多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

摘要：模塊化建筑是實現(xiàn)工業(yè)化的一種新興建筑結(jié)構(gòu)形式。針對鋼結(jié)構(gòu)的模塊-框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)，簡述擬建的一棟多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑的工程情況，對鄭州市某擬建公寓進行模塊尺寸和施工要求對擬建的多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑進行結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建，并對其構(gòu)件和節(jié)點等進行設(shè)計。在結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建中，發(fā)現(xiàn)由于構(gòu)建和節(jié)點較多，受力效果不理想。文章以多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)入手，通過分析其結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)建和節(jié)點，對其結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和研究，以期為多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考性建議。

關(guān)鍵詞：多層，鋼結(jié)構(gòu)，模塊建筑，設(shè)計

模塊建筑是一種新興的建筑體系，是以每個房間作為模塊單元，在工廠中進行預(yù)制生產(chǎn)，完成后運輸至現(xiàn)場，并通過可靠的連接方式組裝成為建筑整體。國外AnnanCD等提出了一種樓板骨架為工字梁，柱為方矩管的鋼框架式模塊，且模塊單元之間采用柱頂端板直接焊接的方式進行組裝。國內(nèi)王燕等提出了一種新型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱內(nèi)套筒組合螺栓連接節(jié)點。劉學(xué)春、張愛林等提出了一種模塊化裝配式斜撐節(jié)點和另一種模塊化裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點。

一、工程概況

某多層單元式白領(lǐng)宿舍，無地下室，地上5層，層高3m，局部6層，層高4.5m，結(jié)構(gòu)主體高度16.45m，建筑面積約為4600m2。

二、結(jié)構(gòu)體系與模塊單元設(shè)計

（一）結(jié)構(gòu)體系的確定

從模塊尺寸、建筑功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計三方面需求出發(fā)，確定建筑的結(jié)構(gòu)體系。

1、模塊尺寸：

鋼模塊單元需要在工廠內(nèi)進行制作加工，制作完成后運輸至施工現(xiàn)場，根據(jù)國家相關(guān)道路運輸規(guī)定以及吊裝的需求，模塊單元的寬度一般為2.5～3.5m，且高度不超過4.2m。

2、建筑功能：

建筑中部設(shè)有門廳，首層和2層連通設(shè)立大開間，建筑中部和角部設(shè)有樓梯和電梯。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計：

模塊單元不宜設(shè)置支撐，采用鋼框架體系，便于布置支撐，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。

綜上考慮，項目最終采用鋼模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，即建筑中部和樓、電梯部分采用鋼框架結(jié)構(gòu)，其余部分為鋼結(jié)構(gòu)模塊單元。

（二）模塊單元設(shè)計

模塊單元采用鋼框架結(jié)構(gòu)，由角部的4根模塊柱、底梁、頂梁以及次梁構(gòu)成，外側(cè)墻體采用波紋板。模塊單元采用8550mm×3000mm×3000mm，6550mm×3000mm×3000mm，6550mm×3000mm×4100mm三種不同尺寸。此建筑共需要157個模塊單元。

三、節(jié)點設(shè)計

在針對該公寓樓的節(jié)點設(shè)計時，主要考慮地下車庫與地面建筑的節(jié)點設(shè)計和地面建筑之間的節(jié)點設(shè)計，鋼框架之間的連接節(jié)點、鋼框架與模塊單元之間的連接節(jié)點、模塊單元之間的連接節(jié)點三種情況。

（一）鋼框架之間的連接節(jié)點

考慮到地下車庫與地面建筑的節(jié)點設(shè)計，具體做法是采用特制鉚釘和螺栓拉桿連接組合連接節(jié)點的方式，保證地下車庫與地面首層鋼框架連接節(jié)點的強度與剛度，加強抗震、抗災(zāi)能力。該構(gòu)造形式較為合理，施工難度較大，但由于通過組合連接節(jié)點，有效保證連接節(jié)點的剛度和強度，符合剛性節(jié)點的要求。

（二）鋼框架與模塊單元之間的連接節(jié)點

在該公寓的地面建筑中，首層鋼框架部分與地下車庫鋼框架部分采取強度和剛度較大的節(jié)點，在首層鋼框架頂部，需要搭放模塊單元。在采取連接節(jié)點時，通常采取插銷連接方式，具體做法是：在進行頂部模塊連接時，采取插銷連接，對節(jié)點連接部分進行固定，在梁截面部分與模板連接處采取十字肋板焊接連接，進行節(jié)點加強工作。通過鋼框架與末班單元之間的連接節(jié)點，有效提高公寓的穩(wěn)定性，防止建筑局部出現(xiàn)節(jié)點連接不當(dāng)?shù)膯栴}。

（三）模塊單元之間的連接節(jié)點

在進行模塊單元之間的連接時，由于模塊單元的連接較為簡單，且不同大小的模塊連接不同，通常采用該模塊建筑公司提供的專用節(jié)點形式。一般來說，專用節(jié)點連接形式都采用插銷連接、螺栓拉桿連接等組合方式，確保了模塊間角部連接節(jié)點的強度與剛度。專用節(jié)點連接結(jié)構(gòu)具有形式簡單、合理，有效性強、穩(wěn)定，便于施工等優(yōu)點，普遍適用于模塊單元的結(jié)構(gòu)連接工作中，適用于該公寓地面六層建筑的模塊連接。

四、多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的對比

傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)是簡單的梁柱連接體系，通過簡單的連接手段將鋼框架進行節(jié)點連接，由于個體較大，導(dǎo)致剛度和強度都較低，穩(wěn)定性較差，施工難度大，而多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)由鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架組成的一個整體，能有效分離和組合，具有形式簡單，剛度和強度都有提升，穩(wěn)定性強，施工難度小，適合多種施工條件下進行施工的優(yōu)點。多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別在于多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)是一種多梁多柱體系，傳統(tǒng)鋼框架的節(jié)點連接形式主要是鉸接，在多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點連接形式主要有插銷連接、螺栓拉桿連接及組合連接的方式。多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)在進行模塊單元節(jié)點連接時，除了對模塊單元之間進行節(jié)點連接，還會針對樓板接縫處的局部不嚴(yán)實進行處理工作，保證樓邊的穩(wěn)定性，保證多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)建筑樓板的連續(xù)性。

五、結(jié)語

本文對多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、節(jié)點等進行分析研究，通過將多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)進行對比，并進行了有限元計算和分析，得到以下結(jié)論：

（1）對于多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)建筑，綜合模塊尺寸和建筑要求等多方面因素，對根據(jù)模塊尺寸以及建筑功能等方面的要求，最終選定結(jié)構(gòu)體系為多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)。

（2）在設(shè)計過程中，針對施工要求，對鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架進行選擇，并在選擇的基礎(chǔ)上對構(gòu)件和節(jié)點進行合理設(shè)計，為施工提供保障。

（3）通過對多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)模型進行模擬，證明將節(jié)點優(yōu)化，能有效提高其穩(wěn)定性，優(yōu)化方式合理。

參考文獻：

[1]陳志華，周子棟，劉佳迪，周婷，余玉潔.多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（16）：59-64+18.

[2]王志友.多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探究[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2019（13）：37-38.

[3]張百振.多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（30）：93-94.

作者簡介：姓名：張森（1985.05--），性別：男，?籍貫：遼寧省 錦州市，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于福州大學(xué)，現(xiàn)有職稱：中級工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計。