多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計與研究

張百振

摘 要：模塊化建筑是實現工業化的一種新興建筑結構形式。針對鋼結構的模塊-框架復合建筑結構，簡述擬建的一棟多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑的工程情況，對鄭州市某擬建公寓進行模塊尺寸和施工要求對擬建的多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑進行結構體系構建，并對其構件和節點等進行設計。在結構體系構建中，發現由于構建和節點較多，受力效果不理想。文章以多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構入手，通過分析其結構體系、構建和節點，對其結構進行設計和研究，以期為多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計提供參考性建議。

關鍵詞：多層鋼結構；模塊；鋼框架；復合建筑設計

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0093-02

Abstract： Modular architecture is a new structural form of building to realize industrialization. In view of the modular frame composite building structure of steel structure， this paper briefly describes the engineering situation of a multistory steel structure module and steel frame composite building to be built. The module size and construction requirements of a proposed apartment building in Zhengzhou the structural system of the proposed multi-storey steel structure module and steel frame composite building is constructed and its components and joints are designed. In the construction of structural system， it is found that the stress effect is not ideal because of more construction and joints. This paper starts with the multi-story steel structure module and the steel frame compound building structure， through the analysis of its structure system， the construction and the joint， carries on the design and the research to its structure， in order to provide a reference for the design of multi-storey steel structure module and steel frame composite building structure.

Keywords： multistory steel structure； module； steel frame； composite building design

1 工程概況

鄭州市擬建的某公寓樓總建筑面積1865.9m2，建筑層數為6層，建筑高度16.5m，均為標準層，層高為2.8m，設有地下停車場，高3.6m，屬于多層建筑，是鋼結構模塊與鋼框架復合結構體系結構形式。

2 結構體系的設計

對鄭州市某擬建公寓樓的結構體系設計分為兩方面，在該公寓樓建筑中，考慮到地下停車場空間較大，建筑高度有3.6m，且獨棟公寓樓六層設計相同，因此，最終選定對樓層設計為結構體系為鋼結構模塊與鋼框架復合結構體系；對地下車庫設計為傳統鋼框架結構。在對該公寓結構體系進行設計的過程中，需要考慮兩個方面，一是鋼結構模塊尺寸設計；二是鋼框架結構設計。

2.1 鋼結構模塊尺寸設計

根據國家相關道路運輸大型建材規定以及考慮到對擬建公寓樓具體施工要求，對模塊單元的長度、高度進行相關限制，模塊單元的寬度一般為2m-3m，高度為3m-4m。

2.2 鋼框架設計

由于該公寓樓鋼框架分為地面建筑和地下車庫，因此鋼框架設計選擇上也相應分為兩個部分。在對地下車庫進行設計時，采用矩形鋼管柱和H型鋼梁組合而成的復合鋼框架結構；在對地面建筑進行設計時，僅需要在首層選擇矩形鋼管柱和H型鋼梁。

通過模擬發現，采用鋼結構模塊和地下一層、首層鋼框架結構，受力性能較強，復合該公寓具體條件，工程難度較小，復合模塊建筑高效施工的要求。

3 構件設計

在針對該公寓樓施工中，地下車庫采用的鋼材為Q345B鋼，地面建筑采用的鋼材均為Q235B鋼。根據公寓樓的具體要求，在組合模塊時，模塊次梁間距小于1m；在模塊單元中，為保證建筑的抗震能力，柱截面要大，匯交于柱的梁截面要較小，柱截面要大，是一種強柱弱梁體系，根據設計荷載條件下對構件強度與剛度的要求，模塊單元梁截面為口80×50×5，柱截面為口100×60×10。通過對構件進行設計，滿足該公寓西式風格的要求，方便模塊單元建筑現場施工。

4 節點設計

在針對該公寓樓的節點設計時，主要考慮地下車庫與地面建筑的節點設計和地面建筑之間的節點設計，鋼框架之間的連接節點、鋼框架與模塊單元之間的連接節點、模塊單元之間的連接節點三種情況。

4.1 鋼框架之間的連接節點

考慮到地下車庫與地面建筑的節點設計，具體做法是采用特制鉚釘和螺栓拉桿連接組合連接節點的方式，保證地下車庫與地面首層鋼框架連接節點的強度與剛度，加強抗震、抗災能力。該構造形式較為合理，施工難度較大，但由于通過組合連接節點，有效保證連接節點的剛度和強度，符合剛性節點的要求。

4.2 鋼框架與模塊單元之間的連接節點

在該公寓的地面建筑中，首層鋼框架部分與地下車庫鋼框架部分采取強度和剛度較大的節點；在首層鋼框架頂部，需要搭放模塊單元。在采取連接節點時，通常采取插銷連接方式，具體做法是：在進行頂部模塊連接時，采取插銷連接，對節點連接部分進行固定；在梁截面部分與模板連接處采取十字肋板焊接連接，進行節點加強工作。通過鋼框架與末班單元之間的連接節點，有效提高公寓的穩定性，防止建筑局部出現節點連接不當的問題。

4.3 模塊單元之間的連接節點

在進行模塊單元之間的連接時，由于模塊單元的連接較為簡單，且不同大小的模塊連接不同，通常采用該模塊建筑公司提供的專用節點形式。一般來說，專用節點連接形式都采用插銷連接、螺栓拉桿連接等組合方式，確保了模塊間角部連接節點的強度與剛度。專用節點連接結構具有形式簡單、合理，有效性強、穩定，便于施工等優點，普遍適用于模塊單元的結構連接工作中，適用于該公寓地面六層建筑的模塊連接。

5 多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構和傳統鋼框架結構的對比

傳統的鋼框架結構是簡單的梁柱連接體系，通過簡單的連接手段將鋼框架進行節點連接，由于個體較大，導致剛度和強度都較低，穩定性較差，施工難度大；而多層鋼結構模塊與鋼框架復合結構由鋼結構模塊與鋼框架組成的一個整體，能有效分離和組合，具有形式簡單，剛度和強度都有提升，穩定性強，施工難度小，適合多種施工條件下進行施工的優點。多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構和傳統鋼框架結構最大的區別在于多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構是一種多梁多柱體系，傳統鋼框架的節點連接形式主要是鉸接；在多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構中，節點連接形式主要有插銷連接、螺栓拉桿連接及組合連接的方式。多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構在進行模塊單元節點連接時，除了對模塊單元之間進行節點連接，還會針對樓板接縫處的局部不嚴實進行處理工作，保證樓邊的穩定性，保證多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構建筑樓板的連續性。

6 結束語

本文對多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構的構件、節點等進行分析研究，通過將多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構和傳統鋼框架結構進行對比，并進行了有限元計算和分析，得到以下結論：

（1）對于多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構建筑，綜合模塊尺寸和建筑要求等多方面因素，對根據模塊尺寸以及建筑功能等方面的要求，最終選定結構體系為多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構。

（2）在設計過程中，針對施工要求，對鋼結構模塊和鋼框架進行選擇，并在選擇的基礎上對構件和節點進行合理設計，為施工提供保障。

（3）通過對多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構模型進行模擬，證明將節點優化，能有效提高其穩定性，優化方式合理。

（4）將多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構和傳統鋼框架結構進行對比，證明多層鋼結構模塊與鋼框架符合建筑結構具有優勢。

（5）根據《建筑抗震設計規范》的要求，對結構進行了性能檢測，得到的層間位移角和頂點位移均滿足要求。

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