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(jì)與分析

楊康

【摘要】建筑工程項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證建筑安全的重要手段，建筑結(jié)構(gòu)的形式是為了滿足建筑功能要求，為創(chuàng)造建筑的美而服務(wù)，而模塊化建筑是當(dāng)前新興建筑結(jié)構(gòu)模式，多層鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到廣泛運(yùn)用，在此過程中，需要進(jìn)一步加強(qiáng)此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，保障建筑整體結(jié)構(gòu)安全，防止一些不必要問題出現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】多層建筑鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);實(shí)例分析

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

16.035

1、鋼結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)分析

鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性強(qiáng)，相對(duì)于普通砌體或者混凝土來(lái)說， 鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要高出十幾倍;在承受同樣荷載條件下，鋼結(jié)構(gòu)所需要的構(gòu)件面積更小。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代住宅以鋼柱為骨架，使用輕質(zhì)墻板，使得鋼結(jié)構(gòu)建筑總重僅為普通混凝土建筑的70%左右，同時(shí)還具備很好的延展性，使得鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能大幅提升，有效延長(zhǎng)建筑物使用壽命。鋼結(jié)構(gòu)整體施工周期短，全部構(gòu)件均由廠家統(tǒng)一制造，只需在施工前將構(gòu)件及時(shí)運(yùn)輸?shù)轿患纯?，產(chǎn)品質(zhì)量高、安全性好、施工速度快，而且在施工中受外界環(huán)境影響較小，對(duì)于工程造價(jià)有著一定的降低作用。

2、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(jì)實(shí)例分析

2.1辦公樓工程簡(jiǎn)介

某工程項(xiàng)目主要為辦公樓建筑，總建筑面積約2536㎡。該建筑分為3層，部分為4層，建筑總高16.4m，無(wú)地下空間，設(shè)計(jì)為多層鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架復(fù)合型結(jié)構(gòu)。

2.1.1結(jié)構(gòu)體系選擇

實(shí)際設(shè)計(jì)前，需要科學(xué)合理選擇結(jié)構(gòu)體系，以期滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求，防止出現(xiàn)意外問題，最終保證后期施工的順利開展。因此，要綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸，除了工廠流水線制作方便以外，還需要考慮運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后吊裝以及安裝工作的暢通，所以鋼結(jié)構(gòu)模塊寬度以3m左右為宜，高度不超過4.2m。除了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸有著較為嚴(yán)格的要求以外，對(duì)建筑物功能也有著較高的要求。該項(xiàng)目設(shè)有模塊展示區(qū)，無(wú)法采用純模塊體系。因此，在首層及2、3層采用傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)，其余部分采取鋼結(jié)構(gòu)模塊單元。

2.1.2模塊單元?jiǎng)澐?/p>

除了傳統(tǒng)鋼框架以外，將其余部分劃分為51個(gè)建筑模塊單元，長(zhǎng)約8m，寬約3m，高約3.7m。

2.1.3模塊單元類型

該項(xiàng)目模塊單元在設(shè)計(jì)時(shí)，不但要進(jìn)行系統(tǒng)劃分，更需要相關(guān)技術(shù)人員深入了解模塊單元類型，將所有鋼結(jié)構(gòu)模塊單元進(jìn)行詳細(xì)分類，分為普通型、中柱型、支撐型、角部加強(qiáng)型等模塊單元。普通模塊單元用于開放辦公區(qū)域，中柱模塊單元位于橫向模塊旁，主要作用是上下貫通，支撐模塊單元用于支撐樓梯及建筑物周邊，角部加強(qiáng)模塊用于模塊建筑角部，防止角部單元出現(xiàn)薄弱點(diǎn)。

2.1.4首層鋼框架結(jié)構(gòu)

首層鋼框架結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)由矩形鋼管柱和H型鋼梁共同組成，在實(shí)際施工時(shí)，需要用隔板將柱子打斷后重新混合焊接，確保鋼框架結(jié)構(gòu)整體受力性能良好，能夠滿足模塊按照需求。

2.1.5構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件性能對(duì)于最終設(shè)計(jì)效果有著直接影響，因此，需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)際施工方案需求，確保后續(xù)施工能夠順利開展。本項(xiàng)目使用Q345B鋼，模塊次梁間距控制在2m以內(nèi)，在模塊單元設(shè)計(jì)時(shí)，要保證梁截面大于柱截面，也就是俗稱的強(qiáng)梁弱柱體系，此時(shí)，相關(guān)構(gòu)件設(shè)計(jì)一定要滿足荷載需求。

2.1.6節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)又可以分為模塊單元之間節(jié)點(diǎn)和鋼框架與模塊單元之間節(jié)點(diǎn)。模塊單元之間的節(jié)點(diǎn)往往采取插銷連接模式，保障模塊連接點(diǎn)強(qiáng)度，促使該結(jié)構(gòu)形式科學(xué)、合理、安全、可靠，方便下一步施工。鋼框架與模塊之間的連接節(jié)點(diǎn)通常采用隔板貫通和模塊節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的形式，確保腹板局部穩(wěn)定性。

2.2公寓樓工程概況

某公寓樓建筑面積共計(jì)1865.9㎡，設(shè)計(jì)層數(shù)為6層，總高為16.5m，層高2.8m，均為標(biāo)準(zhǔn)層，設(shè)有地下停車場(chǎng)，停車場(chǎng)高3.6m，整體結(jié)構(gòu)屬多層，使用鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)模式。

2.2.1結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

該公寓樓結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)大致分為2方面，由于地下停車場(chǎng)空間較大，其層高有3.6m，且獨(dú)棟公寓樓六層建筑布局一致，因此，最終確定樓層選用鋼結(jié)構(gòu)模塊與高科技結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，地下停車場(chǎng)采取傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)，在該公寓樓設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)模塊尺寸以及黑科技結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2.2鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸

按照國(guó)家相關(guān)道路運(yùn)輸大型建材規(guī)定以及公寓樓具體施工需求，對(duì)建筑模塊高度和長(zhǎng)度都進(jìn)行相關(guān)限制，模塊單位寬度控制在2～3m區(qū)間，高度控制在3～4m區(qū)間。

2.2.3鋼框架設(shè)計(jì)

鋼框架分為地上地下兩部分，在鋼框架設(shè)計(jì)時(shí)也需要做出相應(yīng)選擇。在設(shè)計(jì)地下車庫(kù)時(shí)，采取鋼框架與H型鋼梁組成的復(fù)合型鋼框架結(jié)構(gòu)，而在地面建筑設(shè)計(jì)時(shí)，只需要在首層采取矩形鋼管柱與H型鋼梁，其他均為鋼結(jié)構(gòu)模塊單元。通過設(shè)計(jì)模型得知，該施工方案整體受力性能較好，符合該公寓施工條件，該工程施工難度不大，符合模塊建筑施工需求。

2.2.4構(gòu)件設(shè)計(jì)

地下車庫(kù)采用Q345B鋼，地面建筑采用Q235B鋼。按照公寓樓具體需求，在組合模塊過程中，模塊次梁間距不大于1m;在模塊單元設(shè)計(jì)時(shí)，為確保建筑物抗震能力，選用強(qiáng)柱弱梁體系，模塊單元梁截面為80*50*5，柱截面為100*60*10，經(jīng)過設(shè)計(jì)模型結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目需求。

2.2.5節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮地下車庫(kù)和地面建筑之間的節(jié)點(diǎn)以及地面建筑之間的節(jié)點(diǎn)。主要包含鋼框架之間的節(jié)點(diǎn)、鋼框架和模塊單元之間的節(jié)點(diǎn)、模塊單元之間的節(jié)點(diǎn)。首先是鋼框架之間的節(jié)點(diǎn)采用特制鉚釘與螺栓拉桿連接組合模式，以保障地下車庫(kù)和地面首層鋼框架之間連接節(jié)點(diǎn)剛度和強(qiáng)度，提升抗震防災(zāi)能力。該結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)合理，但施工難度較大，通過組合來(lái)連接節(jié)點(diǎn)，確保連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與剛度符合剛性節(jié)點(diǎn)需求。其次是鋼框架和模塊單元之間連接節(jié)點(diǎn)，在首層鋼框架和地下車庫(kù)的鋼框架之間需要采用高強(qiáng)度和高剛度的節(jié)點(diǎn)，在首層鋼框架的頂部放置模塊單元，連接節(jié)點(diǎn)采用插銷連接，對(duì)于節(jié)點(diǎn)連接部分先行固定，然后在梁截面與模板連接處采用十字肋板焊接相連，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)。鋼框架與模板單元之間的連接節(jié)點(diǎn)能夠有效提升公寓穩(wěn)定性，避免建筑物出現(xiàn)具備節(jié)點(diǎn)連接不當(dāng)問題。三是模塊單元之間連接節(jié)點(diǎn)。模塊單元之間連接比較簡(jiǎn)單，并且不同模塊因大小不一而采用不同的連接方式。常見的節(jié)點(diǎn)連接為專用節(jié)點(diǎn)模式，通常有插銷連接及螺栓連接等形式，以保障模塊角部連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度。專用節(jié)點(diǎn)連接形式簡(jiǎn)單、高效、穩(wěn)定性好、便于施工，普遍用于模塊單元結(jié)構(gòu)連接，適用該公寓項(xiàng)目地面六層建筑之間的模塊連接。

3、多層鋼結(jié)構(gòu)模塊及鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)之間的對(duì)比

傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)屬于簡(jiǎn)單梁柱連接體系，只是通過簡(jiǎn)單連接手段把鋼框架用節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，由于個(gè)體體量較大，使得剛度與強(qiáng)度都有所欠缺，穩(wěn)定性不足，施工難度較高。采取多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)后，其形成一個(gè)有機(jī)整體，形式簡(jiǎn)單、剛度與強(qiáng)度均得到提升，穩(wěn)定性好，施工難度較低，適合多種施工條件。

結(jié)語(yǔ)：

現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)施工過程中，多層鋼結(jié)構(gòu)與鋼框架復(fù)合建筑權(quán)重越來(lái)越大，該類建筑具有成本低、施工操作簡(jiǎn)單、整體質(zhì)量較高等優(yōu)勢(shì)，而且污染較小，符合當(dāng)前生態(tài)建設(shè)發(fā)展理念需求。我們應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，為建設(shè)和諧社會(huì)奠定基礎(chǔ)。