多層裝配式模塊住宅結(jié)構(gòu)方案分析與優(yōu)化探索

陳竣+祝葉

摘 要：在工業(yè)化建筑的中國(guó)，裝配式模塊建筑具有廣闊的發(fā)展前景，為了使得建筑的整體結(jié)構(gòu)性能得以提高，并能充分掌握這種裝配結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文的研究分析中，用了新的尺寸設(shè)計(jì)出的箱體模塊，設(shè)計(jì)出7層住宅結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行分析后，建立起有限元模型，將其與增加橫梁、立柱等方案進(jìn)行對(duì)比，考察不同的方案對(duì)抗側(cè)剛度產(chǎn)生的影響，通過(guò)各種分析和對(duì)比，提出合理的優(yōu)化方案，為多層裝配式的建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：裝配式模塊結(jié)構(gòu)；抗側(cè)構(gòu)造措施；節(jié)點(diǎn)剛度；優(yōu)化方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.101

0 前言

采用裝配式模塊構(gòu)建的建筑，有很多的優(yōu)點(diǎn)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，抗震性能較好、消耗的能源較低、污染也較小，并且施工的周期較短，可以再次回收等，學(xué)生公寓、商店、博物館以及快捷酒店等各種用途的建筑結(jié)構(gòu)都采用了這種建筑模式。當(dāng)前，裝配式建筑在國(guó)外有很多的實(shí)踐應(yīng)用，眾多的行業(yè)者對(duì)其作出了很多的研究，重點(diǎn)分析滿足建筑功能后的，該模式的可行性。本文用的是新尺寸的箱體模塊，建立起7層標(biāo)準(zhǔn)戶型住宅，通過(guò)相應(yīng)的分析，提出適用于這種結(jié)構(gòu)的高效的抗側(cè)構(gòu)造的措施，為裝配式建筑的設(shè)計(jì)和實(shí)踐應(yīng)用，提供重要的參考。

1 建立結(jié)構(gòu)模型

1.1 結(jié)構(gòu)體系概述

整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)采用的是裝配式模塊，模塊的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)為7.354米，寬度為2.438米，高度為3米。整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)是39.328米，總寬為12.290米，總高度是19.500米。我中的最頂層的高度是1.5米。1到6層每層高為3米。一共設(shè)置出4種戶型。其中，A種戶型的面積為36.26平方米（2個(gè)模塊），B種戶型的面積為54.39平方米（3個(gè)模塊），C種戶型的面積為18.13平方米（1個(gè)模塊）。D種戶型的面積是27.20平方米。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層包含3個(gè)A型，2個(gè)B型，2個(gè)D型和1個(gè)C型。并設(shè)置出2個(gè)小型的箱體模塊當(dāng)做樓梯間和電梯間。

1.2 截面設(shè)計(jì)

按照原有的集裝箱的建筑，和集裝箱模塊常用的構(gòu)件截面，構(gòu)建出最初的構(gòu)件截面，作為初期的設(shè)計(jì)方案，按照設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)，分析行靜力和模態(tài)，還要對(duì)地震的作用進(jìn)行分析，并在這基礎(chǔ)上，對(duì)采取的各種抗側(cè)措施對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。其中，角柱和頂梁柱都采用的是方管，上端梁和下端梁都采用的是H型管，底側(cè)梁采用的是矩形管。

設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，在最初的方案上（不添加輔助梁），增加抗側(cè)剛度的相應(yīng)措施，作為相應(yīng)的對(duì)比方案。其中方案1是在模塊內(nèi)部增加了橫梁和立柱，方案2是在滿足建筑所使用的空間后，增加了側(cè)向輔助的拉索，對(duì)于初始方案以及對(duì)比方案進(jìn)行抗震和靜力分析后，對(duì)其抗側(cè)構(gòu)造措施的合理性進(jìn)行分析和評(píng)估。

2 分析工況

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)。該建筑結(jié)構(gòu)設(shè)在沿海區(qū)域，設(shè)為二級(jí)重要性，設(shè)計(jì)的使用期限為50a。墻板和樓面板選用的是混凝土板，樓面和屋面的活荷分別為2.00kN/㎡，和0.50kN/㎡，以及風(fēng)荷載的基本風(fēng)壓取值為0.60kN/㎡。

（2）靜力分析。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的靜力進(jìn)行分析，包括恒荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載和活荷載，并按照相應(yīng)的承載能力的極限以及正常使用時(shí)的極限狀態(tài)，共進(jìn)行了60種組合的荷載，將應(yīng)力比、位移角以及柱頂?shù)奈灰频茸鳛橹匾闹笜?biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理評(píng)估。

（3）動(dòng)力分析。對(duì)地震影響下的建筑進(jìn)行分析，采用的是時(shí)程分析和振型分解反映普法。建筑所處區(qū)域的震設(shè)防烈度設(shè)置為8度，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于一些多發(fā)生的地震阻尼比設(shè)置為0.04，罕見地震阻尼比設(shè)置成0.05。

3 抗側(cè)構(gòu)造對(duì)比分析

（1）應(yīng)力比。3種方案在最不利的靜力荷載中，對(duì)其分布的應(yīng)力比進(jìn)行分析。其中應(yīng)力比指的是，多種工況出現(xiàn)的情況下，構(gòu)件的最大應(yīng)力和設(shè)計(jì)強(qiáng)度之間的比值，比值大于1就是超限桿件。

最初的方案中最大的應(yīng)力比是1.633，超限桿件為191根。與方案1 中最大應(yīng)力比有所降低。而方案2中有0.3%的桿件超限，有6根桿件的應(yīng)力比超過(guò)限值，因此，從結(jié)果看來(lái)，增加的輔助的立柱以及橫梁對(duì)結(jié)構(gòu)性能的改善比較有限，而增加側(cè)向輔助的拉索對(duì)于結(jié)構(gòu)的受力性能更有改善效果。

（2）層間位移角和柱頂?shù)淖畲笪灰?。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸向的剛度比較大，三個(gè)結(jié)構(gòu)的方案在風(fēng)荷載的作用下，層間的位移角能否滿足相應(yīng)的規(guī)范和要求，因此，在這里，主要要考察的是短軸向在不同的抗側(cè)構(gòu)造下的產(chǎn)生的剛度有多大的差異。經(jīng)過(guò)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)，在初始方案中，短軸向中的層間位移有很大部分超限，短軸向抗側(cè)的剛度顯得明顯不足。與方案1 相對(duì)比，其空間位移要比初始位移小很多，但是仍然有多個(gè)樓層的位移超過(guò)限值（限值為h/400）。而與方案2 相對(duì)比，其抗側(cè)位移剛度，則有明顯的加強(qiáng)，層間的位移都比規(guī)范的限值要小。因此，側(cè)向拉索的增加能使得結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度有效提升。

4 節(jié)點(diǎn)剛接和鉸接對(duì)抗側(cè)剛度產(chǎn)生的影響

對(duì)于已有的裝配式模塊構(gòu)建的體系進(jìn)行分析時(shí)，常常將模式假定為鉸接的連接方式，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)連接并不完全是鉸接，因此需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度給結(jié)構(gòu)性能帶來(lái)的影響進(jìn)行考擦。將以最初的設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)點(diǎn)鉸接形式下的鉸接和剛接支座以及節(jié)點(diǎn)剛接形式下的鉸接和剛接支座進(jìn)行工況分析，考察不同支座形式下節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)裝配式建筑的影響。

通過(guò)分析，不管是節(jié)點(diǎn)剛接還是支座剛接，都能對(duì)結(jié)構(gòu)的整體的抗側(cè)剛度產(chǎn)生一定的影響，其中，節(jié)點(diǎn)處的連接方式更能顯著地影響到結(jié)構(gòu)的性能。模塊之間的節(jié)點(diǎn)剛接對(duì)于抗側(cè)移的剛度能有效地增強(qiáng)，使得結(jié)構(gòu)的受力性得到改善。而節(jié)點(diǎn)的具體形式，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的剛度，提升抗側(cè)移的剛度。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多種的抗側(cè)結(jié)構(gòu)的措施的實(shí)施，與舒適的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)，在裝配式模塊中增加橫梁和立柱對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，并沒(méi)有明顯的改善作用，而在側(cè)向增加拉索，能使得結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大大提升，在實(shí)際的工程建設(shè)中，如果空間足夠大，就可以適當(dāng)?shù)卦黾觽?cè)向輔助拉索，提升結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使得結(jié)構(gòu)的受力性得到改善。裝配式的建筑技術(shù)還不成熟，但是在未來(lái)的研究發(fā)展中，必會(huì)顯示出強(qiáng)大的生機(jī)。

作者簡(jiǎn)介：陳竣（1976-），男，湖北武漢人，工學(xué)碩士，副教授，主要研究方向：結(jié)構(gòu)工程。endprint