模塊化集成輕鋼框架結構體系設計方法研究

2017-05-18 01:09:25章一萍涂遠德唐麗娜

四川建筑 2017年2期

關鍵詞：框架結構模塊化體系

章一萍，周練，隗萍，涂遠德，唐麗娜

(四川省建筑設計研究院、四川省建筑工業化工程技術研究中心，四川成都 610000)

模塊化集成輕鋼框架結構體系設計方法研究

章一萍，周練，隗萍，涂遠德，唐麗娜

(四川省建筑設計研究院、四川省建筑工業化工程技術研究中心，四川成都 610000)

文章以“模塊化集成輕鋼框架結構體系”為研究對象，分析其設計要點，對保證結構豎向和水平整體工作性能兩大關鍵技術難題進行了攻關，提出相應的簡易設計方法：為了保證體系的整體工作性能，各“輕鋼框架結構模塊”間應設置水平和豎向連接，連接可僅設置在“輕鋼框架結構模塊”中的框架柱端位置；在連接安全可靠的前提下，“模塊化集成輕鋼框架結構體系”的結構設計采用傳統的普通鋼框架結構設計理論和方法，且其水平整體工作性能可等同于剛性樓板。

模塊化集成；輕鋼框架結構體系；輕鋼框架結構模塊；整體工作性能

在“以綠色建筑為宗旨，大力發展裝配式建筑，逐步實現建筑工業化、住宅產業化”行業背景下，在急需化解鋼鐵產能過剩的市場迫切需求下，國發〔2016〕6號《國務院關于鋼鐵行業化解過剩產能實現脫困發展的意見》[1]、川府發〔2016〕12號《關于推進建筑產業現代化發展的指導意見》[2]等從中央到地方的政府系列文件中都提出“與建筑產業現代化相結合，擴大鋼結構應用領域，將傳統鋼結構進行改進升級，大力推廣新型鋼結構住宅的開發和應用，實現新型鋼結構住宅產品標準化、工業化、系列化”的要求。

本文以“模塊化集成輕鋼框架結構體系”為研究對象，分析其設計要點，對其豎向整體工作性能、水平整體工作性能兩大關鍵技術難題進行了研究分析，提出相應的簡易設計方法。

1 模塊化集成輕鋼框架結構體系

“模塊化集成輕鋼框架結構體系”是指“輕鋼框架結構模塊”通過科學、合理的平立面組合，現場快速裝配連接、集成為整體的結構體系。采用該結構體系，通常將建筑戶型劃分為多個具有獨立完備的建筑功能的空間單元，每個建筑功能空間單元的主體結構采用輕型鋼框架結構體系，即形成“輕鋼框架結構模塊”，“輕鋼框架結構模塊”與維護體系和裝修可在工廠一體化生產成型，再運輸至施工現場進行組合、快速裝配連接、集成為整體(圖1)。

圖1 輕鋼框架模塊組合集成示意[3]

“模塊化集成輕鋼框架結構體系”同傳統鋼框架結構一致，由框架梁柱承重，維護墻體僅作為附屬構件，相對于“冷彎薄壁型鋼龍骨體系”具有傳力路徑明確、構件主次分明、結構構件和連接構造數量少、建筑門窗洞口布置不影響結構力學性能等優勢[4]。結構模塊內部設計同傳統鋼框架結構一致，可直接采用我國現行的鋼結構設計理論和設計方法[5]，具有MIDAS等多種成熟的配套設計軟件。但是“模塊化集成輕鋼框架結構體系”與傳統的鋼框架結構體系設計最大的不同之處在于：如何保證“輕鋼框架結構模塊”間豎向、水平的整體工作性能。為了保證“模塊化集成輕鋼框架結構體系”的整體工作性能，設計時應在“輕鋼框架結構模塊”上下之間、水平之間設置可靠連接，設置連接位置和數量則成為一待解決的關鍵技術難題。

2 豎向整體工作性能研究

為了保證“輕鋼框架結構模塊”內部簡明的傳力路徑、模塊裝配連接最簡化，本文初步設定“輕鋼框架結構模塊”之間豎向連接僅設置在上下結構模塊的框架柱位置處。為了驗證以上連接方法的可靠性，本文基于一典型的輕鋼低層建筑模塊化集成戶型(平面布置見圖2，層高3 m)，分別在Midas/Gen結構分析軟件中采用傳統鋼框架模型A與輕鋼框架模塊結構模型B進行對比分析(圖3、圖4)。其中，兩模型具有相同的外荷載、邊界條件(底層柱腳采用剛接)、構件截面(根據實際工程荷載初步設計確定)；采用梁單元模擬框架梁、柱以及連接，采用厚板單元模擬樓板，厚板單元通過4個節點與梁單元連接。模型B上下結構模塊之間僅在框架柱位置處采用與框架柱同截面的短柱連接，模型A中框架梁截面為模型B中框架梁截面之和。

(a) 一層平面布置

(b) 二層平面布置圖2 典型的模塊化集成戶型

圖3 傳統鋼框架結構模型A

圖4 結構模型B

兩模型的前三階自振特性、構件內力、位移對比詳見圖5～圖10，可得：(1)兩模型的自振模態和自振周期基本一致，周期相差在5 %以內；(2)兩模型的內力分布基本一致，但模型B存在小短柱導致局部構件應力集中現象，最大應力值比模型A大約10 %，而構件設計時為了安全起見，應力比往往控制在0.9左右，因此，10 %的差值處于構件設計可調控范圍；(3)兩模型的豎向位移和水平位移分布基本一致，最大位移數值相差在5 %左右。

綜上，豎向連接僅設置在結構模塊框架柱對應位置可保證“模塊化集成輕鋼框架結構體系”豎向整體工作性能；當各“輕鋼框架結構模塊”豎向連接安全可靠時，可將“模塊化集成輕鋼框架結構體系”豎向簡化了傳統普通鋼框架結構體系，采用現有成熟的鋼結構設計軟件進行豎向整體性力學性能設計。

圖5 模型A第一階振動模態(T1=1.02s)

圖6 模型B第一階振動模態(T1=0.98s)

圖7 模型A構件內力分布(最大值183.67MPa)

圖8 模型B構件內力分布(最大值204.15MPa)

圖9 模型A水平位移分布(最大值9.45mm)

3 水平整體工作性能研究

初步假定“輕鋼框架結構模塊”之間的水平連接僅發生在結構模塊上下柱端。同理，基于圖2戶型，在Midas/Gen建立三有限元模型進行對比分析，模型如圖11～圖13所示，結構布置參數詳見表1，水平連接采用同框架梁等截面的短梁連接。

表1 三模型結構參數

圖11 模型A

圖12 模型B

圖13 模型C

對比自振特性(圖14～圖16)，可得：模型A與模型B的自振模態和自振周期基本一致，均呈現第一二階整體平動，第三階整體繞Z軸扭轉，而模型C前三階振型均呈現局部模塊的振動，且各階自振周期遠大于模型A和模型B。對比水平位移(圖17～圖19)，可得：模型A與模型B水平位移分布和數值基本一致，在外部水平荷載作用下均呈現整體的平動，而模型C的最大水平位移是模型A和模型B的2倍以上，且呈現在外部水平荷載作用下局部模塊平。除此之外，三模型的內力以及豎向位移分布和數值大小基本一致。