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)研究

馬韶霞

摘 要：文章分析了風(fēng)景園林綠化工程項(xiàng)目管理中存在的主要問題，提出現(xiàn)場施工管理要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：多層鋼結(jié)構(gòu)模塊;鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu);建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU318? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）03-0049-03

0 引言

加拿大的 C.D.Annan介紹了鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑的特點(diǎn)和建造過程，提出一種典型的鋼框架模塊結(jié)構(gòu)體系，對地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和有限元分析，結(jié)果顯示考慮到半剛性焊接連接導(dǎo)致模塊結(jié)構(gòu)受力將不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，針對模塊建筑的受力特點(diǎn)，提出了合理的計(jì)算方式。西南交通大學(xué)的胡驍，針對一棟擬建的鋼結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu)，提出了一種模塊化建筑設(shè)計(jì)思路與施工方法。基于剛接與鉸接模型，對模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能分析，得出了模塊建筑具有較好的抗震性能。當(dāng)前關(guān)于多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)不夠深入，為此需要加強(qiáng)對該領(lǐng)域的深入研究。

1建筑多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

多層鋼結(jié)構(gòu)模塊在現(xiàn)代建筑工程中的應(yīng)用日益廣泛，但是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中存在著一定的問題，難以有效解決鋼結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)存在的矛盾問題，所以必須準(zhǔn)確掌握設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)，才能夠全面提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案質(zhì)量。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是影響鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠順利實(shí)施的主要因素。在常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)中，需要從傳力特點(diǎn)的角度進(jìn)行確定。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要可以分為半剛接、剛接以及鉸接等多種不同類型，每一種連接類型都有著不同的使用場景，需要根據(jù)高層建筑的實(shí)際設(shè)計(jì)需求加以確定，確保鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接方式能夠滿足高層建筑的傳力需求。在對多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮到焊接、栓接、梁腹板、連接板等不同內(nèi)容的設(shè)計(jì)。鋼模塊設(shè)計(jì)需要考慮到鋼模塊焊接的焊接縫形式和焊接面的尺寸，保證焊接連接的緊固程度。在栓接過程中，需要考慮高強(qiáng)螺栓直徑、連接板、摩擦面等因素;在梁腹板中，需要對栓孔位置的腹板抗剪凈截面進(jìn)行計(jì)算，還需要計(jì)算高強(qiáng)度承壓型螺栓的承壓能力，保證其能夠達(dá)到質(zhì)量要求，從而能夠避免鋼框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量問題;在連接板設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)梁腹板的計(jì)算增加連接板的厚度，從而提高鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性[1]。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求較高，因此施工單位要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，制定嚴(yán)格鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且需要對每一處鋼結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測，保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量能夠滿足國家要求和設(shè)計(jì)方案規(guī)定。建筑工程施工中所需要的鋼材類型多種多樣，每一種鋼材類型在承重能力、強(qiáng)度等方面有著很大的差異，因此施工單位需要按照實(shí)際高層建筑設(shè)計(jì)需求，確保能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，并加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)施工的管理，避免鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起質(zhì)量問題[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)能夠?qū)ㄖw質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，所以在設(shè)計(jì)過程中需要加強(qiáng)對設(shè)計(jì)方案的測試，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，能夠有效提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案整體質(zhì)量。

1.3 建筑鋼結(jié)構(gòu)選型與布置

建筑鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)需要從鋼結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮到現(xiàn)代建筑工程對于多種不同鋼結(jié)構(gòu)選型對高層建筑整體質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性的影響，按照建筑結(jié)構(gòu)的基本形式，在設(shè)計(jì)過程中考慮到負(fù)載能力要求、施工條件要求、制作安裝要求等多項(xiàng)不同的要求，選擇強(qiáng)度、抗震能力都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)類型，并對鋼結(jié)構(gòu)的施工位置進(jìn)行科學(xué)的劃分。通過采用計(jì)算模型等方式可保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案科學(xué)性，能夠提高鋼結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)尺寸、拆分位置不科學(xué)、不正確的問題，從而降低施工成本，是提高建筑工程經(jīng)濟(jì)效益的有效方式[3]。

2工程概況

本文以H市某工業(yè)園區(qū)新建的一座辦公樓工程為例，該辦公樓總建筑面積為3150 ㎡，建筑高度為4層，第一層高度為4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層高度為3.4 m，辦公樓采用鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸設(shè)計(jì)：模塊單元的寬度一般為2～3 m，高度為3～4 m;地面建筑采用鋼材為Q235B鋼，模塊單元梁截面為口 80 mm×50 mm×5 mm，柱截面為口 100 mm×60 mm×10 mm。地上建筑采用矩形鋼管和H型鋼梁。

在本次工程建筑中，多層鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義，所以需要加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。如果設(shè)計(jì)方案存在問題，則會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)整體承載力受到很大影響，使鋼結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性等多個(gè)方面出現(xiàn)問題。因此，必須提升多層鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，以此來提升建筑施工科學(xué)性，確保本次工程鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過設(shè)計(jì)人員的科學(xué)論證，采用現(xiàn)代化信息技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，在模型中準(zhǔn)確展現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的受力情況，可使整體設(shè)計(jì)方案更加清晰，能夠?yàn)楹罄m(xù)施工建設(shè)提供更加完善的設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)，是提高本次建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要方式。

3園區(qū)結(jié)構(gòu)體系規(guī)劃

建筑工程必須采用科學(xué)的結(jié)構(gòu)體系，才能夠保證建筑質(zhì)量和結(jié)構(gòu)效果，所以需要充分考察建筑工程所在區(qū)域的實(shí)際情況，保證所選擇的結(jié)構(gòu)體系能夠符合實(shí)際需要，從而避免建筑結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)不科學(xué)、不合理以及不規(guī)范的問題。在對本次工程整體園區(qū)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，因?yàn)榻ㄖ枰亩鄬愉摻Y(jié)構(gòu)模塊必須在工廠內(nèi)完成加工制作，在加工完成后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，為此需要提前計(jì)算多層鋼結(jié)構(gòu)模塊的尺寸等參數(shù)，從而確保鋼結(jié)構(gòu)模塊能夠順利在施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝。本次建筑工程中結(jié)構(gòu)寬度超過3 m，高度在4.5 m之內(nèi)，在對多層鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到所有影響因素?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在建筑中的表現(xiàn)形式一般為鋼框架結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)成包括承重梁、承重柱通過節(jié)點(diǎn)所組成，框架結(jié)構(gòu)具有應(yīng)用靈活、布置便利的特點(diǎn)，可以根據(jù)室內(nèi)空間的具體布置需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，鋼框架結(jié)構(gòu)的梁、柱等面積較小，能夠減少施工成本投入。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸設(shè)計(jì)分析

鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸設(shè)計(jì)是本次工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，在設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮到鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸大小對于結(jié)構(gòu)的影響，按照建筑工程的實(shí)際需求對其進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。首先，必須全面分析鋼結(jié)構(gòu)模塊的承載負(fù)荷，如果鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸較大，所承受的符合就會(huì)相應(yīng)降低，反之如果鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸較小，那么需要投入的鋼結(jié)構(gòu)模塊數(shù)量則會(huì)增加，不利于控制成本預(yù)算。其次，需要充分考慮到鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸大小對于運(yùn)輸?shù)囊?，確保鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸符合運(yùn)輸實(shí)際需求，從而才能夠保證鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸設(shè)計(jì)科學(xué)性。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)本次工程的實(shí)際情況來看，辦公樓的一層高度相比于其他普通樓層高度更高，所以本次工程中鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)同時(shí)采用兩種不同的設(shè)計(jì)方案。由于第一層樓層高度較高，需要承受的荷載與其他樓層不屠龍，所以在對鋼結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用H型鋼梁和矩形鋼管柱相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，確保每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)模塊都能夠良好結(jié)合，是保障本次工程設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要方式。

3.3 構(gòu)件設(shè)計(jì)分析

構(gòu)件設(shè)計(jì)能夠直接影響鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量，所以為了保證工程質(zhì)量，必須做好構(gòu)件設(shè)計(jì)工作，結(jié)合多層鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，提高構(gòu)件設(shè)計(jì)能力，避免在施工后期出現(xiàn)變更問題。在本次工程中，辦公樓所采用的鋼材為Q235鋼，建筑抗震等級設(shè)計(jì)為2級。

4建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型計(jì)算

為了全面提高本次建筑工程鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、承載力以及抗震能力，必須對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，確保參數(shù)計(jì)算參數(shù)準(zhǔn)確性，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)存在不符合國家要求規(guī)定的問題，需要結(jié)合實(shí)際情況對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

按照國家要求規(guī)定以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)和資料對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過建立計(jì)算模型進(jìn)行分析，通過計(jì)算模型能夠提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確性，能夠驗(yàn)證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)是否能夠滿足要求。

4.2 節(jié)點(diǎn)簡化和簡化合理性分析

通過采用模型分析方法，得到如下數(shù)據(jù)：最大荷載約為85 kN，相應(yīng)的最大位移約為134.2 mm，簡化模型的最大荷載約為76 kN，相應(yīng)的最大位移約為114.2 mm，二者差異較小。經(jīng)過簡化后的模型各項(xiàng)參數(shù)能夠滿足本次工程建設(shè)實(shí)際要求，將模型節(jié)點(diǎn)優(yōu)化與實(shí)際情況進(jìn)行對比分析，從而能夠確定最佳的施工技術(shù)方案。

4.3 模型構(gòu)建

為了得到科學(xué)準(zhǔn)確的模型，? ?本次工程采用 Midas 軟? 件進(jìn)行建模，? ?模型主要包括梁體和柱體單元。下圖為構(gòu)建完成的整體模型圖。

外墻及內(nèi)墻均采用石膏板加巖棉的做法，根據(jù)計(jì)算外墻荷載為4.0 kN/m，內(nèi)墻荷載為3.3 kN/m;二層樓板采用壓型鋼板混凝土組合樓板，厚度為 100 mm，荷載為2.8 kN/m2，三層樓板采用輕鋼龍骨木地板的輕質(zhì)樓板，荷載為1 kN/m;樓梯恒荷載為3 kN/m2，電梯恒荷載為5 kN/m2，采光天窗恒荷載為0.6 kN/m2;法屋面吊頂活荷載為1.0 kN/m2;不上人屋面活荷載為0.5 kN/m2;走廊活荷載為2.5 kN/m2;樓梯活荷載為3.5 kN/m2;機(jī)房設(shè)備活荷載為7.0 kN/m2;辦公區(qū)域活荷載為2.0 kN/m2;電梯活荷載為7.0 kN/m2。

通過采用有限元模型構(gòu)建以及仿真分析的方式，本次工程中鋼結(jié)構(gòu)模塊以及鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)更加準(zhǔn)確，從而為后續(xù)的具體優(yōu)化提供科學(xué)的指導(dǎo)。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

為了確保本次建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案科學(xué)性，在設(shè)計(jì)方案完成后對其進(jìn)行充分檢測，主要檢測內(nèi)容包括：（1）采用隨機(jī)抽取該辦公樓建筑鋼框架鋼材樣本的檢測方式，對鋼材料的拉伸性能、冷彎性能、材料主要元素含量進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果需符合GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中Q345B規(guī)定的要求。（2）該辦公樓建筑鋼框架結(jié)構(gòu)中1層鋼柱為等截面鋼管柱，2、3以及4層大部分鋼管柱為不等直徑鋼管柱，焊接方式為點(diǎn)焊，主梁為H形鋼梁結(jié)構(gòu)形式，次梁為工字型鋼梁結(jié)構(gòu)。（3）抽取樣本中50%的鋼柱構(gòu)件，對其垂直度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果符合國家要求規(guī)定。（4）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接方式檢測鑒定。在鋼柱柱腳的連接方式檢測方面，該工程鋼柱底部和基礎(chǔ)頂面預(yù)埋鋼板采用圍焊連接，鋼管柱腳底部沒有肋板，為混凝土澆筑結(jié)構(gòu)形式;在鋼柱與鋼梁的連接方式檢測方面，該工程上層和下層的鋼管柱為不連通結(jié)構(gòu)形式，中間被鋼梁分隔，鋼管柱與鋼梁上部、下部接觸部分采用角焊縫方式連接;在次梁與主梁的連接方式檢測方面，次梁上部與主梁上部采用對接縫焊接方式連接，次梁下部與主梁下部采用角焊縫方式連接，主梁腹板和次梁腹板采用角焊縫方式連接[4]。

通過對設(shè)計(jì)方案以及現(xiàn)場的檢測可知，本次多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠滿足相關(guān)要求規(guī)定，能夠保障本次工程質(zhì)量，對后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)施工建設(shè)具有重要的指導(dǎo)作用。

5結(jié)語

綜上所述，為了解決傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)框架建筑在設(shè)計(jì)中存在的問題，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)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面分析，對鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸、復(fù)合框架方案以及具體構(gòu)建進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)檢測結(jié)果可以看出，本次設(shè)計(jì)創(chuàng)新方案取得了良好的效果，對于鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)以及施工產(chǎn)生良好的推動(dòng)作用，全面促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑整體質(zhì)量提高。

參考文獻(xiàn)

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Research on the Design of Composite Building Structure with Multi-story Steel Structure Module and Steel Frame

MA Shaoxia

（The Second Branch of Shandong High Speed Laigang Green Construction Development Co.， Ltd.，Jinan Shandong

250000）

Abstract： This article mainly studies the structural design of multi-layer steel structure modules and steel frame composite buildings. By combining with a building project in H City， the multi-layer steel structure design scheme adopted by it is analyzed， and the calculation of structural parameters and simplified design of joints are adopted. As well as the method of model analysis， the best steel structure modular design plan can be obtained， which can improve the design quality of the multi-layer steel structure of the construction project， solve the problems existing in the steel structure design of the current part of the project， so that the quality of the steel structure of the construction project has been comprehensively improved. It has made certain innovations in the design of multi-story steel structures in buildings， hoping to promote my country's architectural design industry.

Keywords： multi-layer steel structure module; steel frame composite structure; building structure design

收稿日期：2021-12-16

作者簡介：馬韶霞（1979—），女，山東濟(jì)南人，本科，工程師，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑。