多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

張百振

摘 要：模塊化建筑是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的一種新興建筑結(jié)構(gòu)形式。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的模塊-框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)述擬建的一棟多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑的工程情況，對(duì)鄭州市某擬建公寓進(jìn)行模塊尺寸和施工要求對(duì)擬建的多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建，并對(duì)其構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建中，發(fā)現(xiàn)由于構(gòu)建和節(jié)點(diǎn)較多，受力效果不理想。文章以多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)入手，通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)建和節(jié)點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，以期為多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考性建議。

關(guān)鍵詞：多層鋼結(jié)構(gòu)；模塊；鋼框架；復(fù)合建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shù)為6層，建筑高度16.5m，均為標(biāo)準(zhǔn)層，層高為2.8m，設(shè)有地下停車場(chǎng)，高3.6m，屬于多層建筑，是鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)形式。

2 結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

對(duì)鄭州市某擬建公寓樓的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)分為兩方面，在該公寓樓建筑中，考慮到地下停車場(chǎng)空間較大，建筑高度有3.6m，且獨(dú)棟公寓樓六層設(shè)計(jì)相同，因此，最終選定對(duì)樓層設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)體系為鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系；對(duì)地下車庫(kù)設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)。在對(duì)該公寓結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要考慮兩個(gè)方面，一是鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸設(shè)計(jì)；二是鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)模塊尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家相關(guān)道路運(yùn)輸大型建材規(guī)定以及考慮到對(duì)擬建公寓樓具體施工要求，對(duì)模塊單元的長(zhǎng)度、高度進(jìn)行相關(guān)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(shè)計(jì)

由于該公寓樓鋼框架分為地面建筑和地下車庫(kù)，因此鋼框架設(shè)計(jì)選擇上也相應(yīng)分為兩個(gè)部分。在對(duì)地下車庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用矩形鋼管柱和H型鋼梁組合而成的復(fù)合鋼框架結(jié)構(gòu)；在對(duì)地面建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，僅需要在首層選擇矩形鋼管柱和H型鋼梁。

通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，采用鋼結(jié)構(gòu)模塊和地下一層、首層鋼框架結(jié)構(gòu)，受力性能較強(qiáng)，復(fù)合該公寓具體條件，工程難度較小，復(fù)合模塊建筑高效施工的要求。

3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

在針對(duì)該公寓樓施工中，地下車庫(kù)采用的鋼材為Q345B鋼，地面建筑采用的鋼材均為Q235B鋼。根據(jù)公寓樓的具體要求，在組合模塊時(shí)，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(qiáng)柱弱梁體系，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載條件下對(duì)構(gòu)件強(qiáng)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(guò)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足該公寓西式風(fēng)格的要求，方便模塊單元建筑現(xiàn)場(chǎng)施工。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在針對(duì)該公寓樓的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮地下車庫(kù)與地面建筑的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和地面建筑之間的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，鋼框架之間的連接節(jié)點(diǎn)、鋼框架與模塊單元之間的連接節(jié)點(diǎn)、模塊單元之間的連接節(jié)點(diǎn)三種情況。

4.1 鋼框架之間的連接節(jié)點(diǎn)

考慮到地下車庫(kù)與地面建筑的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，具體做法是采用特制鉚釘和螺栓拉桿連接組合連接節(jié)點(diǎn)的方式，保證地下車庫(kù)與地面首層鋼框架連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與剛度，加強(qiáng)抗震、抗災(zāi)能力。該構(gòu)造形式較為合理，施工難度較大，但由于通過(guò)組合連接節(jié)點(diǎn)，有效保證連接節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度，符合剛性節(jié)點(diǎn)的要求。

4.2 鋼框架與模塊單元之間的連接節(jié)點(diǎn)

在該公寓的地面建筑中，首層鋼框架部分與地下車庫(kù)鋼框架部分采取強(qiáng)度和剛度較大的節(jié)點(diǎn)；在首層鋼框架頂部，需要搭放模塊單元。在采取連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，通常采取插銷連接方式，具體做法是：在進(jìn)行頂部模塊連接時(shí)，采取插銷連接，對(duì)節(jié)點(diǎn)連接部分進(jìn)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(jìn)行節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)工作。通過(guò)鋼框架與末班單元之間的連接節(jié)點(diǎn)，有效提高公寓的穩(wěn)定性，防止建筑局部出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。

4.3 模塊單元之間的連接節(jié)點(diǎn)

在進(jìn)行模塊單元之間的連接時(shí)，由于模塊單元的連接較為簡(jiǎn)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(jié)點(diǎn)形式。一般來(lái)說(shuō)，專用節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與剛度。專用節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)具有形式簡(jiǎn)單、合理，有效性強(qiáng)、穩(wěn)定，便于施工等優(yōu)點(diǎn)，普遍適用于模塊單元的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的對(duì)比

傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的梁柱連接體系，通過(guò)簡(jiǎn)單的連接手段將鋼框架進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接，由于個(gè)體較大，導(dǎo)致剛度和強(qiáng)度都較低，穩(wěn)定性較差，施工難度大；而多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)由鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架組成的一個(gè)整體，能有效分離和組合，具有形式簡(jiǎn)單，剛度和強(qiáng)度都有提升，穩(wěn)定性強(qiáng)，施工難度小，適合多種施工條件下進(jìn)行施工的優(yōu)點(diǎn)。多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別在于多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)是一種多梁多柱體系，傳統(tǒng)鋼框架的節(jié)點(diǎn)連接形式主要是鉸接；在多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行模塊單元節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，除了對(duì)模塊單元之間進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接，還會(huì)針對(duì)樓板接縫處的局部不嚴(yán)實(shí)進(jìn)行處理工作，保證樓邊的穩(wěn)定性，保證多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)建筑樓板的連續(xù)性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行分析研究，通過(guò)將多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行了有限元計(jì)算和分析，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)建筑，綜合模塊尺寸和建筑要求等多方面因素，對(duì)根據(jù)模塊尺寸以及建筑功能等方面的要求，最終選定結(jié)構(gòu)體系為多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)。

（2）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)施工要求，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框架進(jìn)行選擇，并在選擇的基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，為施工提供保障。

（3）通過(guò)對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬，證明將節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，能有效提高其穩(wěn)定性，優(yōu)化方式合理。

（4）將多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，證明多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架符合建筑結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)。

（5）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能檢測(cè)，得到的層間位移角和頂點(diǎn)位移均滿足要求。

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