新型多高層鋼結構箱式模塊建筑的設計

譚曉龍

摘 要：箱式模塊建筑以自動化程度高及優勢突出等，受到青睞，但傳統模塊建筑一般使用方鋼管柱，不易進行連接，所以，提出型鋼模塊建筑體系用作模塊梁柱，能夠更輕松地使用螺栓連連接模塊。主要分析了新型多高層鋼結構箱式模塊建筑的設計，期望其更好服務相關實踐工作，同時也希望本次研究具有一定的指導意義。

關鍵詞：多高層；鋼結構；箱式模塊；建筑

模塊建筑屬于一種預制裝配式建筑，具有非常高的工業化程度，這和建筑業技術進步趨勢是相符的，現階段模塊建筑以低層與多層建筑中應用較廣。

1 新型多高層鋼結構箱式模塊建筑體系的組成

模塊箱體由于承載力對其進行約束，一般現有模塊體系被使用到多層建筑中。為使模塊建筑有更寬廣的使用范圍，通過冷彎厚壁槽形截面鋼的使用，把其用作型鋼模塊建筑體系，先冷彎加工鋼板，形成截面形式，使開口截面作為受力構件之一，可以很輕松地使用強度較高的螺栓進行連接，臨近模塊單元中的梁與柱經過組合，形成截面，讓構件獲得較高承載力，繼而把箱式模塊建筑應用于旅館、住宅等多高層建筑當中。

對原建筑平面，建筑樓層高3 m。為讓設計更易進行，著重來分析模塊特點，在探索性設計中，為考慮平面內3個陽臺。樓梯沒采用鋼框架，層數目逐步增加同時，考慮到受力情況，可實施布置支撐，先進行拆分，劃分居住區為各模塊單元。

1.1 新型多高層鋼結構箱式模塊單元及模塊結構布置方案

為讓結構獲得綜合性較高的z向側向剛度，將支撐設置于模塊1、2、5、6中的外立面窗問墻中，因為空間不大，支撐布置形狀為K形。相鄰模塊在拼接過程中，于柱中間進行連接，生成x形支撐。在模塊結構設置上，為獲得最好的結構布置，且更好地進行制造與安裝，模塊柱布置間距有下述兩種選取方案，一種是方案a，也即選取1 200 mm，另一種是方案b，也即選取2 400 mm。且兩種方案的使用，用以對6、8、10及21層等的結構作出分析，同時比較鋼材損耗量。

1.2 設計參數與結構模型

調整結構設計荷載中恒荷載、活荷載、風荷載、地震作用等其中，風荷載中基本風壓與雪荷載中基本雪壓分別為0.55 kN.m-2、0.35 kN.m-2。對地震作用，在設計中，抗震烈度與基本地震加速度分別為7度、0.1g，設計地震分組第1組。從上述計算來看，模塊頂梁、頂層模塊頂梁分別取C12 cmx 0.6 cm×0.06 cm、C12 cm x11 cm x0.12cm。構件截面全部符合截面寬厚比的具體要求。

1.3 組合柱分析模型及組合梁的分析模型

對模塊單元中的C形柱而言，背靠背在腹板位置使用螺栓來連接。對模塊單元C形梁而言，上梁、下梁于翼緣中間使用螺栓來連接，左梁、右梁于腹板位置使用螺栓來連接，生成組合構件。這種強度較高的螺栓連接而成的組合構件，通過下述三種方案實施簡化模擬：①使用彈性連接中的剛性將功能耦合節點連接起來；②使用桁架單元對組合構件實施模擬；③使用剛度無窮大的梁單元對高強度螺栓實施模擬。

為讓模塊連接不至于復雜化，將臨近的模塊墻柱、墻柱與鋼框架柱拼接起來，使用強度較高的高強度螺栓。在具體安裝過程中，將5～10 mm厚墊板設置在組合柱分肢當中用以調節模塊在拼裝過程中產生的誤差。取系桿長10 mm，主要是為了更方便構建柱模型，且能對墊板厚度進行模擬。另外，對組合梁的分析模型，組合梁的分析模型采用系桿模擬拼接所用的強度較高的螺栓，選取系桿長10 mm。

1.4 設計結果分析

對本研究中結構進行分析及計算過程中，使用了有限元軟件MIDAS/Gen。對由6層結構至15層結構做出分析，使用了第一種方案中的結構模型。結構設計滿足具體的應力比、位移比及寬厚比等的需求。經過結構計算，獲得地震響應與風載響應，等一些參數，同時做出對比。地震作用產生的位移結果全部符合特定的1/250層間位移角限值要求。除了6層方案B的自振周期順序為y向平動、x向平動扭轉，其他一些模型中自振周期的順序全部是X軸及y軸分別平動、平動、，此外自振周期還順序扭轉，全部滿足規范下的周期比要求。

1.5 用鋼量分析

相較之下，方案b產生的應力比圖形比較飽滿，使用相對較少的鋼量。當低層數條件下，方案b更容易節省成本，而層數逐步增加同時，承受更為突出的風荷載作用，方案b的經濟性必然會遭受影響。建筑物高度逐步增加同時，風荷載產生更為明顯的作用，無疑讓柱子的軸力更大，且使得梁內力變大，所以，單位面積鋼材耗損量無疑增加。

2 結語

本次研究中將厚壁冷彎型鋼用作結構骨架，和使用冷彎薄壁型鋼比起來，具有更高的承載力，更多地應用于高層建筑當中；模塊建筑運用了矩形鋼管，與之相比，讓模塊單元之間便于連接。該次研究給出的模塊建筑方案能夠用作超過6層的鋼結構建筑，建筑達到了使用標準要求，結構設計指標均滿足當前規范需求，鋼材使用量均未超出范圍；如果層數多，建筑高度也在逐步增加，如果建筑通常受風荷載影響，這種體系花費的成本會增加。該結構適合的最大建筑層數是15層；在層數較少條件下，柱距的增加會讓結構獲得良好的受力性，極大凸顯構件的承載力，且結構不會花費太高成本；C形槽鋼組合柱承受載荷，也需在相連螺栓協助下來對豎向變形實施傳遞，傳遞距離也即為螺栓長，為此，選取10 mm長的梁單元對實際情況做出模擬，以滿足要求；槽形鋼組合截面梁在模擬過程中，能夠使用空腹析架模型，從計算情況看，因為空腹析架模型的應用，其得到了槽形鋼組合截面梁，相比有限元分析值，其等效剛度與之較為接近。最終希望借助本次設計旨在更好地服務新型多高層鋼結構箱式模塊建筑研究及實踐工作。

參考文獻：

[1]楊曉杰，陸燁，顧超，等.新型多高層鋼結構箱式模塊建筑的設計[J].建筑鋼結構進展，2016，18（5）：41-47，72.