模塊建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐

文/中國建筑設(shè)計研究院有限公司國住人居工程顧問有限公司 劉長松

新城控股集團(tuán)股份有限公司 藍(lán)繆輝

中國建筑設(shè)計研究院有限公司國住人居工程顧問有限公司 王海波 任樂明 武曉敏 楊春林

1 工程概況

江蘇省連云港市某住宅小區(qū)位于贛榆區(qū)，本項目其中1棟住宅樓采用模塊建筑體系建造，建筑面積約0.98萬m2。地上結(jié)構(gòu)采用模塊-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，地下室采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果

2 模塊建筑體系

2.1 模塊建筑體系概述

本項目采用威信模塊（module）建筑體系進(jìn)行設(shè)計與建造。模塊建筑體系是指由抗側(cè)力核心筒與多個預(yù)制集成建筑模塊在施工現(xiàn)場組合而成的建筑體系。該體系中的核心筒是模塊建筑體系的抗側(cè)力核心，承擔(dān)建筑地震及風(fēng)荷載作用下的全部水平荷載；預(yù)制集成建筑模塊是由鋼密柱墻體、混凝土樓板及吊頂、內(nèi)裝部品等在工廠共同組成的預(yù)制三維空間承重結(jié)構(gòu)單元，只承擔(dān)自身重力荷載。核心筒與預(yù)制集成建筑模塊之間及模塊與模塊之間通過可靠度非常高的連接件連接，能有效保證模塊建筑體系整體受力性能，且模塊建筑體系在設(shè)計時，將建筑物非核心筒部分劃分成若干個尺寸適宜運輸?shù)娜我庑螤铑A(yù)制集成建筑模塊，建筑平面和立面設(shè)計基本不受模塊劃分限制，是一種裝配率較高的建筑體系。

2.2 預(yù)制集成建筑模塊工廠化加工

模塊建筑體系中預(yù)制集成建筑模塊是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程和嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，在專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)下，由熟練工人在模塊組裝工廠車間流水生產(chǎn)線上制作完成，制作加工精度高，是一種較徹底的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化建造技術(shù)產(chǎn)品。由于預(yù)制集成建筑模塊技術(shù)的使用，其廚房、衛(wèi)生間可標(biāo)準(zhǔn)化定級生產(chǎn)，管線系統(tǒng)高度標(biāo)準(zhǔn)化，室內(nèi)精裝修甚至清潔均可在工廠完成，現(xiàn)場只需完成模塊吊裝、連接、外墻裝飾及市政綠化施工，施工精度與質(zhì)量管理水平遠(yuǎn)高于我國目前的現(xiàn)場作業(yè)。

2.3 模塊建筑體系現(xiàn)場施工建造

模塊建筑體系現(xiàn)場施工建造與工廠預(yù)制集成建筑模塊加工生產(chǎn)可同步進(jìn)行，現(xiàn)場先施工抗側(cè)力核心筒部分，待核心筒部分施工完成后進(jìn)行預(yù)制集成建筑模塊的吊裝與現(xiàn)場拼接工作，施工建造流程如圖2所示。

由于模塊建筑建造技術(shù)的運用，模塊從起吊到安裝僅需少量技術(shù)工作人員，且每個模塊安裝由同一批技術(shù)人員完成，模塊建造施工現(xiàn)場所需工人數(shù)量較傳統(tǒng)施工大幅減少，施工建造質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)構(gòu)體系與構(gòu)件布置

3.1 結(jié)構(gòu)體系

1）特殊性 本項目采用的是一種新型結(jié)構(gòu)體系：模塊-核心筒混合結(jié)構(gòu)。模塊與核心筒布置如圖3所示。模塊采用鋼密柱體系，主要承擔(dān)自身豎向荷載，承擔(dān)風(fēng)荷載及地震產(chǎn)生的水平作用很少；核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按承擔(dān)全部水平作用考慮，并承擔(dān)自重。模塊劃分較為靈活，每個模塊大小控制在5m×12m范圍內(nèi)，可滿足工廠制作、運輸、吊裝的要求。

2）設(shè)計基本假定 計算核心筒時鋼柱按兩端鉸接模型考慮，核心筒承擔(dān)全部水平荷載，模塊只承擔(dān)自身豎向荷載。按照分塊彈性樓板和分塊剛性樓板分別進(jìn)行計算，其中層間位移按樓板分塊剛性計算（見圖4），其余參數(shù)按彈性樓板計算。模塊與核心筒之間通過連接件相連，釋放一端豎向位移，只傳遞水平剪力和拉壓力。

圖2 模塊建筑現(xiàn)場施工建造流程

圖3 模塊-核心筒結(jié)構(gòu)平面布置

圖4 分塊剛性樓板計算

3.2 抗側(cè)力核心筒布置

本項目抗側(cè)力筒體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（見圖5），整體平面布置采用雙筒布置。核心筒外墻內(nèi)設(shè)置鋼骨柱，承擔(dān)豎向拉力。核心筒外墻厚400mm，內(nèi)墻厚200mm，均采用C40混凝土。整體結(jié)構(gòu)計算模型如圖6所示。

4 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)計算分析分別采用結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件ETABS（C16.1.0版）和YJK（V1.8.2.1）。

4.1 結(jié)構(gòu)動力特性

分析中包括足夠的振型，使建筑物質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，計算得到的前3階模態(tài)振動周期如表1所示。扭轉(zhuǎn)為主的第一振型周期與平動為主的第一振型周期之比：ETABS計算結(jié)果為0.779，YJK計算結(jié)果為0.786，基本滿足規(guī)范要求。

4.2 反應(yīng)譜計算結(jié)果

振型反應(yīng)譜方法采用CQC組合，結(jié)構(gòu)在多遇地震下位移、基底剪力如表2所示，由表2可知結(jié)構(gòu)變形、基底剪力等均可滿足要求。

4.3 彈性時程計算結(jié)果

分別采用3組地震加速度記錄作為彈性時程分析的地震波輸入，包括2條天然波TR1，TR2和1條人工波RG1，地震記錄的頻譜特性與場地特性一致，地震地面主分量峰值加速度采用35cm/s2，主、次向峰值加速度比值為1∶0.85，時程波與振型反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符（即平均地震影響系數(shù)在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要周期點上相差不大于20%）。

每條基底剪力均大于反應(yīng)譜法的65%，3組時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，滿足GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016版）第5.1.2條的規(guī)定。彈性時程分析的各樓層剪力平均值和反應(yīng)譜結(jié)果比較接近（見表3）。結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)取3條時程曲線計算結(jié)果包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。

圖5 鋼筋混凝土核心筒布置

圖6 整體結(jié)構(gòu)計算模型

表1 結(jié)構(gòu)動力特性

5 結(jié)構(gòu)重點部位與關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計理念及加強(qiáng)措施

5.1 鋼筋混凝土核心筒抵抗水平地震作用和風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的水平力

鋼筋混凝土核心筒按性能化設(shè)計，性能設(shè)計目標(biāo)如表4所示。由于核心筒承擔(dān)全部水平荷載，在水平荷載作用下核心筒墻肢出現(xiàn)較大拉力，設(shè)計中采用型鋼抵抗全部拉力。型鋼布置如圖7所示。

表2 結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果

表3 反應(yīng)譜與時程計算結(jié)果對比

圖7 核心筒型鋼布置

表4 核心筒性能設(shè)計目標(biāo)

5.2 模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取包絡(luò)設(shè)計原則，關(guān)鍵部位與構(gòu)件采取抗震性能設(shè)計

1）模塊鋼密柱采用兩端鉸接與一端固結(jié)一端鉸接模型包絡(luò)設(shè)計。采用一端固結(jié)一端鉸接模型計算時，按結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和框架部分計算最大樓層地震剪力1.5倍二者的較小值，對模塊鋼密柱框架部分的地震剪力與彎矩進(jìn)行調(diào)整。

2）模塊-鋼筋混凝土核心筒連接件及模塊間連接件采用抗震性能化設(shè)計方法，同時采用地震反應(yīng)譜與時程計算結(jié)果的包絡(luò)值設(shè)計，抗震性能設(shè)計目標(biāo)為“小震彈性，中震彈性，大震不屈服”。

5.3 樓層平面不連續(xù)及局部凹進(jìn)部位樓板加強(qiáng)措施

1）增設(shè)模塊樓板水平連接鋼板及層間連接鋼板，模塊樓板水平連接處槽鋼采用加勁肋加強(qiáng)，并附加雙層通長抗拉構(gòu)造鋼筋。

2）樓層平面局部凹進(jìn)部位外緣增設(shè)樓板，對應(yīng)模塊連接處樓板附加雙層通長抗拉構(gòu)造鋼筋加強(qiáng)。

3）提高雙核心筒之間模塊樓板構(gòu)造配筋率，并采用雙層雙向配筋方式。

6 結(jié)語

本文運用ETABS和YJK 2種計算程序?qū)Ρ竟こ淘诙嘤龅卣鹣碌慕Y(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示：2個程序計算得到的結(jié)構(gòu)各指標(biāo)均相差很小，從而證明計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性。

1）本工程采用新型結(jié)構(gòu)體系，由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取較合理的結(jié)構(gòu)體系與布置，以及有效的抗震措施，使結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，計算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程要求。

2）2個程序的計算結(jié)果與變化規(guī)律基本一致，樓層剪力、層間位移、層間位移角、周期比、剪重比、有效質(zhì)量系數(shù)等均滿足規(guī)范要求。

3）模塊間、模塊與核心筒之間連接件等關(guān)鍵連接節(jié)點及模塊鋼柱等關(guān)鍵構(gòu)件，通過采取建筑抗震性能化及包絡(luò)設(shè)計的設(shè)計方法，滿足預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

上述計算及設(shè)計措施表明：結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理，具有合適的承載能力和變形能力，可滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計要求。