多層裝配式模塊住宅結構方案分析與優化探索

陳竣+祝葉

摘 要：在工業化建筑的中國，裝配式模塊建筑具有廣闊的發展前景，為了使得建筑的整體結構性能得以提高，并能充分掌握這種裝配結構的特點，本文的研究分析中，用了新的尺寸設計出的箱體模塊，設計出7層住宅結構，并對其進行分析后，建立起有限元模型，將其與增加橫梁、立柱等方案進行對比，考察不同的方案對抗側剛度產生的影響，通過各種分析和對比，提出合理的優化方案，為多層裝配式的建筑結構的應用提供參考。

關鍵詞：裝配式模塊結構；抗側構造措施；節點剛度；優化方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.101

0 前言

采用裝配式模塊構建的建筑，有很多的優點，具有很多優點，抗震性能較好、消耗的能源較低、污染也較小，并且施工的周期較短，可以再次回收等，學生公寓、商店、博物館以及快捷酒店等各種用途的建筑結構都采用了這種建筑模式。當前，裝配式建筑在國外有很多的實踐應用，眾多的行業者對其作出了很多的研究，重點分析滿足建筑功能后的，該模式的可行性。本文用的是新尺寸的箱體模塊，建立起7層標準戶型住宅，通過相應的分析，提出適用于這種結構的高效的抗側構造的措施，為裝配式建筑的設計和實踐應用，提供重要的參考。

1 建立結構模型

1.1 結構體系概述

整個建筑結構采用的是裝配式模塊，模塊的標準長為7.354米，寬度為2.438米，高度為3米。整個建筑結構的總長是39.328米，總寬為12.290米，總高度是19.500米。我中的最頂層的高度是1.5米。1到6層每層高為3米。一共設置出4種戶型。其中，A種戶型的面積為36.26平方米（2個模塊），B種戶型的面積為54.39平方米（3個模塊），C種戶型的面積為18.13平方米（1個模塊）。D種戶型的面積是27.20平方米。每個標準層包含3個A型，2個B型，2個D型和1個C型。并設置出2個小型的箱體模塊當做樓梯間和電梯間。

1.2 截面設計

按照原有的集裝箱的建筑，和集裝箱模塊常用的構件截面，構建出最初的構件截面，作為初期的設計方案，按照設計指標和參數，分析行靜力和模態，還要對地震的作用進行分析，并在這基礎上，對采取的各種抗側措施對結構的抗側剛度產生的影響進行分析。其中，角柱和頂梁柱都采用的是方管，上端梁和下端梁都采用的是H型管，底側梁采用的是矩形管。

設計試驗中，在最初的方案上（不添加輔助梁），增加抗側剛度的相應措施，作為相應的對比方案。其中方案1是在模塊內部增加了橫梁和立柱，方案2是在滿足建筑所使用的空間后，增加了側向輔助的拉索，對于初始方案以及對比方案進行抗震和靜力分析后，對其抗側構造措施的合理性進行分析和評估。

2 分析工況

（1）設計參數。該建筑結構設在沿海區域，設為二級重要性，設計的使用期限為50a。墻板和樓面板選用的是混凝土板，樓面和屋面的活荷分別為2.00kN/㎡，和0.50kN/㎡，以及風荷載的基本風壓取值為0.60kN/㎡。

（2）靜力分析。對于整體結構的靜力進行分析，包括恒荷載、風荷載、溫度荷載和活荷載，并按照相應的承載能力的極限以及正常使用時的極限狀態，共進行了60種組合的荷載，將應力比、位移角以及柱頂的位移等作為重要的指標，對結構進行合理評估。

（3）動力分析。對地震影響下的建筑進行分析，采用的是時程分析和振型分解反映普法。建筑所處區域的震設防烈度設置為8度，根據相應的設計規范，對于一些多發生的地震阻尼比設置為0.04，罕見地震阻尼比設置成0.05。

3 抗側構造對比分析

（1）應力比。3種方案在最不利的靜力荷載中，對其分布的應力比進行分析。其中應力比指的是，多種工況出現的情況下，構件的最大應力和設計強度之間的比值，比值大于1就是超限桿件。

最初的方案中最大的應力比是1.633，超限桿件為191根。與方案1 中最大應力比有所降低。而方案2中有0.3%的桿件超限，有6根桿件的應力比超過限值，因此，從結果看來，增加的輔助的立柱以及橫梁對結構性能的改善比較有限，而增加側向輔助的拉索對于結構的受力性能更有改善效果。

（2）層間位移角和柱頂的最大位移。因為結構的長軸向的剛度比較大，三個結構的方案在風荷載的作用下，層間的位移角能否滿足相應的規范和要求，因此，在這里，主要要考察的是短軸向在不同的抗側構造下的產生的剛度有多大的差異。經過對比研究，發現，在初始方案中，短軸向中的層間位移有很大部分超限，短軸向抗側的剛度顯得明顯不足。與方案1 相對比，其空間位移要比初始位移小很多，但是仍然有多個樓層的位移超過限值（限值為h/400）。而與方案2 相對比，其抗側位移剛度，則有明顯的加強，層間的位移都比規范的限值要小。因此，側向拉索的增加能使得結構的側向剛度有效提升。

4 節點剛接和鉸接對抗側剛度產生的影響

對于已有的裝配式模塊構建的體系進行分析時，常常將模式假定為鉸接的連接方式，但是在實際的應用中，節點連接并不完全是鉸接，因此需要對節點的剛度給結構性能帶來的影響進行考擦。將以最初的設計方案為基礎，對節點鉸接形式下的鉸接和剛接支座以及節點剛接形式下的鉸接和剛接支座進行工況分析，考察不同支座形式下節點剛度對裝配式建筑的影響。

通過分析，不管是節點剛接還是支座剛接，都能對結構的整體的抗側剛度產生一定的影響，其中，節點處的連接方式更能顯著地影響到結構的性能。模塊之間的節點剛接對于抗側移的剛度能有效地增強，使得結構的受力性得到改善。而節點的具體形式，設計結構時，可以轉動節點的剛度，提升抗側移的剛度。

5 結束語

通過多種的抗側結構的措施的實施，與舒適的設計方案進行對比后，發現，在裝配式模塊中增加橫梁和立柱對于結構的抗側剛度，并沒有明顯的改善作用，而在側向增加拉索，能使得結構的抗側剛度大大提升，在實際的工程建設中，如果空間足夠大，就可以適當地增加側向輔助拉索，提升結構的側向剛度，使得結構的受力性得到改善。裝配式的建筑技術還不成熟，但是在未來的研究發展中，必會顯示出強大的生機。

作者簡介：陳竣（1976-），男，湖北武漢人，工學碩士，副教授，主要研究方向：結構工程。endprint