多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計探究

作者簡介：康利慧（1984—），女，本科，工程師，研究方向為結構設計。

摘要：在社會快速發展環境之下，更多類型建筑結構被應用于實踐當中，多層鋼結構模塊、鋼框架梁這類復合結構就是其中之一，在工業、寫字樓等建筑當中有廣泛應用。由于此類結構優勢獨特，所以得到了推廣應用。本文以某辦公樓項目設計為例，論述鋼結構模塊設計和傳統鋼結構設計存在的異同之處，并對結構周期、頂點位移、層間位移、用鋼量進行全面計算，判斷結構是否能夠滿足規范要求。

關鍵詞：多層鋼結構? 鋼框架? 復合建筑 結構設計

中圖分類號：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，在建筑結構設計當中，多層框架這類結構，此類結構的鋼桁梁、鋼梁及鋼桁架屬于重要構架，利用焊接、螺栓連接等方式，結構節點較多，因此施工量較大。鋼結構模塊不同單元連接簡單，通常由模塊制作公司提供節點，專用節點利用螺栓拉桿和插銷進行連接，能夠確保不同模塊連接節點剛度、強度。且專用節點的結構簡單，便于施工，適合模塊單元各結構之間的連接，因此對多層鋼結構、鋼框架這類復合建筑的合理設計，能夠充分利用結構優勢，具有建設周期短，造價低多種優勢。

1 項目概況

本項目所屬辦公樓建筑，建筑整體結構3層，局部結構有4層，第1層的結構高5.4m，其他層為標準層，高3.9m，整體建筑高16.4m，建面共計2538m2，所屬多層建筑，未設計地下空間結構，以鋼結構模塊、鋼框架復合這類結構展開設計[1]。

2 多層鋼結構模塊和鋼框架復合建筑的結構設計策略

2.1 結構選擇

因為鋼結構模塊建筑設計具備尺寸方面要求，所有模塊單元都在工廠統一加工，之后直接運送到施工現場，進行安裝和吊裝。按照國家在道路運輸方面的要求，綜合考慮結構吊裝施工需求，本項目模塊單元在寬度設計方面介于2.5～3.5m，高度設計在4.2m以內。

分析建筑使用功能，由于本項目屬于辦公樓建筑，第1層需要設置展示區和員工休息區，這類結構空間相對較大，首層高度5.4m，同時，建筑第2層還設計天橋結構，能夠通往工廠，所以本工程沒有完全設計模塊體系。結合上述分析，選擇復合結構體系，在第1層結構和第2層、第3層選擇傳統的鋼框架設計結構，剩余部分利用鋼結構模塊設計。

2.2? 劃分模塊

根據建筑平面設計圖，對于單元模塊進行劃分，將傳統鋼框架結構去除，剩余部分劃分為長度7.5～8.0m不等的模塊單元，劃分以后模塊單元共有51個，模塊寬度介于2.4～4.5m，模塊高度3.7m。因為鋼結構模塊整體上利用鋼框架結構，所以還可將其細化為不同的模塊單元，具體內容如下。第一，普通模塊，這類單元4角存在模塊柱4根，還有天花板梁、地板梁和次梁結構，這類結構適合應用在敞開的辦公區域。第二，中柱模塊，此類單元是通過普通模塊的變化，將中柱置于其中，中柱設計在橫向模塊當中，保持上下貫通的狀態，這種結構之下，能夠保證多點連接結構整體性優越。第三，支撐模塊，顧名思義，這類模塊內部存在支撐，可以將建筑鋼度提升，主要設置在樓梯位置或者建筑周圍。第四，角部加強模塊，此類單元模塊處于建筑的腳部位置，設計目的是防止局部邊角部分的柱結構過于單薄。

上述模塊單元使用構件為冷彎矩形鋼管和方鋼管，全部在工廠當中焊接與連接。第1層框架結構、矩形鋼管柱組成，選擇貫通式節點作為梁柱節點，將鋼柱用隔板打斷，通過螺栓混接的方式連接梁柱，保持結構整體的受力情況。選擇模塊單元設計，便于安裝，符合建筑工期方面要求。

2.3 構件設計

該項目選擇Q345B型鋼材，可以按照樓板設計要求進行搭放，控制模塊、次梁間距不足2m。各模塊單元內，交匯柱結構梁截略比柱截面高。因此從某種程度上來講，該結構體系屬于“弱柱強梁”結構。為了滿足抗震設計規范要求，選擇第2層的模塊柱內灌注混凝土，以控制軸壓比，不超過0.4，混凝土強度C40。框架柱（首層）截面類型3種，第一種規格為200mm×10mm，第二種規格為310mm×200mm×10mm，第三種規格為310mm×10mm。綜合考慮荷載條件，完成構件強度、剛度等設計，在模塊梁的截面設計方面規格在100mm×50mm×5mm～300mm×150mm×10mm之間。橫梁面寬度設計150mm，和模塊柱之間相連。需要保證梁柱的連接結構外立面處于齊平狀態，便于建筑的現場施工。

2.4 節點設計

2.4.1 單元連接節點

不同的鋼結構模塊，在單元連接節點的選擇，使用建筑公司提供的專用節點。連接方式有多種，第一是插銷連接，第二是利用螺栓拉桿進行連接，第三是選擇特制鉚釘進行連接，上述連接方式可以在一定程度上保證模塊間角位置節點連接剛度、強度，且上述結構的構造相對合理，不但便于施工，而且傳力也相對可靠，能夠滿足節點位置的剛性要求。與此同時，節點體系能夠將單元模塊進行分離，使結構能夠連接為剛度具有整體性的體系，還可在多層鋼結構模塊當中應用[2]。

2.4.2 模塊單元與傳統鋼框架節點

因為第1層結構屬于傳統鋼框架形式，在結構上方設置模塊單元，所以，可將模塊節點、隔板貫通節點組合應用，具體方式為將上層隔板進行更改，以插銷模式連接，如模塊節點一樣。上層板端部焊接墊塊，可保證模塊梁能夠搭接順利。將十字肋板焊接在打斷鋼柱之內，將節點強度提升。無論是墊塊中下方區域，還是腹板兩側區域，均需設置1處加勁筋，保證腹板的局部位置穩定性。

2.5 建立模型

2.5.1 參數選擇

按照建筑抗震設計規范，結合地質信息資料，選擇參數地震加速度0.2g，抗震烈度8°，本項目為丙類建筑，風壓0.56kN/m2，特征周期0.64s，地面粗糙度B類，綜合分析抗震等級三級。按照建筑荷載設計規范，在結構設計環節，全方位考量地震作用、風荷載、恒荷載與活荷載多種工況。

2.5.2 節點合理性

利用簡化模型分析節點設計的合理性。在模塊節點簡化階段，應該保證傳力方式、節點構造二者之間的一致性。同時在簡化過程，考慮模塊上下的約束情況，借助剛性短桿表示模塊梁與模塊柱之間柱頭節點，結構模塊柱頭節點、柱腳節點可使用鉸鏈接方式連接，利用桿單元模擬模塊梁上下拉桿結構。上述連接方式短柱間鉸接、拉桿能夠在模塊之內完成彎矩傳遞，剛性效果相對優良。本工程鋼結構模塊、傳統鋼框架之間利用剛性短桿進行連接，數量3根。

2.5.3 分析節點簡化合理性

分析過程，選擇有限元軟件（Ansys），在其中建立模型，將結構的十字節點加以簡化，無論是梁結構，還是柱結構，又或者是短柱結構，都依托Beam189單元完成模擬，之后借助Link8單元展開拉桿結構的模擬。模擬階段，應在柱頂完成位移約束力施加，應該將大變形情況考慮其中，繪制出“荷載-位移”的曲線圖，之后和實體模型的尺寸、加載方式以及約束條件骨架曲線相互對比，最終得出結果，實體模型極限荷載值為86kN，極限位移實際值134.1mm。簡化模型內，結構的極限荷載值77kN，極限位移實際值114.1mm。由此可知，簡化模型、實際結構無論是極限荷載，還是極限位移二者差異較小。

簡化模型、實體模型彈性位移都是50mm左右，在彈性范圍內剛度存在較小的差異，且簡化模型的剛度值為實體剛度82%。綜合分析原因，可能模型簡化階段，相關人員未能將實體模型存在的構造差異考慮其中，或者簡化模型階段未能將板件屈曲后強度考慮其中。因為設計當中要求材料處于彈性受力階段，所以，從設計角度來講，采取的簡化措施較為保守，誤差處于可控范圍之內，由此判斷簡化處理節點能夠滿足要求。最后利用軟件完成建模，用梁單元建立梁柱，使用橫架單元來建立建筑上下結構模塊拉桿與水平模塊蓋板[3]。

2.6 分析模塊和傳統框架異同

2.6.1 差異之處

與傳統鋼框架結構相互對比，鋼結構模塊特點是在同一模塊建筑當中存在多種梁柱體系，同時，梁結構柱結構的交點最多可設置16根梁、8根柱。傳統框架節點主要是通過剛接和鉸接方式完成，與之不同的是鋼結構模塊的建筑體系當中，可以利用螺栓拉桿和插銷多種連接方式對于梁柱結構進行連接，節點域形式多樣，常見的有梁節點域有16根，柱節點域有8根。

傳統形式框架板連續，所以可以認定為平面之內樓板具有剛性特征，因此結構計算環節可通過假設剛性樓板的方式展開。鋼結構模塊樓板是在工廠之內完成安裝，建筑模塊在建設結束以后，樓板較為分散，所以模塊單元連接過程，通常會使用螺栓蓋板完成模塊梁的連接，通過特殊處理讓樓板接縫之間保持穩定，不會出現搓動現象，或者相互擠壓、分離等問題，能夠在一定程度上保證模塊樓板連續性，使其處于平面內也可視為剛性結構。因此，結構設計環節也可對于模塊樓板采取剛性假設。

若建筑模塊相同，可在建筑樓層之間設計夾層，將其置于天花板梁和地板梁間，設計結構結算，夾層能夠單獨設計，使其分布在獨立層結構當中，以便后續分析工作開展，能夠對天花板或者地板等樓層使用剛性假設分析方式。

2.6.2 相同之處

分析傳統鋼框架，其組成結構可以看作梁柱（簡單類型）連接體系，不同框架梁單元組成鋼結構模塊，整體就如“搭積木”一樣。雖然兩種結構表面上來看存在差異，但實質上聯系緊密。本項目的第二層模塊結構模型，可將其簡化為模塊內有1根剛性桿結構，可使用和表述模型剛性軸力，用來表示彎矩，那么三者之間關系可使用表示，其中代表和距離。

該等效模型可視為三層框架結構，能夠利用有限元軟件，完成等效模型（T形節點）建立，并對比模塊模型曲線，結果顯示二者基本呈現吻合狀態，故此能夠證明前文判斷，將模塊結構視為特殊框架結構一種。從模塊建筑角度分析，可利用規范完成設計、審核等[4]。

2.7 結果周期

2.7.1 周期振型

對于結構的振型頻率進行分析，1～3階段頻率低，4～12階段頻率高，整體自振頻率密集，代表模塊結構剛度分布具有整體性。第一階段振型周期0.833s，第二階段振型周期0.537s，第三階段振型周期0.508s，周期比為0.61，未超過規范0.85要求。

2.7.2 頂點位移

對于結構處于不同工況環境下頂點位移進行分析，結果如下。第一，在Y向風荷載環境下，頂點位移最高值為5.64mm。第二，在X向風荷載環境下，頂點位移最高值為6.28mm。第三，在X向地震作用環境下，頂點位移最高值為30.24mm。第四，在Y向地震作用環境下，頂點位移最高值為20.34mm。上述結果均和規范要求的頂點位移極限值32.8mm相符。

2.7.3 層間位移

處于地震作用、風荷載等工況之下，對于不同層間位移角、位移比展開計算，能夠看出最高層間位移角在X軸方向，具體值1/318，能夠滿足抗震規范當中對于層間位移角極限值1/250要求。層間位移最高比值1.342，主要發生Y軸方向，位移比值未超過規范要求1.4。

2.7.4 應力比

鋼構件應力比不超過1，大部分數值在0.85之內，最高應力比0.878，且鋼管混凝土類型構件的應力比大部分也不超過0.85，最高0.952。第2層鋼管砼柱軸壓比最高0.2，滿足規范0.4極限值要求。

2.7.5 用鋼量

通過計算，該結構用鋼總量216 610kg，均用鋼量85.59kg/m2，雖然和傳統鋼結構相互對比，用鋼量稍高，但是大部分結構都能實現流水化作業，對于人力、物力的節約效果優越、能夠彌補鋼材消耗量過高的不足[5-6]。

3 結語

綜上分析，針對該寫字樓鋼結構模塊設計，嚴格按照建筑功能、模塊尺寸各方面要求，合理選擇建筑結構類型，運用鋼模型、鋼框架二者復合設計結構。按照建筑圖紙，來劃分單元模塊明確鋼框架類型，對于節點、構件等展開設計，按照節點實際受力情況，采取有限元分析，驗證設計合理性。除此之外，對比傳統的鋼框架結構設計，可以看出鋼結構模塊屬于特殊框架結構，也可借助傳統設計模式完成。對于結構處于各種工況或者荷載情況之下展開有限元分析，獲得位移、應力比值，結果顯示通過復合結構設計，能夠滿足高層建筑鋼結構設計規范要求。除此之外，還根據抗震設計規范，對于結構展開分析，得出層間位移角、頂點位移值，均可滿足抗震規范。

參考文獻

[1]郭艷艷.探析多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計[J].中國房地產業，2020（34）：68.

[2]閆爭科.多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計探究[J].建筑技術開發，2021，48（3）：13-14.

[3]陳鋼.多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構的設計[J]. 新材料·新裝飾，2021，3（18）：57-58.

[4]陳志華，周子棟，劉佳迪，等.多層鋼結構模塊建筑結構設計與分析[J].建筑結構，2019，49（16）：59-64，18.

[5]潘瑜.小型輕型鋼結構裝配式建筑設計研究[D].杭州：浙江大學，2020.

[6]李垚.鋼結構模塊建筑建造技術和空間設計研究[D].重慶：重慶大學，2017.