多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计研究

纪龙春

珑图设计（集团）有限公司 广东 佛山 528000

引言

当前城市化进程不断深入，建筑工程规模不断扩大，更具观赏性与功能性，为结构设计带来较大难题。长期以来，钢结构设计在建筑中居于主体地位，与传统混凝土结构相比，钢结构在稳定性、安全性方面占据较大优势。同时，模块建筑施工时长较短、质量优良、成本投入少且经济环保，有助于延长建筑使用寿命，推动建筑行业可持续发展。

1 工程概况

以某办公大楼为例，该项目位于青岛西海岸经济开发区，总占地面积2536.1m2，主体为6层，局部7层，总高度26.5m，首层高度为6.5m，其余层高4.0m；地下1层为车库；该建筑为多层结构，内部以钢结构模块与框架复合结构为主，建筑效果如图1所示。该建筑与以往钢结构拆分成独立梁柱的形式不同，是由大量三维子空间构成，钢结构住宅设计应从方案设计阶段着手，立足整体进行科学有效的规划。从整体上看，多层钢结构适用于规则、重复单元的建筑，在方案设计上包含模数化选型与单元整合设计两项内容。该建筑选型思路为先要确定不同单元的基本模数，这也是模块预制规模化的基础所在，对不同住宅的总尺寸进行划分，坚持模数协调原则，使标准化模块单元得以确定。结合住宅空间分区关系，与机电装修要求相结合，将建筑平面分为多个标准单元，使主要、次要与交通部分有机联系起来。在立面设计上，不但要确保结构竖向传力连续，还要实现管道上下串通，为现场对接提供更多便利。

图1 建筑效果图

2 多层钢结构体系设计

2.1 模块尺寸

在钢结构模块设计中，应结合建筑整体结构明确模块尺寸，综合分析模块尺寸的影响因素，如模块承重力，当尺寸过大时承重力便会下降；当尺寸过小时会增加施工成本。此外，当前钢结构模块由预制场提前预制，再运送到施工所在地，根据相关规定，对运输尺寸也有相应的要求，同样需要模块设计者加以重视。在该建筑中，将钢结构模块参数确定为：长3.0m～3.5m之间、宽1.0m～2.5m之间、高2.5m～3.5m之间。在模块单元划分中，除西南角钢框架之外，整栋建筑共可分为50个模块单元，且模块长度在7.7～8.1m之间。在模块类型方面，以钢框架结构为主，可分为普通单元、中柱单元、支撑单元、角部加强单元，如图2所示。在普通单元中，由模块柱、次梁、天花板梁与地板梁组成，处于开放办公区域内；在中柱单元中，可以普通单元为基础设置中柱，将其放入横向模块中，中柱上下串通起来，使横纵模块多个节点相连，提高建筑整体稳定性；在支撑单元中，可将其设置在模块单元内部，促进建筑抗侧刚度提升，适用于建筑四周与楼梯灯处；角部强化单元适用于建筑角部，单元中的构件利用冷弯矩形钢管、方钢管等，在工厂内部完成焊接[1]。

图2 模块类型

2.2 钢框架构建

该建筑首层与标准层的高度不尽相同，钢框架也应单独设计，因首层承载力较大，可采用矩形钢管柱与H型钢梁结合法；常规层可利用矩形钢管柱连接；梁柱节点用隔板贯通，因节点所处位置有所区别，可利用不同方式固定，如焊接、插销连接等等，此举不但可使节点更加牢靠，还可为施工提供更多便利。在结构构件方面，该建筑利用Q345B钢材，模块单元中的梁柱为矩形钢管，天花板梁荷载较小，模块柱与天花板梁截面规格基本相同，与模块相连位置的梁截面宽度约为150mm，在模块柱与梁柱相连之处，应确保梁柱齐平，便于后续施工。在构件设计方面，根据本项目楼板搭放要求，模块次梁的间距应控制在2m以内。在模块单元内，柱的梁截面与柱截面相比较大，这属于强梁弱柱的代表。为满足抗震规定，在第二层模块柱中浇筑混凝土，使轴压比不超过0.4，混凝土的强度等级为C40。在首层框架柱截面内，包含三种类型。在满足设计荷载的情况下，对钢框架的刚度与强度提出严格要求，梁截面为100×50×5mm到300×150×10mm之间。

2.3 节点设计

该建筑节点设计中，应对地下车库与地上建筑间的节点设计综合考虑，以钢框架、钢框架与模块单元、模块单元之间的节点设计为重点，具体设计方法如下。

2.3.1 钢框架间的节点。重点对车库与地上建筑间的节点进行分析，可利用特制铆钉与螺栓拉杆相连的方式，确保地上与地下首层钢框架间节点性质，如刚度、强度等，由此增强抗震、抗灾的效能。此类构造形式科学可行，但施工难度较大，可采用组合连接节点的方式，使节点刚度、强度与设计要求充分符合。

2.3.2 钢框架与模块间的节点。该项目的地上建筑中，首层与地下车库之间的节点要求拥有较大的强度与刚度。在首层钢框架顶部，应搭放模块单元。在连接节点过程中，可通过插销方式完成，操作方法为：在顶部模块连接中，利用插销方式进行节点固定，利用十字肋板对梁截面、模板衔接之处进行焊接，可使节点性能得以强化、将钢框架与模板相连，这一节点可使建筑更加稳固牢靠，避免局部节点连接错误等问题产生[2]。

2.3.3 模块间的节点。在模块间连接时，与上两种节点相比，模块连接较为简单，且不同模块的连接方式有所区别，多为模块建筑企业提供的专用节点形式。通常情况下，专用节点利用插销连接、螺栓拉杆连接法，可使模块间角位置的节点性能增强。连接结构更加稳定、形式科学简易、施工较为简便，在模块间连接中广泛应用。

在节点设计完毕后，还应结合项目情况与设计要求进行合理简化。利用ANSYS软件创建十字形模型，采用Beam189单元对梁、柱与短柱进行模拟，拉杆采用Link8单元模拟。将数据输入软件中生成荷载与位移骨架曲线，将其与约束条件、加载形式相同的模型对比，得出模型极限荷载为86kN，与之相对的极限位移为134.2mm，简化后模型极限荷载在77kN左右，位移最大值为114.6mm，二者相差较小，且弹性位移均为50mm，在弹性区间的刚度差异不显著，简化后的弹性刚度与实体模型刚度相比较小，为81.6%左右。主要因模型简化期间没有将实体模型中的构造综合分析，且简化后忽视板件屈曲强度所致。

2.4 整体结构设计

该项目利用MIDAS/Gen软件进行结构设计，其中角部与大开间仍沿用传统钢框架，底部要考虑到刚接，剩余采用模块单元，底部采用铰接方式，单元顶部与钢框架均利用短梁模拟水平相连。以Q345型钢为主材，模块单元、框架柱等均要利用矩形方钢管，框架梁利用焊接H型钢。模块单元中柱为φ200×8，根据荷载不同，在主梁位置划分成4个截面，次梁位置划分为φ100×6两种截面。根据实际荷载条件不同进行分析验算，其中不同构件最大应力比值为0.882，且许多低于0.85，基本与构件承载力要求相符。在风荷载影响下，结构层间位移角为1/401，x轴位置受地震影响时，应与抗震规定的低于1/250数值要求相符合。在弹塑性时程分析中，X轴方向层间位移角的最大值为1/53，Y轴最大值为1/107，能够与地震影响下低于1/50的要求相符合。可见，该建筑采用的新型节点连接与结构设计模式更加安全、合理，可有效提取短柱的内力，适用于连接件抗拉与抗剪承载力的校验。

3 多层钢结构建筑与传统钢框架结构对比

3.1 相同之处

以往钢框架为简易的梁柱体系，但钢结构模块却是由多个框架构成的整体，通过搭积木的方式拼成的牢固体系。虽然两种体系看似不尽相同，但却存在一定的内在关联。将二层模块等效为模块间有1根刚性杆的方式，刚性杆弯矩用M表示，拉杆轴力分别为F1与F2，二者间的关系可用以下公式表示为：

式中，d代表的是F1与F2间的距离；M代表的是刚性杆弯矩；F1与F2均为拉杆轴力。将等效模型看成是三层框架结构，利用ANSYS软件创建T形节点，将其与模型T形节点骨架曲线对比，发现二者基本重合。由此可见，模块结构具有一定的特殊性，将其应用到模块建筑中可使结构设计更加规范科学[3]。

3.2 异同之处

与传统钢框架相比，钢结构模块的区别主要表现为此类建筑中的梁柱数量较多，在本文研究的建筑中，梁柱汇合位置最多有8根柱、16根梁。与以往钢框架节点相比，在建筑内部梁柱相交位置采用插销、螺栓拉杆进行连接。此外，以往建筑结构中的楼板具有连续性，平面内为刚性，在结构计算中可进行刚性楼板假定，但是建筑楼板要事先在厂内安装，在建造结束后，楼板变得更为零散。但是，在模块单元相连时，模块梁间会采用螺栓盖板连接的方式，楼板接缝位置也会得到有效处理，使楼板不会出现互相搓动、挤压、分离等情况，楼板更加连续可靠，在平面内部还可看成是刚性的，在结构设计中也可对其进行假定。对于相同的模块来说，可在天花板梁、地板梁间形成一个夹层，在结构设计期间将夹层单独分为一层，可为板层间的刚性楼板假定提供便利。

4 结束语

综上所述，在现代建筑中，多层钢结构模块得到广泛应用，此类建筑结构不但可提高整体质量、缩短建造时长，还与绿色建筑要求充分符合。根据本文研究可知，结合建筑项目实际情况，采用有限元分析方式，对钢结构模块与传统钢框架结构相比，将节点合理简化后更易提高稳定性，使优化方式更加科学，层间位移角与顶点位移均可得到充分满足，极大地提高了建筑实用性与安全性，推动建筑行业稳健长久发展。