多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計研究

紀龍春

瓏圖設計（集團）有限公司 廣東 佛山 528000

引言

當前城市化進程不斷深入，建筑工程規(guī)模不斷擴大，更具觀賞性與功能性，為結構設計帶來較大難題。長期以來，鋼結構設計在建筑中居于主體地位，與傳統(tǒng)混凝土結構相比，鋼結構在穩(wěn)定性、安全性方面占據(jù)較大優(yōu)勢。同時，模塊建筑施工時長較短、質量優(yōu)良、成本投入少且經濟環(huán)保，有助于延長建筑使用壽命，推動建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

以某辦公大樓為例，該項目位于青島西海岸經濟開發(fā)區(qū)，總占地面積2536.1m2，主體為6層，局部7層，總高度26.5m，首層高度為6.5m，其余層高4.0m；地下1層為車庫；該建筑為多層結構，內部以鋼結構模塊與框架復合結構為主，建筑效果如圖1所示。該建筑與以往鋼結構拆分成獨立梁柱的形式不同，是由大量三維子空間構成，鋼結構住宅設計應從方案設計階段著手，立足整體進行科學有效的規(guī)劃。從整體上看，多層鋼結構適用于規(guī)則、重復單元的建筑，在方案設計上包含模數(shù)化選型與單元整合設計兩項內容。該建筑選型思路為先要確定不同單元的基本模數(shù)，這也是模塊預制規(guī)模化的基礎所在，對不同住宅的總尺寸進行劃分，堅持模數(shù)協(xié)調原則，使標準化模塊單元得以確定。結合住宅空間分區(qū)關系，與機電裝修要求相結合，將建筑平面分為多個標準單元，使主要、次要與交通部分有機聯(lián)系起來。在立面設計上，不但要確保結構豎向傳力連續(xù)，還要實現(xiàn)管道上下串通，為現(xiàn)場對接提供更多便利。

圖1 建筑效果圖

2 多層鋼結構體系設計

2.1 模塊尺寸

在鋼結構模塊設計中，應結合建筑整體結構明確模塊尺寸，綜合分析模塊尺寸的影響因素，如模塊承重力，當尺寸過大時承重力便會下降；當尺寸過小時會增加施工成本。此外，當前鋼結構模塊由預制場提前預制，再運送到施工所在地，根據(jù)相關規(guī)定，對運輸尺寸也有相應的要求，同樣需要模塊設計者加以重視。在該建筑中，將鋼結構模塊參數(shù)確定為：長3.0m～3.5m之間、寬1.0m～2.5m之間、高2.5m～3.5m之間。在模塊單元劃分中，除西南角鋼框架之外，整棟建筑共可分為50個模塊單元，且模塊長度在7.7～8.1m之間。在模塊類型方面，以鋼框架結構為主，可分為普通單元、中柱單元、支撐單元、角部加強單元，如圖2所示。在普通單元中，由模塊柱、次梁、天花板梁與地板梁組成，處于開放辦公區(qū)域內；在中柱單元中，可以普通單元為基礎設置中柱，將其放入橫向模塊中，中柱上下串通起來，使橫縱模塊多個節(jié)點相連，提高建筑整體穩(wěn)定性；在支撐單元中，可將其設置在模塊單元內部，促進建筑抗側剛度提升，適用于建筑四周與樓梯燈處；角部強化單元適用于建筑角部，單元中的構件利用冷彎矩形鋼管、方鋼管等，在工廠內部完成焊接[1]。

圖2 模塊類型

2.2 鋼框架構建

該建筑首層與標準層的高度不盡相同，鋼框架也應單獨設計，因首層承載力較大，可采用矩形鋼管柱與H型鋼梁結合法；常規(guī)層可利用矩形鋼管柱連接；梁柱節(jié)點用隔板貫通，因節(jié)點所處位置有所區(qū)別，可利用不同方式固定，如焊接、插銷連接等等，此舉不但可使節(jié)點更加牢靠，還可為施工提供更多便利。在結構構件方面，該建筑利用Q345B鋼材，模塊單元中的梁柱為矩形鋼管，天花板梁荷載較小，模塊柱與天花板梁截面規(guī)格基本相同，與模塊相連位置的梁截面寬度約為150mm，在模塊柱與梁柱相連之處，應確保梁柱齊平，便于后續(xù)施工。在構件設計方面，根據(jù)本項目樓板搭放要求，模塊次梁的間距應控制在2m以內。在模塊單元內，柱的梁截面與柱截面相比較大，這屬于強梁弱柱的代表。為滿足抗震規(guī)定，在第二層模塊柱中澆筑混凝土，使軸壓比不超過0.4，混凝土的強度等級為C40。在首層框架柱截面內，包含三種類型。在滿足設計荷載的情況下，對鋼框架的剛度與強度提出嚴格要求，梁截面為100×50×5mm到300×150×10mm之間。

2.3 節(jié)點設計

該建筑節(jié)點設計中，應對地下車庫與地上建筑間的節(jié)點設計綜合考慮，以鋼框架、鋼框架與模塊單元、模塊單元之間的節(jié)點設計為重點，具體設計方法如下。

2.3.1 鋼框架間的節(jié)點。重點對車庫與地上建筑間的節(jié)點進行分析，可利用特制鉚釘與螺栓拉桿相連的方式，確保地上與地下首層鋼框架間節(jié)點性質，如剛度、強度等，由此增強抗震、抗災的效能。此類構造形式科學可行，但施工難度較大，可采用組合連接節(jié)點的方式，使節(jié)點剛度、強度與設計要求充分符合。

2.3.2 鋼框架與模塊間的節(jié)點。該項目的地上建筑中，首層與地下車庫之間的節(jié)點要求擁有較大的強度與剛度。在首層鋼框架頂部，應搭放模塊單元。在連接節(jié)點過程中，可通過插銷方式完成，操作方法為：在頂部模塊連接中，利用插銷方式進行節(jié)點固定，利用十字肋板對梁截面、模板銜接之處進行焊接，可使節(jié)點性能得以強化、將鋼框架與模板相連，這一節(jié)點可使建筑更加穩(wěn)固牢靠，避免局部節(jié)點連接錯誤等問題產生[2]。

2.3.3 模塊間的節(jié)點。在模塊間連接時，與上兩種節(jié)點相比，模塊連接較為簡單，且不同模塊的連接方式有所區(qū)別，多為模塊建筑企業(yè)提供的專用節(jié)點形式。通常情況下，專用節(jié)點利用插銷連接、螺栓拉桿連接法，可使模塊間角位置的節(jié)點性能增強。連接結構更加穩(wěn)定、形式科學簡易、施工較為簡便，在模塊間連接中廣泛應用。

在節(jié)點設計完畢后，還應結合項目情況與設計要求進行合理簡化。利用ANSYS軟件創(chuàng)建十字形模型，采用Beam189單元對梁、柱與短柱進行模擬，拉桿采用Link8單元模擬。將數(shù)據(jù)輸入軟件中生成荷載與位移骨架曲線，將其與約束條件、加載形式相同的模型對比，得出模型極限荷載為86kN，與之相對的極限位移為134.2mm，簡化后模型極限荷載在77kN左右，位移最大值為114.6mm，二者相差較小，且彈性位移均為50mm，在彈性區(qū)間的剛度差異不顯著，簡化后的彈性剛度與實體模型剛度相比較小，為81.6%左右。主要因模型簡化期間沒有將實體模型中的構造綜合分析，且簡化后忽視板件屈曲強度所致。

2.4 整體結構設計

該項目利用MIDAS/Gen軟件進行結構設計，其中角部與大開間仍沿用傳統(tǒng)鋼框架，底部要考慮到剛接，剩余采用模塊單元，底部采用鉸接方式，單元頂部與鋼框架均利用短梁模擬水平相連。以Q345型鋼為主材，模塊單元、框架柱等均要利用矩形方鋼管，框架梁利用焊接H型鋼。模塊單元中柱為φ200×8，根據(jù)荷載不同，在主梁位置劃分成4個截面，次梁位置劃分為φ100×6兩種截面。根據(jù)實際荷載條件不同進行分析驗算，其中不同構件最大應力比值為0.882，且許多低于0.85，基本與構件承載力要求相符。在風荷載影響下，結構層間位移角為1/401，x軸位置受地震影響時，應與抗震規(guī)定的低于1/250數(shù)值要求相符合。在彈塑性時程分析中，X軸方向層間位移角的最大值為1/53，Y軸最大值為1/107，能夠與地震影響下低于1/50的要求相符合?？梢?，該建筑采用的新型節(jié)點連接與結構設計模式更加安全、合理，可有效提取短柱的內力，適用于連接件抗拉與抗剪承載力的校驗。

3 多層鋼結構建筑與傳統(tǒng)鋼框架結構對比

3.1 相同之處

以往鋼框架為簡易的梁柱體系，但鋼結構模塊卻是由多個框架構成的整體，通過搭積木的方式拼成的牢固體系。雖然兩種體系看似不盡相同，但卻存在一定的內在關聯(lián)。將二層模塊等效為模塊間有1根剛性桿的方式，剛性桿彎矩用M表示，拉桿軸力分別為F1與F2，二者間的關系可用以下公式表示為：

式中，d代表的是F1與F2間的距離；M代表的是剛性桿彎矩；F1與F2均為拉桿軸力。將等效模型看成是三層框架結構，利用ANSYS軟件創(chuàng)建T形節(jié)點，將其與模型T形節(jié)點骨架曲線對比，發(fā)現(xiàn)二者基本重合。由此可見，模塊結構具有一定的特殊性，將其應用到模塊建筑中可使結構設計更加規(guī)范科學[3]。

3.2 異同之處

與傳統(tǒng)鋼框架相比，鋼結構模塊的區(qū)別主要表現(xiàn)為此類建筑中的梁柱數(shù)量較多，在本文研究的建筑中，梁柱匯合位置最多有8根柱、16根梁。與以往鋼框架節(jié)點相比，在建筑內部梁柱相交位置采用插銷、螺栓拉桿進行連接。此外，以往建筑結構中的樓板具有連續(xù)性，平面內為剛性，在結構計算中可進行剛性樓板假定，但是建筑樓板要事先在廠內安裝，在建造結束后，樓板變得更為零散。但是，在模塊單元相連時，模塊梁間會采用螺栓蓋板連接的方式，樓板接縫位置也會得到有效處理，使樓板不會出現(xiàn)互相搓動、擠壓、分離等情況，樓板更加連續(xù)可靠，在平面內部還可看成是剛性的，在結構設計中也可對其進行假定。對于相同的模塊來說，可在天花板梁、地板梁間形成一個夾層，在結構設計期間將夾層單獨分為一層，可為板層間的剛性樓板假定提供便利。

4 結束語

綜上所述，在現(xiàn)代建筑中，多層鋼結構模塊得到廣泛應用，此類建筑結構不但可提高整體質量、縮短建造時長，還與綠色建筑要求充分符合。根據(jù)本文研究可知，結合建筑項目實際情況，采用有限元分析方式，對鋼結構模塊與傳統(tǒng)鋼框架結構相比，將節(jié)點合理簡化后更易提高穩(wěn)定性，使優(yōu)化方式更加科學，層間位移角與頂點位移均可得到充分滿足，極大地提高了建筑實用性與安全性，推動建筑行業(yè)穩(wěn)健長久發(fā)展。