多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计探究

作者简介：康利慧（1984—），女，本科，工程师，研究方向为结构设计。

摘要：在社会快速发展环境之下，更多类型建筑结构被应用于实践当中，多层钢结构模块、钢框架梁这类复合结构就是其中之一，在工业、写字楼等建筑当中有广泛应用。由于此类结构优势独特，所以得到了推广应用。本文以某办公楼项目设计为例，论述钢结构模块设计和传统钢结构设计存在的异同之处，并对结构周期、顶点位移、层间位移、用钢量进行全面计算，判断结构是否能够满足规范要求。

关键词：多层钢结构  钢框架  复合建筑 结构设计

中图分类号：TU72

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-9737

Abstract： Under the environment of rapid social development， more types of building structures are used in practice. Composite structures such as multi-storey steel structure modules and steel frame beams are one of them， which are widely used in industrial， office buildings and other buildings. Due to the unique advantages of this type of structure， it has been popularized and applied. The following takes the design of an office building project as an example to discuss the similarities and differences between the steel structure module design and the traditional steel structure design， and comprehensively calculate the structure period， vertex displacement， inter-story displacement， and steel consumption to determine whether the structure can meet the requirements. requirements.

Key Words： Multi-storey steel structure; Steel frame; Composite building; Structural design

當前，在建筑结构设计当中，多层框架这类结构，此类结构的钢桁梁、钢梁及钢桁架属于重要构架，利用焊接、螺栓连接等方式，结构节点较多，因此施工量较大。钢结构模块不同单元连接简单，通常由模块制作公司提供节点，专用节点利用螺栓拉杆和插销进行连接，能够确保不同模块连接节点刚度、强度。且专用节点的结构简单，便于施工，适合模块单元各结构之间的连接，因此对多层钢结构、钢框架这类复合建筑的合理设计，能够充分利用结构优势，具有建设周期短，造价低多种优势。

1 项目概况

本项目所属办公楼建筑，建筑整体结构3层，局部结构有4层，第1层的结构高5.4m，其他层为标准层，高3.9m，整体建筑高16.4m，建面共计2538m2，所属多层建筑，未设计地下空间结构，以钢结构模块、钢框架复合这类结构展开设计[1]。

2 多层钢结构模块和钢框架复合建筑的结构设计策略

2.1 结构选择

因为钢结构模块建筑设计具备尺寸方面要求，所有模块单元都在工厂统一加工，之后直接运送到施工现场，进行安装和吊装。按照国家在道路运输方面的要求，综合考虑结构吊装施工需求，本项目模块单元在宽度设计方面介于2.5～3.5m，高度设计在4.2m以内。

分析建筑使用功能，由于本项目属于办公楼建筑，第1层需要设置展示区和员工休息区，这类结构空间相对较大，首层高度5.4m，同时，建筑第2层还设计天桥结构，能够通往工厂，所以本工程没有完全设计模块体系。结合上述分析，选择复合结构体系，在第1层结构和第2层、第3层选择传统的钢框架设计结构，剩余部分利用钢结构模块设计。

2.2  划分模块

根据建筑平面设计图，对于单元模块进行划分，将传统钢框架结构去除，剩余部分划分为长度7.5～8.0m不等的模块单元，划分以后模块单元共有51个，模块宽度介于2.4～4.5m，模块高度3.7m。因为钢结构模块整体上利用钢框架结构，所以还可将其细化为不同的模块单元，具体内容如下。第一，普通模块，这类单元4角存在模块柱4根，还有天花板梁、地板梁和次梁结构，这类结构适合应用在敞开的办公区域。第二，中柱模块，此类单元是通过普通模块的变化，将中柱置于其中，中柱设计在横向模块当中，保持上下贯通的状态，这种结构之下，能够保证多点连接结构整体性优越。第三，支撑模块，顾名思义，这类模块内部存在支撑，可以将建筑钢度提升，主要设置在楼梯位置或者建筑周围。第四，角部加强模块，此类单元模块处于建筑的脚部位置，设计目的是防止局部边角部分的柱结构过于单薄。

上述模块单元使用构件为冷弯矩形钢管和方钢管，全部在工厂当中焊接与连接。第1层框架结构、矩形钢管柱组成，选择贯通式节点作为梁柱节点，将钢柱用隔板打断，通过螺栓混接的方式连接梁柱，保持结构整体的受力情况。选择模块单元设计，便于安装，符合建筑工期方面要求。

2.3 构件设计

该项目选择Q345B型钢材，可以按照樓板设计要求进行搭放，控制模块、次梁间距不足2m。各模块单元内，交汇柱结构梁截略比柱截面高。因此从某种程度上来讲，该结构体系属于“弱柱强梁”结构。为了满足抗震设计规范要求，选择第2层的模块柱内灌注混凝土，以控制轴压比，不超过0.4，混凝土强度C40。框架柱（首层）截面类型3种，第一种规格为200mm×10mm，第二种规格为310mm×200mm×10mm，第三种规格为310mm×10mm。综合考虑荷载条件，完成构件强度、刚度等设计，在模块梁的截面设计方面规格在100mm×50mm×5mm～300mm×150mm×10mm之间。横梁面宽度设计150mm，和模块柱之间相连。需要保证梁柱的连接结构外立面处于齐平状态，便于建筑的现场施工。

2.4 节点设计

2.4.1 单元连接节点

不同的钢结构模块，在单元连接节点的选择，使用建筑公司提供的专用节点。连接方式有多种，第一是插销连接，第二是利用螺栓拉杆进行连接，第三是选择特制铆钉进行连接，上述连接方式可以在一定程度上保证模块间角位置节点连接刚度、强度，且上述结构的构造相对合理，不但便于施工，而且传力也相对可靠，能够满足节点位置的刚性要求。与此同时，节点体系能够将单元模块进行分离，使结构能够连接为刚度具有整体性的体系，还可在多层钢结构模块当中应用[2]。

2.4.2 模块单元与传统钢框架节点

因为第1层结构属于传统钢框架形式，在结构上方设置模块单元，所以，可将模块节点、隔板贯通节点组合应用，具体方式为将上层隔板进行更改，以插销模式连接，如模块节点一样。上层板端部焊接垫块，可保证模块梁能够搭接顺利。将十字肋板焊接在打断钢柱之内，将节点强度提升。无论是垫块中下方区域，还是腹板两侧区域，均需设置1处加劲筋，保证腹板的局部位置稳定性。

2.5 建立模型

2.5.1 参数选择

按照建筑抗震设计规范，结合地质信息资料，选择参数地震加速度0.2g，抗震烈度8°，本项目为丙类建筑，风压0.56kN/m2，特征周期0.64s，地面粗糙度B类，综合分析抗震等级三级。按照建筑荷载设计规范，在结构设计环节，全方位考量地震作用、风荷载、恒荷载与活荷载多种工况。

2.5.2 节点合理性

利用简化模型分析节点设计的合理性。在模块节点简化阶段，应该保证传力方式、节点构造二者之间的一致性。同时在简化过程，考虑模块上下的约束情况，借助刚性短杆表示模块梁与模块柱之间柱头节点，结构模块柱头节点、柱脚节点可使用铰链接方式连接，利用杆单元模拟模块梁上下拉杆结构。上述连接方式短柱间铰接、拉杆能够在模块之内完成弯矩传递，刚性效果相对优良。本工程钢结构模块、传统钢框架之间利用刚性短杆进行连接，数量3根。

2.5.3 分析节点简化合理性

分析过程，选择有限元软件（Ansys），在其中建立模型，将结构的十字节点加以简化，无论是梁结构，还是柱结构，又或者是短柱结构，都依托Beam189单元完成模拟，之后借助Link8单元展开拉杆结构的模拟。模拟阶段，应在柱顶完成位移约束力施加，应该将大变形情况考虑其中，绘制出“荷载-位移”的曲线图，之后和实体模型的尺寸、加载方式以及约束条件骨架曲线相互对比，最终得出结果，实体模型极限荷载值为86kN，极限位移实际值134.1mm。简化模型内，结构的极限荷载值77kN，极限位移实际值114.1mm。由此可知，简化模型、实际结构无论是极限荷载，还是极限位移二者差异较小。

简化模型、实体模型弹性位移都是50mm左右，在弹性范围内刚度存在较小的差异，且简化模型的刚度值为实体刚度82%。综合分析原因，可能模型简化阶段，相关人员未能将实体模型存在的构造差异考虑其中，或者简化模型阶段未能将板件屈曲后强度考虑其中。因为设计当中要求材料处于弹性受力阶段，所以，从设计角度来讲，采取的简化措施较为保守，误差处于可控范围之内，由此判断简化处理节点能够满足要求。最后利用软件完成建模，用梁单元建立梁柱，使用横架单元来建立建筑上下结构模块拉杆与水平模块盖板[3]。

2.6 分析模块和传统框架异同

2.6.1 差异之处

与传统钢框架结构相互对比，钢结构模块特点是在同一模块建筑当中存在多种梁柱体系，同时，梁结构柱结构的交点最多可设置16根梁、8根柱。传统框架节点主要是通过刚接和铰接方式完成，与之不同的是钢结构模块的建筑体系当中，可以利用螺栓拉杆和插销多种连接方式对于梁柱结构进行连接，节点域形式多样，常见的有梁节点域有16根，柱节点域有8根。

传统形式框架板连续，所以可以认定为平面之内楼板具有刚性特征，因此结构计算环节可通过假设刚性楼板的方式展开。钢结构模块楼板是在工厂之内完成安装，建筑模块在建设结束以后，楼板较为分散，所以模块单元连接过程，通常会使用螺栓盖板完成模块梁的连接，通过特殊处理让楼板接缝之间保持稳定，不会出现搓动现象，或者相互挤压、分离等问题，能够在一定程度上保证模块楼板连续性，使其处于平面内也可视为刚性结构。因此，结构设计环节也可对于模块楼板采取刚性假设。

若建筑模块相同，可在建筑楼层之间设计夹层，将其置于天花板梁和地板梁间，设计结构结算，夹层能够单独设计，使其分布在独立层结构当中，以便后续分析工作开展，能够对天花板或者地板等楼层使用刚性假设分析方式。

2.6.2 相同之处

分析传统钢框架，其组成结构可以看作梁柱（简单类型）连接体系，不同框架梁单元组成钢结构模块，整体就如“搭积木”一样。虽然两种结构表面上来看存在差异，但实质上联系紧密。本项目的第二层模块结构模型，可将其简化为模块内有1根刚性杆结构，可使用和表述模型刚性轴力，用来表示弯矩，那么三者之间关系可使用表示，其中代表和距离。

该等效模型可视为三层框架结构，能够利用有限元软件，完成等效模型（T形节点）建立，并对比模块模型曲线，结果显示二者基本呈现吻合状态，故此能够证明前文判断，将模块结构视为特殊框架结构一种。从模块建筑角度分析，可利用规范完成设计、审核等[4]。

2.7 结果周期

2.7.1 周期振型

对于结构的振型频率进行分析，1～3阶段频率低，4～12阶段频率高，整体自振频率密集，代表模块结构刚度分布具有整体性。第一阶段振型周期0.833s，第二阶段振型周期0.537s，第三阶段振型周期0.508s，周期比為0.61，未超过规范0.85要求。

2.7.2 顶点位移

对于结构处于不同工况环境下顶点位移进行分析，结果如下。第一，在Y向风荷载环境下，顶点位移最高值为5.64mm。第二，在X向风荷载环境下，顶点位移最高值为6.28mm。第三，在X向地震作用环境下，顶点位移最高值为30.24mm。第四，在Y向地震作用环境下，顶点位移最高值为20.34mm。上述结果均和规范要求的顶点位移极限值32.8mm相符。

2.7.3 层间位移

处于地震作用、风荷载等工况之下，对于不同层间位移角、位移比展开计算，能够看出最高层间位移角在X轴方向，具体值1/318，能够满足抗震规范当中对于层间位移角极限值1/250要求。层间位移最高比值1.342，主要发生Y轴方向，位移比值未超过规范要求1.4。

2.7.4 应力比

钢构件应力比不超过1，大部分数值在0.85之内，最高应力比0.878，且钢管混凝土类型构件的应力比大部分也不超过0.85，最高0.952。第2层钢管砼柱轴压比最高0.2，满足规范0.4极限值要求。

2.7.5 用钢量

通过计算，该结构用钢总量216 610kg，均用钢量85.59kg/m2，虽然和传统钢结构相互对比，用钢量稍高，但是大部分结构都能实现流水化作业，对于人力、物力的节约效果优越、能够弥补钢材消耗量过高的不足[5-6]。

3 结语

综上分析，针对该写字楼钢结构模块设计，严格按照建筑功能、模块尺寸各方面要求，合理选择建筑结构类型，运用钢模型、钢框架二者复合设计结构。按照建筑图纸，来划分单元模块明确钢框架类型，对于节点、构件等展开设计，按照节点实际受力情况，采取有限元分析，验证设计合理性。除此之外，对比传统的钢框架结构设计，可以看出钢结构模块属于特殊框架结构，也可借助传统设计模式完成。对于结构处于各种工况或者荷载情况之下展开有限元分析，获得位移、应力比值，结果显示通过复合结构设计，能够满足高层建筑钢结构设计规范要求。除此之外，还根据抗震设计规范，对于结构展开分析，得出层间位移角、顶点位移值，均可满足抗震规范。

参考文献

[1]郭艳艳.探析多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计[J].中国房地产业，2020（34）：68.

[2]闫争科.多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计探究[J].建筑技术开发，2021，48（3）：13-14.

[3]陈钢.多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构的设计[J]. 新材料·新装饰，2021，3（18）：57-58.

[4]陈志华，周子栋，刘佳迪，等.多层钢结构模块建筑结构设计与分析[J].建筑结构，2019，49（16）：59-64，18.

[5]潘瑜.小型轻型钢结构装配式建筑设计研究[D].杭州：浙江大学，2020.

[6]李垚.钢结构模块建筑建造技术和空间设计研究[D].重庆：重庆大学，2017.