多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑的結構設計

李艷愛

（山西元工電力工程設計有限公司，太原 030000）

1 引言

近年來，多層鋼框架結構應用范圍不斷拓展，而多層鋼結構中有很多重要構件，如鋼桁架、鋼梁、鋼柱等環節，連接方式是以螺栓連接、傳統焊接為主，且連接節點數量趨于多樣化，工作人員每天需要完成較大工程量。 同時，鋼結構在不同模塊單元連接時，由于模塊單元連接方法過于簡單，且不同大小的模塊連接方法存在嚴重差異性， 工作人員通常采用專用節點形式進行連接。 在正常情況下，專用節點連接方式采用螺栓拉桿連接和插銷連接方式， 從而保證模塊間角部連接節點的剛度能達到行業要求。 基于此，本文以一棟多層鋼結構模塊建筑為主要研究對象，根據建筑要求和模塊尺寸數據，來選擇結構體系類型，提出鋼框架復合結構體系和鋼結構模塊，合理設計所采用的構件和節點。 同時，將模塊建筑和傳統鋼框架結構進行對比后，合理應用傳統鋼結構設計方法，來提高建筑物整體穩定性。 另外，通過利用有限元軟件構建分析模型，計算在不同情況下建筑物的實際數據， 并將實際數據和行業標準進行對比，確保建筑物每個指標都能滿足行業規范要求[1]。

2 工程概述

某辦公樓項目坐落在天津市濱海新區， 西側是中央大道旅游區，南面距離航海道2.5 km，辦公樓總面積為2 536.2 m2，建筑層數為3 層，高度16.4 m，首層高度在5.4 m，標準層高度3.9 m。 目前，工作人員未設計地下空間，是現代最常見的多層建筑， 整體結構是由鋼框架復合結構體系和鋼結構模塊體系組成[2]。

3 結構體系與構件、節點設計

3.1 結構體系選擇

鋼結構屬于建筑工程中最常見的結構之一， 主要分為鋼板和型鋼，主要有鋼桁架、鋼柱、鋼梁等構件，這些構件通常采用焊縫、螺栓、鉚釘等連接方式進行拼裝，形成完整的鋼結構。鋼結構在綠色施工方面的優勢主要體現在如下方面：首先，相比于傳統混凝土結構， 鋼結構具有明顯的實用性和綠色環保性。 其抗震性能要遠高于混凝土結構， 當出現嚴重地震災害時，由于鋼結構自身承重較輕，強度指標較高，能有效緩解變形破壞程度和振動位移程度，提高建筑結構的安全性。其次，由于鋼結構建筑自重較輕， 其通常是以冷彎薄壁構造體系為主體，融合冷軋鍍鋅防腐措施，能有效避免建筑結構受到銹蝕因素影響。

通過上述分析發現，鋼結構具有較好的耐久性、抗震性、抗風性等，雖然也存在很多方面的問題，但可通過利用現有技術進行解決，能充分發揮鋼結構的綜合性能。 基于本文辦公樓鋼結構模塊尺寸要求，鋼結構模塊單元要在工廠內進行加工，運輸到施工現場，再讓工作人員在現場進行吊裝安裝，嚴格遵循行業吊裝標準。 模塊單元寬度為2.5 m，高度低于4.2 m。 根據建筑功能要求，工作人員要將辦公樓首層設置咖啡廳、模塊展示區等空間，建筑高度為5.4 m，在第二層設置通往西側工廠的天橋，所以不能全部使用純模塊體系。 通過上述分析確定結構體系是復合結構體系，前3 層為傳統鋼框架結構，其他環節采用鋼結構模塊單元。

3.2 模塊單元類型

鋼結構模塊單元總體是以鋼框架結構， 具體分為角部加強模塊單元、普通模塊單元、支撐模塊單元、中柱模塊單元等。普通模塊單元被設置在辦公室區域中； 中柱模塊單元是在普通模塊單元基礎上安裝中柱， 確保橫向模塊和中柱能相互通暢，有利于工作人員控制鋼結構模塊進行多點位連接，無形中提高模塊建筑的整體性。 同時， 鋼結構在不同模塊單元連接時，采用專用節點形式進行連接。 在正常情況下，專用節點連接方式采用螺栓拉桿連接和插銷連接方式， 從而保證模塊間角部連接節點的剛度能達到行業要求。 同時，支撐模塊單元是在模塊單元中設置支撐柱，進一步提高建筑剛度。 而角部加強模塊單元在模塊建筑某個環節， 主要目的是防止角部柱子過于淺??； 模塊單元不同構件都被應用大量冷彎矩形鋼管和冷彎方鋼管，且采用工廠內焊接方式進行連接。

3.3 首層鋼框架結構

首層結構形式通常是由H 形鋼梁和矩形鋼管柱所形成的鋼框架結構。 梁柱節點一般是利用隔板貫通式節點，即是利用隔板將柱子全部斷開， 梁柱連接時利用栓焊混接方法進行連接，其具有較強的受力性能，有利于工作人員進行安裝，完全滿足模塊建筑快速施工要求。

3.4 構件設計

本項目所采用的鋼材型號為Q345B， 嚴格遵循行業標準進行樓板搭設，將模塊次梁間距控制在2 m 范圍內。 同時，在模塊單元設計過程中，要保證柱梁截面超過柱截面。 為滿足行業抗震設計要求，工作人員要在模塊柱中澆筑適量混凝土，來降低軸壓比，從而提高建筑物抗震系數。 首層框架柱截面有3種不同類型，根據設計荷載條件對構件強度的要求，模塊梁截面有不同等級， 和模塊柱連接的梁截面寬度為150 mm，保證梁柱連接外立面齊平，有利于模塊建筑現場進行施工[3]。

4 結構計算模型的建立

4.1 結構計算參數

根據相關部門要求， 建筑企業工作人員要將辦公樓抗震設防烈度為8 度，基本地震加速度為0.20g，地震分組為第一組，地類別是Ⅳ類，特征周期為0.65 s，地面粗糙度為B 類。 考慮到不同方面因素，如地震荷載、恒荷載、風荷載、活荷載。

4.2 節點的簡化

4.2.1 節點簡化模型

在簡化模塊連接節點過程中， 要確保傳力和實際節點構造基本相同，考慮到不同模塊中的構件給模塊柱帶來的影響，工作人員要將模型中模塊柱和模塊梁進行相互連接， 利用剛性短桿來控制日常運動。 同時，利用鉸接連接方法來實現平動自由度進行耦合， 讓短柱間拉桿的鉸能在上下模塊間傳輸彎矩，從而達到剛接效果。

4.2.2 模塊連接節點簡化的合理性研究

工作人員可通過ANSYS 有限元軟件建立十字形節點模型（見圖1），考慮到變形作用，其可繪制荷載位移骨架曲線，將其和辦公樓各方面數據進行對比， 從而計算出實體模型的極限荷載和極限位移，并將其和簡化模型的極限荷載進行對比，發現兩者數值相差較小[4]。 通過將兩者彈性位置進行對比，簡化模型彈性剛度要低于實體模型彈性剛度， 大概是實體模型剛度的81%。主要原因是在簡化模型中，并未考慮到實體模型的各種構造和板材屈曲后的強度。

圖1 十字形節點ANSYS 模型

4.3 構建模型

利用有限元軟件進行建模，梁柱采用梁單元為主體，來支撐上下模塊間的拉桿運行， 水平模塊間的蓋板連接利用桁架單元進行設置。

5 計算結果分析

5.1 周期與振型

通過分析特征值能得到結構前12 階振型的頻率分布圖，可看出前3 階振型頻率較低， 低于12 階頻率變化速度較快，自振頻率過于頻繁， 除了第12 階、9 階、5 階出現頂部局部振動外，其他環節都為整體振動，這說明整體結構剛度分布具有較強的合理性，能有效提高模塊建筑的整體性。 同時，通過查看前3 階周期和振型，發現在第1 階振型屬于X 向平動，周期為0.8330 s；第2 階振型是X 向平動，周期是0.537 7 s；第3 階振型是扭動，周期0.508 4 s，且周期比低于0.85，能滿足民用建筑鋼結構技術要求[5]。

5.2 頂點位移

通過分析在不同情況下的頂點位移發現， 最高位移通常出現在頂層。 其中，在恒荷載和風荷載組合情況下，結構頂點最高位移是5.64 mm；恒荷載和地震作用情況下，頂點最大位移為30.24 mm。 經過分析發現，上述這些位移數據都低于鋼結構設計規范，能滿足行業如此要求[6]。

6 多層鋼結構模塊施工的關鍵技術

6.1 資質審核

施工單位要注重檢查鋼結構重要施工環節的實際進度，關注構件現場吊裝和拼裝， 嚴格遵循行業標準來檢查工程構件安裝質量。 同時，在該時間段，施工企業要實時查看吊裝設備執行情況，采用合理方式對其進行審核，科學控制技術流程和屋架外形， 保證鋼結構建筑吊裝方法和施工技術能符合行業標準。 上述控制內容主要目的是保證施工建筑工序能完全根據行業標準來開展相關工作。 另外， 在審核技術資源憑證時， 工作人員要注意檢查施工企業焊工資格證， 保證焊接方法、焊接工藝評審報告、接頭方式的科學性，避免出現錯漏、遺漏等問題，有效提高鋼結構施工質量。

6.2 施工方法應用

在安裝鋼結構階段， 首先要滿足鋼結構施工各項施工要求，并結合現場施工實際情況，來建立健全的施工管理機制，保證各項施工操作能滿足行業要求， 并確保工程能在規定時間內竣工。 同時，在安裝鋼結構過程中要注重提高建筑安全性和空間穩定性。 在正式安裝前要做好相關準備工作，如施工場地清理、機具吊裝準備工作、運輸道路修建、運輸構件就位等工作。 其次，在鋼結構工程施工中要測量鋼結構各方面數據，其數據準確性和工程質量有直接聯系， 且在鋼結構測量中要重復測量土建工程工序交接點， 保證鋼柱在安裝前的垂直度標準，從而合理控制沉降觀測[7]。

7 結語

綜上所述，從我國目前鋼結構建筑工程施工情況來看，其仍然存在很多方面的問題，需要工作人員進行不斷完善，相關部門也應增強對多層鋼結構模塊建設理念的重視程度， 將多層鋼結構模塊理念應用到鋼結構建筑工程各環節中， 來保證我國鋼結構建筑工程能順利進行。