多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計分析

占冰榮

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模塊建筑是一種新興的建筑體系，由于多層鋼框架結構的應用范圍比較廣，在對鋼結構模塊進行模塊單元之間的連接時，可以采用專用節點連接形式，這種連接形式具有非常好的合理性、簡單性、穩定性和便捷施工的優點。

1 多層鋼結構模塊建筑和傳統鋼框架結構的區別

1.1 相同點

多層鋼結構模塊建筑和傳統鋼框架結構都是利用鋼材自身的特性進行設計的，所以無論是多層鋼結構模塊還是傳統的鋼框架結構方式，都可以拆卸鋼構件。在對鋼結構進行設計的過程中，對鋼構件的品質要求非常高，同時也對監管工作的要求非常高，否則無法滿足鋼構件的拆卸需求[1]。

1.2 不同點

鋼結構模塊主要是基于傳統鋼框架結構的建筑方案中，通過結合新型技術，從而研發出最新的建筑設計方案。傳統的鋼框架結構方案采用的是預制方式，通常都是提前規劃設計方案并進行模擬，能夠提高工作的成效，并保證鋼結構的質量需求。然而鋼結構模塊相比于傳統的節點設計要求更加復雜，因此在節點設計時，必須重視相關節點的設計[2]。

2 結構體、構件、節點的設計需求

2.1 結構體的選擇

對辦公樓的建筑設計，鋼結構模塊往往有著固定的尺寸要求，因此在對鋼結構的生產中，通常由生產單位加工成型后直接運送到施工現場進行安裝。所以在整個運輸過程中，需要考慮到鋼結構的吊裝運輸問題。按照我國道路運輸的相關管理規定，吊裝的寬度不得超過3.5 m，高度不得超過4.2 m。在確定鋼結構體模塊和傳統鋼框架的結構體系過程中，除對每一層需要使用傳統的鋼框架結構，其他部分都需要鋼結構模塊單元[3]。

2.2 首層鋼框架結構

在辦公樓的首層結構建筑中，通常主要采用矩形鋼管柱和H型鋼梁組成的鋼框架結構。這是因為使用矩形鋼管柱和H型鋼梁組成的鋼架結構必須對梁柱節點的隔板能更好地符合模塊建筑施工的相關設計需求。

2.3 模塊單元類型

在辦公樓的建筑中，鋼結構模塊單元一般采用的是鋼框架結構，這些鋼框架結構主要分為四個不同的模塊單元，分別是普通模塊單元、中柱模塊單元、支撐模塊單元以及角部加強模塊單元。普通模塊單元一般情況下是由四根模塊柱組成，同時還有板梁、天花板以及次梁構成，所以普通模塊單元主要適用于辦公樓建筑中開敞的辦公區域，而不適合其他辦公區域。中柱模塊單元往往是在普通模塊單元基礎上，通過增設中柱的方式，將中柱的上下進行貫通連接，所以中柱模塊單元通常只適用于增強模塊建筑的整體性能需求。支撐模塊單元是在模塊單元內設置支撐，其作用是增強建筑的抗側剛度，因此支撐模塊單元主要應用于樓梯和建筑周圍。角部加強模塊單元主要位于模塊建筑角部，可以避免角部單柱過于薄弱，這些模塊單元中的各個構件均采用冷彎方鋼管和冷彎矩形鋼管，在工廠內進行焊接后即可使用[4]。

2.4 構件的設計

在辦公樓的建筑中，使用的鋼材材質以Q345B鋼為主，因此樓板之間搭放時，需要模塊次梁間距小于2 m。并按照GB 50011-2010標準要求，在模塊柱中澆筑混凝土，可以很好地減小軸壓比，并將軸壓比控制在0.4以下，同時混凝土的強度也需要達到C40要求。對首層框架界面的設計，通常有三種選擇類型，分別是200 mm×10 mm、310 mm×200 mm×10 mm、310 mm×10 mm類型，所以在荷載條件下對構件強度和剛度進行設計，需要將模塊的梁截面控制在100 mm×50 mm×5 mm～300 mm×150 mm×10 mm，有利于方便模塊建筑現場的施工。

2.5 節點設計

在節點的設計中，首先，需要對模塊單元之間的連接點和模塊單元的連接專用節點使用插銷連接、螺栓拉桿連接的方式，才能更好地確保模塊節點的連接強度和剛度。然而這種構造缺乏一定的合理性與傳力可靠性，需要將模塊單元的分類結構連接成具有足夠剛度需求的結構，才能更好地應用多層鋼結構的模塊建筑需求。其次，在傳統鋼框架和模塊單元的有效連接中，只有將鋼框架模塊搭建在模塊單元，才能將隔板貫式節點與模塊節點之間結合在一起。在具體的施工中，將上隔板改造成模塊節點類似的插銷連接形式，并與上隔板端部焊接在一起，可以用來搭接上部模塊梁，并將鋼柱打斷部分焊接在十字肋板上，有利于加強節點區域，并防止腹板局部失穩的情況發生[5]。

3 建立結構計算模型

3.1 結構參數計算

將辦公樓的抗震強度設置為8級，基本地震加速度設置為0.2 g，按照地震分組，可以將辦公樓建筑工程劃分為抗震等級三級。根據GB 50009—2012標準要求執行，考慮到恒荷載、活荷載、風荷載以及地震的作用，對適應的施工情況進行有效組合。

3.2 簡化節點的合理性研究

在簡化節點的合理性研究中，首先，對節點的簡化模型，要做到模塊連接點的簡化，而在對具體簡化到上下模塊之間的各構建模塊進行約束時，對模型中的模塊柱和模塊梁連接點用鋼性短桿表示，能夠更好地實現節點之間的自由度耦合需求。其次，在模塊連接點之間的簡化合理性研究中，運用ANSYS有限元軟件模型，能夠對柱頂施加足夠的位移約束。在設計中要求材料處于彈性階段，這樣的簡化對設計是可以接受的，因此節點的簡化處理方式是比較合理的[6]。

3.3 建立模型

在模型建立中采用有限元軟件MIDAS/Gen821進行建模，梁柱通常采用梁單元建立，同時支撐上下模塊之間的拉桿和水平模塊之間的蓋板，并對連接采用桁架單元進行建立。

4 計算結果分析

4.1 對周期和振幅的計算分析

在特征值分析中得到結構前的12振型評論分布圖，并從相關圖中得出前3階段的振型頻率。通常前3階段的振型頻率較低，只有第4～12階段的頻率變化比較快且比較密集。

4.2 頂點位移

在四種工況組合下的頂點位移中，通常最大的位移發生在頂層，X風荷載工況組合下結構頂點的最大位移是5.64 mm，Y向風荷載工況組合下結構頂點的最大位移是6.28 mm，X向地震作用工況組合下結構頂點的最大位移是30.24 mm，Y向地震作用工況組合下結構頂點的最大位移是20.34 mm。由于這四種工況組合下的頂點位移都小于BG 50017—2003的標準要求，所以對框架結構頂點位移的限制要求計算后，得出最終的限制是32.8 mm。

4.3 應力比與用鋼量

鋼構件應力比中，應力比均小于1，且大部分應力比在0.85以下，最大的應力比也只有0.878。鋼管混凝土構件的應力比最大值為0.952，所以經過計算，對結構的總用鋼量和平均每平米用鋼量進行計算，可以得出每平米的用鋼量是85.59。然而在綠色環保施工中，只有更好地節約人力和物力資源，才能有效地彌補用鋼量，比對模塊建筑的用鋼量進行優化設計，使用鋼量的需求大幅度降低。

5 結語

在辦公樓的建筑設計中，根據模塊尺寸和建筑功能的需求，選擇結構體為剛模塊與鋼框架復合建筑結構，所以在實際的節點受力中，對節點進行簡化。同時運用ANSYS有限元軟件和MIDAS/Gen821軟件，可以對模型進行簡化并構建出對應的結構模型，最終滿足多層鋼結構模塊和鋼框復合建筑結構的設計需求。