(xiàn)場(chǎng)和安裝，要保證多層鋼結(jié)構(gòu)施工順利開展，實(shí)際開展鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑設(shè)計(jì)以及工程制作時(shí)應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制作以及安裝生產(chǎn)能力進(jìn)行詳細(xì)的考察，對(duì)于增強(qiáng)多層鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和發(fā)展進(jìn)程具有重要意義。針對(duì)此種現(xiàn)狀，多層鋼結(jié)構(gòu)施工需要針對(duì)工廠生產(chǎn)和制作各個(gè)流程與環(huán)節(jié)開展合理的方案設(shè)計(jì)，如：核心零部件加工技術(shù)方式、零部件生產(chǎn)工藝、加工流程以及生產(chǎn)工藝設(shè)備等。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制

首先鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和H 型鋼焊接完成之后，應(yīng)按照鋼結(jié)構(gòu)安裝流程和工藝需求在鋼平臺(tái)上進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制和結(jié)構(gòu)安裝，以此確保鋼結(jié)構(gòu)焊接和制作質(zhì)量水平。其中鋼材拼接間距和腹板連接縫隙焊接間距應(yīng)大于200 mm，而鋼結(jié)構(gòu)雙翼邊緣板材拼接長度則不能小于板材寬度的2 倍左右。

為了板材安裝便捷，確保板材安裝安全性，板材進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，應(yīng)盡可能確保焊接質(zhì)量水平，并且在板材上將立柱、橫梁上的強(qiáng)化鋼筋結(jié)構(gòu)板、連接結(jié)構(gòu)板以及衡量等結(jié)構(gòu)按照施工圖紙和方案設(shè)計(jì)進(jìn)行小組對(duì)比與結(jié)構(gòu)焊接。

在鋼平臺(tái)上預(yù)制生產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)零部件除了需要按照施工圖紙和設(shè)計(jì)規(guī)范以外，還需要充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝性和零部件尺寸變化。

4 多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑設(shè)計(jì)方案

4.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

多層鋼結(jié)構(gòu)模塊在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各個(gè)單元需要在工廠內(nèi)進(jìn)行加工和制作，經(jīng)過道路運(yùn)輸之后，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝，根據(jù)我國對(duì)于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑運(yùn)輸規(guī)定和安裝水平要求，模塊單元安裝寬度通常為2.5～3.5 m 左右，并且安裝高度不超過4.2m。對(duì)于建筑工程應(yīng)用來說，該工程在首層建筑需要設(shè)置模塊展示區(qū)域、商業(yè)經(jīng)營區(qū)域等，整體建筑高度為5.4 m，而建筑工程2 層應(yīng)設(shè)定通往西側(cè)建筑的連通橋梁，所以該工程不能使用模塊管理結(jié)構(gòu)體系。

根據(jù)建筑工程項(xiàng)目建筑實(shí)際情況，確定房屋建筑施工結(jié)構(gòu)體系為鋼結(jié)構(gòu)施工和管理模塊，符合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。其中建筑工程第一層以及局部位置的第二層結(jié)構(gòu)一般為傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)施工模式，而其他施工結(jié)構(gòu)一般為多層鋼結(jié)構(gòu)施工。

4.2 首層鋼框架結(jié)構(gòu)

在建筑工程實(shí)施過程中。第一層的建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常需要使用矩形的鋼管結(jié)構(gòu)、立樁性鋼管結(jié)構(gòu)以及H 型鋼管結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的鋼材質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，因此鋼結(jié)構(gòu)橫梁立柱連接節(jié)點(diǎn)需要利用隔板式的貫通式方案設(shè)計(jì)，有效保證隔板將立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，而橫梁立柱連接需要使用栓焊混接施工技術(shù)，基礎(chǔ)受力性能較高，并且安裝十分便利，能夠符合現(xiàn)代化施工基礎(chǔ)需求。

4.3 結(jié)構(gòu)件方案設(shè)計(jì)

由于本建筑項(xiàng)目使用型號(hào)為Q345B 鋼材，因此根據(jù)建筑工程各個(gè)樓板之間的安裝需求，確保橫梁間距均小于2 m。而模塊單元設(shè)計(jì)時(shí)，交匯立柱的橫梁橫截面相比普通橫截面大，所以此種設(shè)計(jì)模式屬于強(qiáng)梁弱立柱等結(jié)構(gòu)體系。為了滿足建筑基礎(chǔ)抗震方案設(shè)計(jì)文件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工程項(xiàng)目實(shí)際開展第二層混凝土材料澆筑時(shí)，需要盡可能降低中軸壓力參數(shù)，確保其壓力參數(shù)控制在0.4。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)荷載條件進(jìn)行詳細(xì)分析，由于施工結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度與剛度具有顯著特點(diǎn)，模塊單元橫梁與模塊立柱相連的橫截面寬度為150 mm，以此保證橫梁立柱外部連接面具有基礎(chǔ)的整齊性，以此方便模塊建筑能夠在現(xiàn)場(chǎng)施工。

4.4 結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)

4.4.1 單元模塊連接點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑各個(gè)模塊之間的連接需要使用建筑模式專用的節(jié)點(diǎn)施工形式，加上該節(jié)點(diǎn)使用螺栓拉桿連接以及特殊鉚釘連接等相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式，能夠從根本上保證各個(gè)模塊之間的角度連接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。同時(shí)該節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系將模塊單元結(jié)構(gòu)有效分離，確保其結(jié)構(gòu)連接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)體系，所以單元模塊連接點(diǎn)應(yīng)使用在多層鋼結(jié)構(gòu)模塊施工環(huán)節(jié)上。

4.4.2 鋼框架與模塊單元連接點(diǎn)設(shè)計(jì)

建筑工程實(shí)施過程中，首層鋼結(jié)構(gòu)外部框架施工時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工條件和要求安裝各個(gè)施工模塊，并且利用建筑隔板結(jié)構(gòu)聯(lián)通各個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)，積極改造上層隔板結(jié)構(gòu)。其中上層隔板的其中一個(gè)區(qū)域需要安裝一塊墊塊，鋼柱施工部分需要使用焊接板材進(jìn)行工程連接，以此不斷強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)施工區(qū)域，防止腹板局部失穩(wěn)。

4.5 模型建立

4.5.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

在模型建立環(huán)節(jié)上，其參數(shù)計(jì)算應(yīng)根據(jù)抗壓參數(shù)和地質(zhì)資料，將抗震程度設(shè)定為8°，而基礎(chǔ)地震加速度設(shè)定為0.2g，地震小組劃分為第一組，丙類建筑模式，建筑工程基礎(chǔ)風(fēng)壓為0.55kN/m，建筑工程地面粗糙程度為B類，工程抗震等級(jí)為3級(jí)。如表1 所示，鋼材強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算。

表1 鋼材強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算

4.5.2 節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型

為了保證建筑工程施工效果和質(zhì)量水平，模塊連接節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化需要實(shí)現(xiàn)力量傳輸與實(shí)際節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，考慮到建筑工程上、下模塊之間零部件對(duì)模塊立柱的約束性，模型參數(shù)的設(shè)定中，模型模塊立柱以及橫梁連接位置點(diǎn)至上、下模塊之間節(jié)點(diǎn)需要使用剛性短桿進(jìn)一步表示。其中上、下管理模塊立柱節(jié)點(diǎn)需要使用鉸鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接，并且鉸鏈連接節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)保證自由度耦合，而此種連接模式致使立柱之間的鉸鏈與拉桿能夠在上、下模塊之間傳輸彎矩，以此達(dá)到剛接效果。

4.5.3 模塊連接節(jié)點(diǎn)合理性設(shè)計(jì)

在模型建立環(huán)節(jié)上，需要使用ANSYS 有限元軟件設(shè)置建筑工程項(xiàng)目，有效簡(jiǎn)化十字形節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)模型，在內(nèi)部模型中橫梁、立柱等環(huán)節(jié)需要利用Beam189 進(jìn)行單元模擬操作，有效繪制出模型內(nèi)部曲線結(jié)構(gòu)，最終將內(nèi)部模型尺寸數(shù)據(jù)、約束條件以及數(shù)據(jù)荷載方式等方面均相同的參數(shù)模型骨架曲線進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，最終得到實(shí)體參數(shù)模型的極限荷載參數(shù)為86kN，相對(duì)應(yīng)的極限位移距離為134 m。經(jīng)過技術(shù)優(yōu)化的信息模型極限荷載參數(shù)為77kN，所對(duì)應(yīng)的極限位移參數(shù)為114m，由此可見，兩個(gè)參數(shù)之間相差不大。

簡(jiǎn)化模型所產(chǎn)生的彈性剛度明顯小于實(shí)體模型參數(shù)的彈性剛度，深入探索其主要原因，由于簡(jiǎn)化信息模型中沒有充分考慮實(shí)體模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且簡(jiǎn)化模型在實(shí)際建設(shè)環(huán)節(jié)上不能充分考慮板材屈伸后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于方案設(shè)計(jì)中對(duì)于材料的要求較高，其參數(shù)設(shè)定具備一定彈性，因此此種簡(jiǎn)化模型對(duì)于方案設(shè)計(jì)來說能夠進(jìn)一步接受，由此可見，簡(jiǎn)化模型處理具有一定合理性。

4.6 計(jì)算結(jié)果分析

4.6.1 計(jì)算周期

由特點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行詳細(xì)分析，最終得到建筑工程結(jié)構(gòu)屬于12階頻率分布，其中前3 階所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率還較低，而4～12階振動(dòng)頻率變化速度較快，所以從總體來說，參數(shù)自振頻率產(chǎn)生比較密集，除了產(chǎn)生局部振動(dòng)以外，其他振動(dòng)均屬于整體振動(dòng)。由此可見，多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)剛度分布相對(duì)比較合理，使用模塊建筑自身具備一定整體性，所以詳細(xì)對(duì)比模塊建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的參數(shù)計(jì)算，最終發(fā)現(xiàn)建筑模塊角部的安裝有效提升建筑周圍剛度參數(shù)，有效防止建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯扭轉(zhuǎn)。

4.6.2 定點(diǎn)位移

詳細(xì)查看核定荷載參數(shù)可知，目前多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大位移位置一般在建筑工程的頂層位置，其中在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)和組合下，建筑工程結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)參數(shù)最大位移數(shù)據(jù)為4.5 mm，能夠進(jìn)一步滿足頂點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)需求。

4.6.3 樓層位移角度占比

詳細(xì)察看建筑工程實(shí)施過程中，其風(fēng)量荷載與地震作用工作狀況下，各個(gè)結(jié)構(gòu)層之間位移角度與占比計(jì)算結(jié)果可知，建筑工程使用多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，最大建筑層間位移角度主要在地震作用下2 層高度，以此滿足建筑工程抗規(guī)中對(duì)鋼框架層間位移角度的極限參數(shù)要求，而最大位移占比為1.34，進(jìn)一步滿足鋼材標(biāo)準(zhǔn)施工位移比例參數(shù)需求，同時(shí)參數(shù)均小于1.2。

4.6.4 鋼構(gòu)件鋼材量設(shè)定

在鋼結(jié)構(gòu)件材料參數(shù)設(shè)定環(huán)節(jié)上，其結(jié)構(gòu)零部件應(yīng)力參數(shù)比例需小于1，并且大多數(shù)在0.85 以下，所產(chǎn)生的最大應(yīng)力比例為0.87。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)件應(yīng)力比例均小于1，并且大多數(shù)應(yīng)力參數(shù)均在0.85 以下，最大應(yīng)力參數(shù)為0.95。經(jīng)過一系列參數(shù)計(jì)算和設(shè)定，建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)總體鋼材適用數(shù)量為210 000kg，平均每平方米鋼材使用數(shù)量為85kg/m。在建筑工程實(shí)施過程中，雖然鋼材材料使用數(shù)量和范圍明顯大于傳統(tǒng)的鋼材質(zhì)框架施工結(jié)構(gòu)，但是現(xiàn)代化流水線施工作業(yè)以及建設(shè)過程中綠色、環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以有效解決傳統(tǒng)鋼材基礎(chǔ)使用總量等缺點(diǎn)和問題。特別在現(xiàn)階段鋼材使用較低大環(huán)境下，該施工模式能夠通過對(duì)模塊建筑開展方案完善和優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減少鋼材使用數(shù)量的最終目的。

4.6.5 彈性時(shí)程參數(shù)分析

根據(jù)建筑抗壓標(biāo)準(zhǔn)文件中標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)在方案設(shè)計(jì)上，項(xiàng)目建設(shè)環(huán)節(jié)上還需要充分結(jié)合地震環(huán)境作用下內(nèi)部應(yīng)力以及形變參數(shù)的詳細(xì)分析和深度探索，以此保證房屋建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)和零部件始終處于基礎(chǔ)的彈性工作與運(yùn)作模式，所以專業(yè)技術(shù)人員實(shí)際開展彈性參數(shù)分析與計(jì)算式，應(yīng)使用有限元件的MIDAS/Gen821 系統(tǒng)，針對(duì)信息模型管理地震背景與環(huán)境下，將彈性參數(shù)和數(shù)據(jù)分析模式作為技術(shù)補(bǔ)充分析，從而選擇ElCentro 參數(shù)模型，并且設(shè)定最大加速度為0.07g。而在此種模型參數(shù)作用下，最大層間位移角度一般在建筑高度的2 層，確保其最大定點(diǎn)位移參數(shù)發(fā)生在X 向，進(jìn)而滿足鋼框架施工需求。

4.7 鋼框架與傳統(tǒng)框架對(duì)比

4.7.1 相同

其中無論是傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)施工框架，還是目前多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)，都需要利用鋼材自身施工特點(diǎn)開展方案設(shè)計(jì)，加上兩種建筑結(jié)構(gòu)都需要使用可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)零部件，所以此種施工模式對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)品質(zhì)需求相對(duì)較高，對(duì)于質(zhì)量監(jiān)督管理工作的核心要求同樣較高。

4.7.2 區(qū)別

多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施過程中，此種施工模式需要在傳統(tǒng)鋼框架施工模式的基礎(chǔ)條件上開展建筑方案設(shè)計(jì)和施工，隨后結(jié)合全新建筑技術(shù)研發(fā)出新型建筑施工方案，最終有效規(guī)劃出施工結(jié)果。現(xiàn)階段多層鋼材施工結(jié)構(gòu)以及建筑模塊與傳統(tǒng)施工模塊相比較，具有的明顯區(qū)別與不同是使用預(yù)制式施工技術(shù)手段，針對(duì)此現(xiàn)狀，技術(shù)人員實(shí)際進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提前規(guī)劃方案設(shè)計(jì)并且針對(duì)建筑工程項(xiàng)目建設(shè)和施工進(jìn)行信息模擬，長此以往，多層鋼結(jié)構(gòu)模塊不僅可以有效增強(qiáng)自身工作效果，一定程度上還可以增加鋼結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量和效果。除此之外，多層鋼結(jié)構(gòu)模塊相對(duì)于鋼框架施工結(jié)構(gòu)來說，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面更加復(fù)雜、多變，因此設(shè)計(jì)者需重視相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作。

5 結(jié)論

由此可見，對(duì)于現(xiàn)階段建筑工程施工現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)充分結(jié)合工程項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)狀，本文總結(jié)施工模塊信息參數(shù)、尺寸數(shù)據(jù)以及建筑應(yīng)用功能等方面的基礎(chǔ)需求，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)分析和討論之后，充分總結(jié)出鋼框架施工特點(diǎn)，以此作為基礎(chǔ)條件，建立相關(guān)的參數(shù)模型，最終對(duì)房屋建筑零部件和施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。