基于模塊化建筑的抗震設(shè)計(jì)探討

王獻(xiàn)濤

（駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 駐馬店 463000）

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市化建設(shè)的推動(dòng)有效促進(jìn)了國(guó)內(nèi)工程建設(shè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，但由于房屋建設(shè)的快速增長(zhǎng)，帶來(lái)的一系列問(wèn)題也逐步明顯，如能量消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重的等問(wèn)題，并不斷引起政府和民眾的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化已經(jīng)超過(guò)了50%，工程建設(shè)中大量工程的興建，傳統(tǒng)鋼筋砼結(jié)構(gòu)形式建筑占到整體的90%以上[1-2]。傳統(tǒng)建筑形式極大程度消耗了勞動(dòng)力、能源和資源，隨著能源的短缺，傳統(tǒng)建筑建設(shè)將不斷受到束縛。

裝配式模塊建筑的主要構(gòu)件可以通過(guò)工程批量生產(chǎn)，并運(yùn)用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的承載力、抗震性能等方面的研究。同時(shí)，由于模塊化建筑建設(shè)具有生產(chǎn)勞動(dòng)力較少、專業(yè)工種較少、建設(shè)周期較短和建設(shè)成本低等特點(diǎn)，對(duì)整體工程的質(zhì)量控制方面也相對(duì)比較容易，可以達(dá)到現(xiàn)代工程建設(shè)的工業(yè)化的需要[2-4]。模塊化建筑的建設(shè)整個(gè)生產(chǎn)流程在工廠進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)僅僅需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行吊裝和拼接，極大程度減短了工期，也有效降低了污染和能耗。

1 模塊化結(jié)構(gòu)形式

模塊化結(jié)構(gòu)指的是通過(guò)模塊化思維完成工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)，通過(guò)建筑模塊的拆分，并通過(guò)工廠批量生產(chǎn)預(yù)制、運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)“搭積木”形式拼裝來(lái)完成建設(shè)。此外，模塊化結(jié)構(gòu)也可以和其它現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如部分預(yù)制、部分現(xiàn)澆體系。模塊化結(jié)構(gòu)之中的每個(gè)模塊都是結(jié)構(gòu)的基本組成單元，具體模塊可以是柱、墻等單體，也可以是單獨(dú)的房間。

1.1 裝配式模塊建筑

裝配式通結(jié)構(gòu)體系主要由鋼筋砼框架模塊構(gòu)成，具體形式包括框架、剪力墻、框剪等形式。對(duì)于裝配式模塊建筑，其主要承重構(gòu)件和抗震構(gòu)件可以選用現(xiàn)澆形式，對(duì)于梁構(gòu)件、板構(gòu)件、隔墻構(gòu)件、樓梯構(gòu)件和陽(yáng)臺(tái)構(gòu)件等通常選取裝配式結(jié)構(gòu)體系或疊合結(jié)構(gòu)體系。該形式建筑在結(jié)構(gòu)抗震方面整體性能較好，同時(shí)也可以確保裝配式結(jié)構(gòu)的預(yù)制率較高。對(duì)于裝配式構(gòu)件安裝節(jié)點(diǎn)處的連接方式，通常選取構(gòu)造筋與受力筋焊接或機(jī)械連接的方式完成連接，同時(shí)通過(guò)后澆筑的方式能夠起到對(duì)節(jié)點(diǎn)保護(hù)和加固的作用。

1.2 集裝箱模塊建筑

通常集裝箱模塊結(jié)構(gòu)是把集裝箱作為主要模塊構(gòu)建成房屋，其最小單元為集裝箱與附屬構(gòu)件，如主體集裝箱、維護(hù)結(jié)構(gòu)、陽(yáng)臺(tái)、樓梯等。該結(jié)構(gòu)具有拼裝簡(jiǎn)單、裝配靈活、運(yùn)輸便捷、環(huán)境效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于耐久性和層數(shù)較高的建筑中，該形式模塊建筑使用較少。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)、砼結(jié)構(gòu)模塊建筑

鋼結(jié)構(gòu)和砼結(jié)構(gòu)模塊建筑與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相似，不同之處在于主要構(gòu)件部分通過(guò)預(yù)制構(gòu)件組成。比如鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑結(jié)構(gòu)，主要承重體系運(yùn)用鋼預(yù)制構(gòu)件，墻體選用輕質(zhì)夾心彩鋼板等復(fù)合材料，鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、運(yùn)輸便捷、安裝技術(shù)熟練等特點(diǎn)。此外鋼結(jié)構(gòu)模塊在抗震性能方面具有良好的彈塑性變形性能和承載性能。但鋼結(jié)構(gòu)模塊在防腐性能、防護(hù)和節(jié)能等方面均比較差，往往整體工程造價(jià)也較高。

對(duì)于鋼筋砼模塊式結(jié)構(gòu)主要承重體系通過(guò)鋼筋砼預(yù)制完成，墻構(gòu)件選用輕質(zhì)復(fù)合材料維護(hù)，其主要構(gòu)件均在工廠完成加工和生產(chǎn)，運(yùn)輸?shù)焦こ态F(xiàn)場(chǎng)拼裝即可完成。鋼筋砼模塊作為真?zhèn)€建筑結(jié)構(gòu)的組成部分，其預(yù)制率能夠超過(guò)90%，各層裝配式的吊裝為主要現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程，通?？梢栽?～2天完成1層，對(duì)于普通鋼筋砼結(jié)構(gòu)從支模到拆模至少需要14天，模塊鋼筋砼的引入有效減少了施工周期。同時(shí)，鋼筋砼模塊建筑在耐久性、防撞、防火等方面要優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑。但其自身自重大等，造成高度和抗震性能方面受到限制。

2 模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)

模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要流程包括構(gòu)件庫(kù)建立、模塊結(jié)構(gòu)模型建立、模型優(yōu)化分析、深化設(shè)計(jì)、施工出圖等。模塊化建筑主體通過(guò)模塊組合拼裝構(gòu)成，不同的組合構(gòu)造設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)其抗震性能和承載性能造成較大影響。對(duì)于不同的模塊體系，可以把其基本單元看做“積木”，通過(guò)不同搭建形式和搭接處理來(lái)保證其整體的抗震性能，為此，對(duì)于同一項(xiàng)目，本節(jié)采用了三種不同的組合方式，并運(yùn)用PKPM構(gòu)件了三種模型，并通過(guò)模型分析和計(jì)算來(lái)分析不同模塊形式對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響。具體研究模塊的搭建形式包括水平交錯(cuò)形、豎向交錯(cuò)形和交互交錯(cuò)形三種。PKPM通過(guò)PMCAD建模，并運(yùn)用SATWE分析三種不同形式的抗震性能。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

（1）結(jié)構(gòu)地震周期分析

通過(guò)對(duì)三種不同布置形式的模塊建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，其周期比、位移比、層間位移角等參數(shù)相差較大，同時(shí)構(gòu)件的截面大小也相差較大。三種模型的周期差值計(jì)算公式如下：

通過(guò)計(jì)算差值可以看出，不同的模塊的搭配形式周期差值相差較大，其中水平交錯(cuò)和豎向交錯(cuò)布置均要比對(duì)其布置的周期要小，對(duì)比發(fā)現(xiàn)雙向交錯(cuò)組合形式和對(duì)齊組合形式之間的差值達(dá)到2.2%的差異，由此可見(jiàn)，采取組合布置的方式可以有效降低對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的影響。此外，交叉布置會(huì)改善結(jié)構(gòu)的剛度不均勻狀況，進(jìn)而增大結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期。由此可見(jiàn)，通過(guò)交錯(cuò)布置可以有效改善結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期和平動(dòng)周期的比值，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（2）結(jié)構(gòu)樓層剛度分析

模塊結(jié)構(gòu)采取不同的布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)樓層的剛度也存在一定的影響，不同布置形式對(duì)模塊結(jié)構(gòu)的水平兩個(gè)方向的影響見(jiàn)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，沿水平 X方向剛度影響較小，各區(qū)縣基本保持一致。交錯(cuò)布置模塊結(jié)構(gòu)的層間剛度較大，與普通布置X方向相差為3500KN/mm，Y方向相差為15000KN/mm，通過(guò)結(jié)構(gòu)變形可以發(fā)現(xiàn)，多層結(jié)構(gòu)的剪切變形也會(huì)隨著剛度的增大而減小。

（3）樓層位移

采取不同的模塊布置形式會(huì)造成結(jié)構(gòu)沿X方向和Y方向的層位移的不同，各不同布置條件下樓層位移曲線見(jiàn)下圖1所示。通過(guò)圖1可知，采取交錯(cuò)布置與普通布置形式之間樓層位移相差2%左右，可見(jiàn)，高層模塊結(jié)構(gòu)的樓層位移受到地震力彎剪作用的影響，造成結(jié)構(gòu)的層間位移不均勻，通過(guò)科學(xué)布置可以有效降低層間位移的不均勻。

圖1 層間位移變化曲線圖

（4）結(jié)構(gòu)層間位移角的變化

在雙向地震力作用下，不同結(jié)構(gòu)形式的模塊結(jié)構(gòu)沿雙向的層間位移角變化不同。通過(guò)計(jì)算結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，不同的荷載作用下的層間位移角的變化幅度在1%以內(nèi)，可以看出采取不同的組合形式對(duì)層間位移角影響較小。

3 辦公樓模塊化建筑的抗震分析

3.1 工程概況

某辦公樓模塊建筑，結(jié)構(gòu)形式為裝配式模塊結(jié)構(gòu)。該辦公樓為某造紙廠企業(yè)辦公樓，建設(shè)目的是為了提供員工消費(fèi)娛樂(lè)、廠區(qū)辦公、休息、會(huì)議等場(chǎng)所，該結(jié)構(gòu)位于某市開(kāi)發(fā)區(qū)，建筑的整體高度設(shè)計(jì)為40.2m，層數(shù)為10層，地下層數(shù)為2層。該辦公樓結(jié)構(gòu)采用底框結(jié)構(gòu)形式，底部1層和2層均為商業(yè)使用，該辦公樓的總體設(shè)計(jì)效果圖見(jiàn)下圖2所示。

圖2 模塊化框架辦公樓建筑效果圖

3.2 模型的建立

根據(jù)模塊化結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)方案，本工程采用PKPM-PC軟件建立裝配式模型，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和抗震分析，同時(shí)該項(xiàng)目還使用到了SAP2000軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震進(jìn)行校核。該結(jié)構(gòu)1層和2層為傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，3層以上采用模塊化結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)結(jié)構(gòu)不同布置形式的抗震性能對(duì)比可知，運(yùn)用等效雙柱結(jié)構(gòu)形式會(huì)極大程度的影響模塊結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，采取雙層梁結(jié)構(gòu)形式可以降低模塊形式建筑對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，所以，該辦公樓選取中柱分別建模的計(jì)算方式。此外，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)與砼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置與模塊化結(jié)構(gòu)存在一定差異，該結(jié)構(gòu)模型建立過(guò)程中取消了2層的轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)。

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

通過(guò)辦公樓模塊建筑結(jié)構(gòu)的SATWE和SAP2000對(duì)多遇地震下結(jié)構(gòu)的彈性線時(shí)程分析可知，模塊化辦公樓結(jié)構(gòu)的樓層位移存在中間樓層變形較大的問(wèn)題，同時(shí)其層間位移角也存在中部較大的問(wèn)題。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)，薄弱層主要出現(xiàn)在中間樓層，因此對(duì)于中間樓層部分，可以采取增大構(gòu)件截面、采取交錯(cuò)布置等方式來(lái)保證結(jié)構(gòu)的抗震性能達(dá)到現(xiàn)行模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

對(duì)于罕遇地震條件下的SATWE和SAP2000的彈塑性時(shí)程分析可知，模塊化裝配式辦公樓的層間位移和層位移均較彈性階段增加5倍左右，但整體的變化趨勢(shì)基本一致。此外可以從地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形分析發(fā)現(xiàn)，模塊結(jié)構(gòu)的塑性鉸形成均能滿足當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)的基本理念要求，即“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”和“強(qiáng)柱弱梁”，展現(xiàn)了該辦公樓建筑在模塊化抗震設(shè)計(jì)方面具有經(jīng)濟(jì)性和適用性。

4 結(jié)論

建筑工程的工業(yè)化極大程度推動(dòng)了模塊化結(jié)構(gòu)形式的快速發(fā)展，本文通過(guò)對(duì)模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系的基本理念和結(jié)構(gòu)形式的介紹，并探討了抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中的方案優(yōu)化過(guò)程，通過(guò)對(duì)比指出了不同布置形式對(duì)模塊化建筑承載力和抗震性能的影響。同時(shí)，本文還借助某造紙廠模塊化框架模塊辦公樓體系的實(shí)際案例，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的建立和抗震設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行了分析，并指出了該模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)抗震方案，展現(xiàn)了模塊化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代工程建設(shè)中的適用性。

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