多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計探究

文／朱健 上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司山東分公司 山東濟南 250013

孫偉、李本兵 山東同創設計咨詢集團有限公司 山東濟南 250013

引言：

在多層鋼混結構建筑的設計階段，要重視通過計算機軟件對建筑結構的框架系統、構件等單體進行設計，為建筑后期的大鋼筋采購、小橫桿的結構，以及節點間受力關系的協調提供了必要的設計依據。另外，由于多層鋼構的設計給建筑結構的框架系統提供了骨架結構，各組件之間的聯系也是利用槍法實現的，而其結構中又貫徹了連續傳力路徑的原理，所以這樣的結構簡化方法也是科學的研究結論，能夠說明多層鋼構的優越性和結構的簡單度。雖然如今，鋼構建筑的結構形式已經相對較多了，但從一般的建筑設計條件上來看，在鋼梁、鋼柱的設計過程中，要關注的設計內容仍然是結構的整體強度，這也是目前設計人員在設計過程中，通過完善的力學分析和建立相應的物理模型，進一步分析整體強度情況，并根據結構設計過程中所需進行改進，進而通過合理的鋼結構來減少鋼材的使用，以進一步提高我國多層鋼結構的組合和復合鋼結構建筑的整體設計水平[1-2]。

1.鋼結構建筑簡析

鋼結構建筑與傳統混凝土建筑的主要區別在于施工方法：傳統混凝土建筑需要大量的現場施工工作，而鋼結構建筑可以由工廠生產的部件制造，這大大減少了所需的現場工作量，大部分的施工工作可以通過現場組裝部件來完成。由于鋼結構可以在以后重新使用，鋼結構建筑也符合當前建筑領域的環境可持續性概念。多層鋼結構建筑現在被廣泛用于民用住宅、商業建筑和工業大廳。鋼結構的整體強度高于傳統的混凝土結構，整體質量相對較小，因此可以更好地減少地震荷載對建筑的結構破壞，從而獲得更好的抗震性能。鋼結構建筑的設計是基于可以由各種專業制造商生產的部件。對構件的有效質量控制足以控制設計的整體質量，所以鋼結構建筑的設計質量是比較高的。在施工效率方面，與傳統的混凝土施工相比，施工總量相對較小，構件在工廠準備好后，運到施工現場進行組裝和安裝，大部分施工工作已經完成，因此，施工效率較高，總的施工周期相對較短[3]。

2.多層框架鋼結構工程結構

多層框架鋼結構工程結構的平面布置。從每層樓的頂部藝術平面單視圖開始，確定柱網和框架的縱向和橫向位置。單節點建筑應減少桿件的類型，多層鋼結構的設計應保證結構的空間穩定性，便于結構間水平荷載的傳遞，多層鋼結構各層的水平力分布和空間穩定性起著重要作用，應設計水平布置的剛性板，使整個結構在水平力作用下有相同的側向位移。如果樓板的剛度不夠或樓板鉆孔加工。如果對水平剛度有影響，應在框架的整體剛度之外采取必要的措施，例如在樓板梁、翼緣向水平支撐布置轉移水平力。剛性地板或水平框架還可以使框架在縱向和橫向上共同發揮作用。它們共同抵御扭矩。一旦建筑物確定了地板布局，就會進行垂直布局，并根據生產和使用要求確定適當的縱向和橫向框架系統。在這一點上，需要注意的是，在動態水平荷載（或地震作用）下，層間剛度不應突然改變。整個建筑的多層鋼結構應盡可能接近整體剛度中心在縱向和橫向的總水平力，不包括水平力引起的扭轉力矩。水平荷載傳遞路徑必須短而可靠[4]。

3.多層鋼結構房屋的結構體系與選擇

關于建筑的形狀，必須根據客戶的要求和設計，為各種住宅選擇不同的鋼結構系統。多層鋼架系統主要包括框架系統、中心框架支撐系統、偏心框架支撐系統、框架系統和巨型框架系統等。其中，框架主要是作為支撐結構來支撐房屋的主要受力，框架也是抵抗側向力的系統。根據上述體系的抗側力排序，抗側力從高到低的順序是圓柱和巨型框架體系〈框架梁體系〉框架體系，可以得出結論，框架體系是抗側力最低的鋼結構體系。在建造房屋時，鋼結構系統的選擇是非常重要的。如果選擇的鋼結構系統不合適，整個房屋的生命和安全將受到嚴重影響。因此，在選擇多層鋼結構時必須考慮以下幾點：

3.1 多層鋼框架結構選擇

應考慮到設計要求和首選的建筑高度。因此，如果一座大樓要具有強大的防震功能，就必須采用一個骨架的建筑體系，其不但易于架設，同時具備高度的側向安全性。如果房屋較高大，則很易于遭受強風和地震的沖擊。如果防火等級很好，房屋的高度沒有那么高大，應該選用比較簡易的預應力砼框架結構系統；如果房屋高度比較高，中間的樓梯和各種管道構件比較多，就應該選擇結構與中央鋼結構系統相結合的形式[5]。

3.2 設計與使用要求

例如，對于一些客戶來說，建筑必須有足夠的使用空間，所以這種類型的圍護結構可能需要鋼筋和支撐系統或鋼筋筒體系統，這兩種系統既要滿足客戶的空間要求，又要滿足結構的抗震性能要求。

3.3 施工條件的制約

根據施工情況，可以選擇不同的鋼結構系統。如果施工時間有限，在滿足設計要求的情況下，可以使用不同的鋼結構系統。由于鋼結構一般只需在現場組裝，可以在短時間內完成，從而避免了施工時間的增加。另一方面，混凝土結構有較長的組裝時間，因為混凝土必須被澆注、壓實和事后進行長期維護。

3.4 工程造價預算

對于鋼結構的多層建筑，有必要選擇一個具有成本效益的系統。一般來說，抗側力越高，項目的成本就越高。如果使用混凝土抗側力系統，必須考慮到混凝土自身重量對整個結構的影響，這不可避免地會增加成本。另一方面，如果不需要抗側力，可以采用純鋼框架系統，這種結構的建筑成本較低[6]。

4.結構設計的關鍵技術研究

4.1 節點設計

4.1.1 鋼框架之間的連接節點

鋼框架之間的連接節點的設計，一種特殊的方法是使用特殊的鉚接和螺栓連接組合，以確保高樓地下停車場和底層鋼結構之間的連接強度和剛度，并提高對地震和自然災害的保護。設計形式更合理，設計更復雜，但連接節點的剛度和強度由連接節點的組合有效提供，滿足了剛性節點的要求。

4.1.2 模塊單元之間的連接節點

模塊單元之間的連接采取了特殊結的形式。這種連接方式采用了特殊的銷子、螺栓和鉚釘的組合，以確保模塊之間的角接點的強度和剛度。這種設計穩固、牢靠、易于制造，符合剛性單元的要求。這種節點系統將各個模塊單元連接成一個完整的結構系統，可用于多層鋼結構模塊建筑。

4.1.3 傳統鋼框架與模塊單元之間的連接節點

底層鋼筋的頂部應與模塊單元重疊，使地下連續墻穿透單元與模塊單元由結合。將上隔板轉換為類似于模塊單元的銷軸形狀；在上隔板的端部焊接一個隔板，使其與上模塊梁重疊；在鋼柱的不連續部分焊接橫向肋條，以加固單元區域；在腹板的每一側焊接一塊加固肋條到相應的加固肋條隔板的底部中心，防止局部腹板不穩定[7]。

4.2 節點的簡化與簡化的合理性

4.2.1 節點的簡化模型及其在模型中的實現

模塊結構節點的優化應符合實際的節點結構，優化后的節點如下：考慮到模塊柱上下功能之間對每個元素數量的限制，模型以模塊柱與模板梁之間的最短鋼柱表示，連接在上下功能中間的柱頭節點；柱頭節點與上下模板連接的梁底節點之間是鉸鏈連接，與鉸合單元的漸進自由度有關；上下模板梁的連桿是模型化。這些連接形式都要求在短柱內部的鉸鏈和環路之間可以傳遞上下模板連接的彎矩，形成剛性的鉸鏈效應。

4.2.2 模塊連接節點簡化的合理性研究

利用ANSYS 有限元軟件構建了一種簡單的十字形節點模型，用Beam189 塊仿真梁、立柱和短梁，用Link八塊仿真連接。在模板長度、位置與加載方法一致的情形下，將骨架的荷載－位移曲線與全身模板上的骨架曲線實現了比較。全身模型的載荷－位移能力約為86kN，相應的位移為134.1mm，而簡化模型的載荷－位移能力約為77kN，相應的位移為114.1mm，不過兩個模型之間的差異不大。如果我們比較兩個模型的彈性位移，都是50mm 左右，在彈性領域的剛度差異不大：簡化模型的彈性剛度低于實體模型，約為實體模型的81.6%。這就意味著簡化模型中并未考慮實體模型的不同結構，也并未考慮板的屈曲后的剛度。而既然在工程中需要材料達到一定彈性水平，這種優化對于設計人員而言也是能夠進行和保守的，所以簡化連接處理是合理的。

4.3 新型的節點構造設計

新型的節點構造設計方式主要有兩種，一種是梁端削弱式節點，另一種是梁端加強式節點。下面對兩種節點分別進行分析[8]：

4.3.1 對于梁端削弱式節點

其目的在于減少結點附近的梁及柱子數量，減小結點和梁及柱子之間的高度差異。在地動時，梁和柱子的動態性能比較好，但因為結點之間是連接在一起的，焊接的時候結點會出現焊接缺陷，所以就算沒有焊接缺陷，接頭的動力學性能也遠遠不及梁和柱子，所以在這兩個方面都必須加以協調。前者對連接處理的精確度要求較高，圓形松弛的大小需要十分準確，切面需要拋光，以減少應力聚集；分體式連接的優點在于可以降低連接部位的應力聚集，使金屬連接向外移動，進而改善連接的破壞狀態。

4.3.2 梁端加強式節點

它主要是利用提高橫梁與鋼柱間的連接面積而做到的，這樣一來橫梁端面的節點附近的力學性能也較其他地方好。所以，當地動發生后，一般的鋼柱連接因橫截面積減小，首先出現變形，而在塑性變形出現以前，在橋端和節點之間建立塑性連接，以便保存橋端和節點。在梁的兩端的這些加固連接通常以兩種方式實現：通過增加一個重疊連接或一個軸向連接。重疊連接通過改善延展性增加了連接的承載能力，但這種加固方法不容易檢查，只能通過破壞性試驗來驗證，這需要高質量的焊縫。蓋板和梁的凸緣之間的距離。此外，軸組件主要由節點以下的三角軸加固，這增加了節點處的橫截面積。

4.4 模塊的柱的計算長度系數研究

設計柱長系數對整個框架柱的穩定承載力有一定影響。例如，在真實的模塊結構中，模塊的柱子不是上下相連的，而且模塊的某一層也有固定的梁和大梁，這與傳統的建筑結構不同，所以有限元軟件分析的結果可能存在精度問題，導致設計的柱長消耗大量的鋼材，影響設計結果。在實際的裝配式建筑設計中，柱子和組合梁都是焊接在角部構件上的，可以認為是剛性連接，整體連接力很強，但現有規范沒有對設計長度系數和計算方法進行分析，所以這種設計中存在兩端柱子的密封和平衡問題，如果忽略了相鄰組合柱單元的應力，整個結構的組合梁和柱子也可能存在問題。

5.構件連接方式

連接方法及其質量直接影響到鋼結構的性能。鋼結構的連接必須安全可靠，傳力明確，設計簡單，生產方便，節省鋼材。連接接頭應足夠堅固，并為連接提供足夠的空間。下面將討論三種連接方法和鋼結構的性能：

5.1 焊縫連接

焊縫由電弧產生的熱量形成，局部熔化焊條和工件并凝結成冷卻珠，從而將待焊接的部件連接成一個整體。

優點：構件截面無削弱，節省鋼材，設計簡單，易于加工，接頭剛度高，密封性能好，在一定的自動化操作條件下易于使用，生產效率高。缺點：焊接接近鋼材時，由于焊接溫度高，形成熱變形區，會削弱部分材料；焊接鋼材時溫度高且冷卻分布不均勻，結構上產生焊接殘余應力和殘余變形，對結構的承載能力、剛度和利用性能有一定影響；焊縫的延展性和強度都較低，可能出現焊接缺陷，引起疲勞強度。

5.2 螺栓連接

螺栓連接是一個連接元件，例如一個螺栓，它把要連接的部分連接成一個整體。螺栓連接有兩種類型：傳統螺栓連接和高強度螺栓連接。

優點：施工方法簡單，容易組裝，特別是在現場的連接，當結構需要組裝和拆卸以及需要臨時連接時，容易拆卸。缺點。需要在板和連接孔上鉆孔，增加了勞動力，對制造精度要求高；螺栓孔也削弱了構件的橫截面，連接部分往往必須相互重疊或有額外的二次連接板（或角），使鋼結構施工更加復雜和昂貴。

5.3 鉚接接頭

鉚接是指鉚釘的一端有一個裝配好的半圓頭，在釘柄退火后迅速插入接頭的釘孔中，然后用鉚槍將另一端鉚入釘頭，使接頭密封。

鉚接的優點：可靠的能量傳遞，良好的延展性和韌性，易于檢查和保證質量，適用于重型結構和直接承受動態載荷的結構。缺點：鉚接過程復雜，耗時，材料和勞動力密集。因此，它在很大程度上已被焊接和高強度螺栓所取代。

6.鋼結構模塊建筑和傳統鋼框架結構的異同點比較

多層鋼結構模塊與鋼框架復合結構建筑由鋼結構和結構模塊組成，可以有效地組合和分離，具有建筑成本低、穩定性高、形式簡單、強度高等優點。相比之下，傳統的鋼結構是一個由梁和柱組成的系統，連接手段簡單。這導致了一個相對較大的結構，其缺點是厚度低、穩定性低和強度低。模塊化鋼結構與傳統鋼結構的相似之處在于，這兩種類型的建筑都需要高質量的鋼材，其質量和具體參數在施工過程中被反復檢查，也可以使用相同的設計規范進行修改，而且都充分利用了鋼材的三個主要特性，即耐用、強度和輕質。不同的是，鋼結構建筑模塊是對傳統框架結構的改進，它是一個多柱多梁的系統，8 根柱子和16 根梁可以用預制的方式在交叉點共存，這是鋼結構建筑模塊與傳統鋼框架結構的主要區別。與反對使用螺栓和銷釘的傳統鋼架結構不同，多層鋼結構模塊對焊接方法、節點施工等提出了更高、更嚴格的要求。

7.建筑設計注意事項

在多層鋼結構的建筑設計過程中，除了需要設計構件和整體結構的拉力外，還需要關注管道的工程設計過程，要注重避免管道與整體結構的沖突，減少在后續施工安裝過程中對鋼結構框架的調整，確保管道能與整體結構的框架相匹配。同時，在設計過程中注重施工的重要性，而將其限制在適當的施工技術上。

結語：

綜上所述，多層鋼結構模塊和復合鋼結構建筑不僅在材料成本方面有優勢，而且在建筑質量和功能方面也有比較明顯的優勢，能有效地限制污染，實現真正意義上的"綠色"建筑。在當今的建筑中，采用鋼結構和復合結構的模塊化和多層建筑所占的比例越來越大。與傳統的建筑設計相比，這些建筑不僅在材料成本、施工工藝和整體質量方面具有明顯的優勢，而且對環境的影響也很小，其鋼構件可以回收利用，是真正的可持續建筑。對于建筑的整體質量來說，在初始階段進行適當的、科學的設計是至關重要的，可以為建筑的后續施工提供指導意義。