多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计分析

占冰荣

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模块建筑是一种新兴的建筑体系，由于多层钢框架结构的应用范围比较广，在对钢结构模块进行模块单元之间的连接时，可以采用专用节点连接形式，这种连接形式具有非常好的合理性、简单性、稳定性和便捷施工的优点。

1 多层钢结构模块建筑和传统钢框架结构的区别

1.1 相同点

多层钢结构模块建筑和传统钢框架结构都是利用钢材自身的特性进行设计的，所以无论是多层钢结构模块还是传统的钢框架结构方式，都可以拆卸钢构件。在对钢结构进行设计的过程中，对钢构件的品质要求非常高，同时也对监管工作的要求非常高，否则无法满足钢构件的拆卸需求[1]。

1.2 不同点

钢结构模块主要是基于传统钢框架结构的建筑方案中，通过结合新型技术，从而研发出最新的建筑设计方案。传统的钢框架结构方案采用的是预制方式，通常都是提前规划设计方案并进行模拟，能够提高工作的成效，并保证钢结构的质量需求。然而钢结构模块相比于传统的节点设计要求更加复杂，因此在节点设计时，必须重视相关节点的设计[2]。

2 结构体、构件、节点的设计需求

2.1 结构体的选择

对办公楼的建筑设计，钢结构模块往往有着固定的尺寸要求，因此在对钢结构的生产中，通常由生产单位加工成型后直接运送到施工现场进行安装。所以在整个运输过程中，需要考虑到钢结构的吊装运输问题。按照我国道路运输的相关管理规定，吊装的宽度不得超过3.5 m，高度不得超过4.2 m。在确定钢结构体模块和传统钢框架的结构体系过程中，除对每一层需要使用传统的钢框架结构，其他部分都需要钢结构模块单元[3]。

2.2 首层钢框架结构

在办公楼的首层结构建筑中，通常主要采用矩形钢管柱和H型钢梁组成的钢框架结构。这是因为使用矩形钢管柱和H型钢梁组成的钢架结构必须对梁柱节点的隔板能更好地符合模块建筑施工的相关设计需求。

2.3 模块单元类型

在办公楼的建筑中，钢结构模块单元一般采用的是钢框架结构，这些钢框架结构主要分为四个不同的模块单元，分别是普通模块单元、中柱模块单元、支撑模块单元以及角部加强模块单元。普通模块单元一般情况下是由四根模块柱组成，同时还有板梁、天花板以及次梁构成，所以普通模块单元主要适用于办公楼建筑中开敞的办公区域，而不适合其他办公区域。中柱模块单元往往是在普通模块单元基础上，通过增设中柱的方式，将中柱的上下进行贯通连接，所以中柱模块单元通常只适用于增强模块建筑的整体性能需求。支撑模块单元是在模块单元内设置支撑，其作用是增强建筑的抗侧刚度，因此支撑模块单元主要应用于楼梯和建筑周围。角部加强模块单元主要位于模块建筑角部，可以避免角部单柱过于薄弱，这些模块单元中的各个构件均采用冷弯方钢管和冷弯矩形钢管，在工厂内进行焊接后即可使用[4]。

2.4 构件的设计

在办公楼的建筑中，使用的钢材材质以Q345B钢为主，因此楼板之间搭放时，需要模块次梁间距小于2 m。并按照GB 50011-2010标准要求，在模块柱中浇筑混凝土，可以很好地减小轴压比，并将轴压比控制在0.4以下，同时混凝土的强度也需要达到C40要求。对首层框架界面的设计，通常有三种选择类型，分别是200 mm×10 mm、310 mm×200 mm×10 mm、310 mm×10 mm类型，所以在荷载条件下对构件强度和刚度进行设计，需要将模块的梁截面控制在100 mm×50 mm×5 mm～300 mm×150 mm×10 mm，有利于方便模块建筑现场的施工。

2.5 节点设计

在节点的设计中，首先，需要对模块单元之间的连接点和模块单元的连接专用节点使用插销连接、螺栓拉杆连接的方式，才能更好地确保模块节点的连接强度和刚度。然而这种构造缺乏一定的合理性与传力可靠性，需要将模块单元的分类结构连接成具有足够刚度需求的结构，才能更好地应用多层钢结构的模块建筑需求。其次，在传统钢框架和模块单元的有效连接中，只有将钢框架模块搭建在模块单元，才能将隔板贯式节点与模块节点之间结合在一起。在具体的施工中，将上隔板改造成模块节点类似的插销连接形式，并与上隔板端部焊接在一起，可以用来搭接上部模块梁，并将钢柱打断部分焊接在十字肋板上，有利于加强节点区域，并防止腹板局部失稳的情况发生[5]。

3 建立结构计算模型

3.1 结构参数计算

将办公楼的抗震强度设置为8级，基本地震加速度设置为0.2 g，按照地震分组，可以将办公楼建筑工程划分为抗震等级三级。根据GB 50009—2012标准要求执行，考虑到恒荷载、活荷载、风荷载以及地震的作用，对适应的施工情况进行有效组合。

3.2 简化节点的合理性研究

在简化节点的合理性研究中，首先，对节点的简化模型，要做到模块连接点的简化，而在对具体简化到上下模块之间的各构建模块进行约束时，对模型中的模块柱和模块梁连接点用钢性短杆表示，能够更好地实现节点之间的自由度耦合需求。其次，在模块连接点之间的简化合理性研究中，运用ANSYS有限元软件模型，能够对柱顶施加足够的位移约束。在设计中要求材料处于弹性阶段，这样的简化对设计是可以接受的，因此节点的简化处理方式是比较合理的[6]。

3.3 建立模型

在模型建立中采用有限元软件MIDAS/Gen821进行建模，梁柱通常采用梁单元建立，同时支撑上下模块之间的拉杆和水平模块之间的盖板，并对连接采用桁架单元进行建立。

4 计算结果分析

4.1 对周期和振幅的计算分析

在特征值分析中得到结构前的12振型评论分布图，并从相关图中得出前3阶段的振型频率。通常前3阶段的振型频率较低，只有第4～12阶段的频率变化比较快且比较密集。

4.2 顶点位移

在四种工况组合下的顶点位移中，通常最大的位移发生在顶层，X风荷载工况组合下结构顶点的最大位移是5.64 mm，Y向风荷载工况组合下结构顶点的最大位移是6.28 mm，X向地震作用工况组合下结构顶点的最大位移是30.24 mm，Y向地震作用工况组合下结构顶点的最大位移是20.34 mm。由于这四种工况组合下的顶点位移都小于BG 50017—2003的标准要求，所以对框架结构顶点位移的限制要求计算后，得出最终的限制是32.8 mm。

4.3 应力比与用钢量

钢构件应力比中，应力比均小于1，且大部分应力比在0.85以下，最大的应力比也只有0.878。钢管混凝土构件的应力比最大值为0.952，所以经过计算，对结构的总用钢量和平均每平米用钢量进行计算，可以得出每平米的用钢量是85.59。然而在绿色环保施工中，只有更好地节约人力和物力资源，才能有效地弥补用钢量，比对模块建筑的用钢量进行优化设计，使用钢量的需求大幅度降低。

5 结语

在办公楼的建筑设计中，根据模块尺寸和建筑功能的需求，选择结构体为刚模块与钢框架复合建筑结构，所以在实际的节点受力中，对节点进行简化。同时运用ANSYS有限元软件和MIDAS/Gen821软件，可以对模型进行简化并构建出对应的结构模型，最终满足多层钢结构模块和钢框复合建筑结构的设计需求。