新型多高層鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊建筑的設(shè)計(jì)

譚曉龍

摘 要：箱式模塊建筑以自動(dòng)化程度高及優(yōu)勢(shì)突出等，受到青睞，但傳統(tǒng)模塊建筑一般使用方鋼管柱，不易進(jìn)行連接，所以，提出型鋼模塊建筑體系用作模塊梁柱，能夠更輕松地使用螺栓連連接模塊。主要分析了新型多高層鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊建筑的設(shè)計(jì)，期望其更好服務(wù)相關(guān)實(shí)踐工作，同時(shí)也希望本次研究具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：多高層；鋼結(jié)構(gòu)；箱式模塊；建筑

模塊建筑屬于一種預(yù)制裝配式建筑，具有非常高的工業(yè)化程度，這和建筑業(yè)技術(shù)進(jìn)步趨勢(shì)是相符的，現(xiàn)階段模塊建筑以低層與多層建筑中應(yīng)用較廣。

1 新型多高層鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊建筑體系的組成

模塊箱體由于承載力對(duì)其進(jìn)行約束，一般現(xiàn)有模塊體系被使用到多層建筑中。為使模塊建筑有更寬廣的使用范圍，通過(guò)冷彎厚壁槽形截面鋼的使用，把其用作型鋼模塊建筑體系，先冷彎加工鋼板，形成截面形式，使開口截面作為受力構(gòu)件之一，可以很輕松地使用強(qiáng)度較高的螺栓進(jìn)行連接，臨近模塊單元中的梁與柱經(jīng)過(guò)組合，形成截面，讓構(gòu)件獲得較高承載力，繼而把箱式模塊建筑應(yīng)用于旅館、住宅等多高層建筑當(dāng)中。

對(duì)原建筑平面，建筑樓層高3 m。為讓設(shè)計(jì)更易進(jìn)行，著重來(lái)分析模塊特點(diǎn)，在探索性設(shè)計(jì)中，為考慮平面內(nèi)3個(gè)陽(yáng)臺(tái)。樓梯沒采用鋼框架，層數(shù)目逐步增加同時(shí)，考慮到受力情況，可實(shí)施布置支撐，先進(jìn)行拆分，劃分居住區(qū)為各模塊單元。

1.1 新型多高層鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊單元及模塊結(jié)構(gòu)布置方案

為讓結(jié)構(gòu)獲得綜合性較高的z向側(cè)向剛度，將支撐設(shè)置于模塊1、2、5、6中的外立面窗問(wèn)墻中，因?yàn)榭臻g不大，支撐布置形狀為K形。相鄰模塊在拼接過(guò)程中，于柱中間進(jìn)行連接，生成x形支撐。在模塊結(jié)構(gòu)設(shè)置上，為獲得最好的結(jié)構(gòu)布置，且更好地進(jìn)行制造與安裝，模塊柱布置間距有下述兩種選取方案，一種是方案a，也即選取1 200 mm，另一種是方案b，也即選取2 400 mm。且兩種方案的使用，用以對(duì)6、8、10及21層等的結(jié)構(gòu)作出分析，同時(shí)比較鋼材損耗量。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)模型

調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載中恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用等其中，風(fēng)荷載中基本風(fēng)壓與雪荷載中基本雪壓分別為0.55 kN.m-2、0.35 kN.m-2。對(duì)地震作用，在設(shè)計(jì)中，抗震烈度與基本地震加速度分別為7度、0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第1組。從上述計(jì)算來(lái)看，模塊頂梁、頂層模塊頂梁分別取C12 cmx 0.6 cm×0.06 cm、C12 cm x11 cm x0.12cm。構(gòu)件截面全部符合截面寬厚比的具體要求。

1.3 組合柱分析模型及組合梁的分析模型

對(duì)模塊單元中的C形柱而言，背靠背在腹板位置使用螺栓來(lái)連接。對(duì)模塊單元C形梁而言，上梁、下梁于翼緣中間使用螺栓來(lái)連接，左梁、右梁于腹板位置使用螺栓來(lái)連接，生成組合構(gòu)件。這種強(qiáng)度較高的螺栓連接而成的組合構(gòu)件，通過(guò)下述三種方案實(shí)施簡(jiǎn)化模擬：①使用彈性連接中的剛性將功能耦合節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)；②使用桁架單元對(duì)組合構(gòu)件實(shí)施模擬；③使用剛度無(wú)窮大的梁?jiǎn)卧獙?duì)高強(qiáng)度螺栓實(shí)施模擬。

為讓模塊連接不至于復(fù)雜化，將臨近的模塊墻柱、墻柱與鋼框架柱拼接起來(lái)，使用強(qiáng)度較高的高強(qiáng)度螺栓。在具體安裝過(guò)程中，將5～10 mm厚墊板設(shè)置在組合柱分肢當(dāng)中用以調(diào)節(jié)模塊在拼裝過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。取系桿長(zhǎng)10 mm，主要是為了更方便構(gòu)建柱模型，且能對(duì)墊板厚度進(jìn)行模擬。另外，對(duì)組合梁的分析模型，組合梁的分析模型采用系桿模擬拼接所用的強(qiáng)度較高的螺栓，選取系桿長(zhǎng)10 mm。

1.4 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

對(duì)本研究中結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及計(jì)算過(guò)程中，使用了有限元軟件MIDAS/Gen。對(duì)由6層結(jié)構(gòu)至15層結(jié)構(gòu)做出分析，使用了第一種方案中的結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足具體的應(yīng)力比、位移比及寬厚比等的需求。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，獲得地震響應(yīng)與風(fēng)載響應(yīng)，等一些參數(shù)，同時(shí)做出對(duì)比。地震作用產(chǎn)生的位移結(jié)果全部符合特定的1/250層間位移角限值要求。除了6層方案B的自振周期順序?yàn)閥向平動(dòng)、x向平動(dòng)扭轉(zhuǎn)，其他一些模型中自振周期的順序全部是X軸及y軸分別平動(dòng)、平動(dòng)、，此外自振周期還順序扭轉(zhuǎn)，全部滿足規(guī)范下的周期比要求。

1.5 用鋼量分析

相較之下，方案b產(chǎn)生的應(yīng)力比圖形比較飽滿，使用相對(duì)較少的鋼量。當(dāng)?shù)蛯訑?shù)條件下，方案b更容易節(jié)省成本，而層數(shù)逐步增加同時(shí)，承受更為突出的風(fēng)荷載作用，方案b的經(jīng)濟(jì)性必然會(huì)遭受影響。建筑物高度逐步增加同時(shí)，風(fēng)荷載產(chǎn)生更為明顯的作用，無(wú)疑讓柱子的軸力更大，且使得梁內(nèi)力變大，所以，單位面積鋼材耗損量無(wú)疑增加。

2 結(jié)語(yǔ)

本次研究中將厚壁冷彎型鋼用作結(jié)構(gòu)骨架，和使用冷彎薄壁型鋼比起來(lái)，具有更高的承載力，更多地應(yīng)用于高層建筑當(dāng)中；模塊建筑運(yùn)用了矩形鋼管，與之相比，讓模塊單元之間便于連接。該次研究給出的模塊建筑方案能夠用作超過(guò)6層的鋼結(jié)構(gòu)建筑，建筑達(dá)到了使用標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足當(dāng)前規(guī)范需求，鋼材使用量均未超出范圍；如果層數(shù)多，建筑高度也在逐步增加，如果建筑通常受風(fēng)荷載影響，這種體系花費(fèi)的成本會(huì)增加。該結(jié)構(gòu)適合的最大建筑層數(shù)是15層；在層數(shù)較少條件下，柱距的增加會(huì)讓結(jié)構(gòu)獲得良好的受力性，極大凸顯構(gòu)件的承載力，且結(jié)構(gòu)不會(huì)花費(fèi)太高成本；C形槽鋼組合柱承受載荷，也需在相連螺栓協(xié)助下來(lái)對(duì)豎向變形實(shí)施傳遞，傳遞距離也即為螺栓長(zhǎng)，為此，選取10 mm長(zhǎng)的梁?jiǎn)卧獙?duì)實(shí)際情況做出模擬，以滿足要求；槽形鋼組合截面梁在模擬過(guò)程中，能夠使用空腹析架模型，從計(jì)算情況看，因?yàn)榭崭刮黾苣Ｐ偷膽?yīng)用，其得到了槽形鋼組合截面梁，相比有限元分析值，其等效剛度與之較為接近。最終希望借助本次設(shè)計(jì)旨在更好地服務(wù)新型多高層鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊建筑研究及實(shí)踐工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊曉杰，陸燁，顧超，等.新型多高層鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊建筑的設(shè)計(jì)[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2016，18（5）：41-47，72.