占冰榮

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模塊建筑是一種新興的建筑體系，由于多層鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍比較廣，在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行模塊單元之間的連接時(shí)，可以采用專用節(jié)點(diǎn)連接形式，這種連接形式具有非常好的合理性、簡單性、穩(wěn)定性和便捷施工的優(yōu)點(diǎn)。

1 多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的區(qū)別

1.1 相同點(diǎn)

多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑和傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)都是利用鋼材自身的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以無論是多層鋼結(jié)構(gòu)模塊還是傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)方式，都可以拆卸鋼構(gòu)件。在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)鋼構(gòu)件的品質(zhì)要求非常高，同時(shí)也對(duì)監(jiān)管工作的要求非常高，否則無法滿足鋼構(gòu)件的拆卸需求[1]。

1.2 不同點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)模塊主要是基于傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的建筑方案中，通過結(jié)合新型技術(shù)，從而研發(fā)出最新的建筑設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)方案采用的是預(yù)制方式，通常都是提前規(guī)劃設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行模擬，能夠提高工作的成效，并保證鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量需求。然而鋼結(jié)構(gòu)模塊相比于傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求更加復(fù)雜，因此在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視相關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[2]。

2 結(jié)構(gòu)體、構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需求

2.1 結(jié)構(gòu)體的選擇

對(duì)辦公樓的建筑設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)模塊往往有著固定的尺寸要求，因此在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中，通常由生產(chǎn)單位加工成型后直接運(yùn)送到施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝。所以在整個(gè)運(yùn)輸過程中，需要考慮到鋼結(jié)構(gòu)的吊裝運(yùn)輸問題。按照我國道路運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)管理規(guī)定，吊裝的寬度不得超過3.5 m，高度不得超過4.2 m。在確定鋼結(jié)構(gòu)體模塊和傳統(tǒng)鋼框架的結(jié)構(gòu)體系過程中，除對(duì)每一層需要使用傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)，其他部分都需要鋼結(jié)構(gòu)模塊單元[3]。

2.2 首層鋼框架結(jié)構(gòu)

在辦公樓的首層結(jié)構(gòu)建筑中，通常主要采用矩形鋼管柱和H型鋼梁組成的鋼框架結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)槭褂镁匦武摴苤虷型鋼梁組成的鋼架結(jié)構(gòu)必須對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的隔板能更好地符合模塊建筑施工的相關(guān)設(shè)計(jì)需求。

2.3 模塊單元類型

在辦公樓的建筑中，鋼結(jié)構(gòu)模塊單元一般采用的是鋼框架結(jié)構(gòu)，這些鋼框架結(jié)構(gòu)主要分為四個(gè)不同的模塊單元，分別是普通模塊單元、中柱模塊單元、支撐模塊單元以及角部加強(qiáng)模塊單元。普通模塊單元一般情況下是由四根模塊柱組成，同時(shí)還有板梁、天花板以及次梁構(gòu)成，所以普通模塊單元主要適用于辦公樓建筑中開敞的辦公區(qū)域，而不適合其他辦公區(qū)域。中柱模塊單元往往是在普通模塊單元基礎(chǔ)上，通過增設(shè)中柱的方式，將中柱的上下進(jìn)行貫通連接，所以中柱模塊單元通常只適用于增強(qiáng)模塊建筑的整體性能需求。支撐模塊單元是在模塊單元內(nèi)設(shè)置支撐，其作用是增強(qiáng)建筑的抗側(cè)剛度，因此支撐模塊單元主要應(yīng)用于樓梯和建筑周圍。角部加強(qiáng)模塊單元主要位于模塊建筑角部，可以避免角部單柱過于薄弱，這些模塊單元中的各個(gè)構(gòu)件均采用冷彎方鋼管和冷彎矩形鋼管，在工廠內(nèi)進(jìn)行焊接后即可使用[4]。

2.4 構(gòu)件的設(shè)計(jì)

在辦公樓的建筑中，使用的鋼材材質(zhì)以Q345B鋼為主，因此樓板之間搭放時(shí)，需要模塊次梁間距小于2 m。并按照GB 50011-2010標(biāo)準(zhǔn)要求，在模塊柱中澆筑混凝土，可以很好地減小軸壓比，并將軸壓比控制在0.4以下，同時(shí)混凝土的強(qiáng)度也需要達(dá)到C40要求。對(duì)首層框架界面的設(shè)計(jì)，通常有三種選擇類型，分別是200 mm×10 mm、310 mm×200 mm×10 mm、310 mm×10 mm類型，所以在荷載條件下對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要將模塊的梁截面控制在100 mm×50 mm×5 mm～300 mm×150 mm×10 mm，有利于方便模塊建筑現(xiàn)場的施工。

2.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，首先，需要對(duì)模塊單元之間的連接點(diǎn)和模塊單元的連接專用節(jié)點(diǎn)使用插銷連接、螺栓拉桿連接的方式，才能更好地確保模塊節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度和剛度。然而這種構(gòu)造缺乏一定的合理性與傳力可靠性，需要將模塊單元的分類結(jié)構(gòu)連接成具有足夠剛度需求的結(jié)構(gòu)，才能更好地應(yīng)用多層鋼結(jié)構(gòu)的模塊建筑需求。其次，在傳統(tǒng)鋼框架和模塊單元的有效連接中，只有將鋼框架模塊搭建在模塊單元，才能將隔板貫式節(jié)點(diǎn)與模塊節(jié)點(diǎn)之間結(jié)合在一起。在具體的施工中，將上隔板改造成模塊節(jié)點(diǎn)類似的插銷連接形式，并與上隔板端部焊接在一起，可以用來搭接上部模塊梁，并將鋼柱打斷部分焊接在十字肋板上，有利于加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域，并防止腹板局部失穩(wěn)的情況發(fā)生[5]。

3 建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

將辦公樓的抗震強(qiáng)度設(shè)置為8級(jí)，基本地震加速度設(shè)置為0.2 g，按照地震分組，可以將辦公樓建筑工程劃分為抗震等級(jí)三級(jí)。根據(jù)GB 50009—2012標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，考慮到恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載以及地震的作用，對(duì)適應(yīng)的施工情況進(jìn)行有效組合。

3.2 簡化節(jié)點(diǎn)的合理性研究

在簡化節(jié)點(diǎn)的合理性研究中，首先，對(duì)節(jié)點(diǎn)的簡化模型，要做到模塊連接點(diǎn)的簡化，而在對(duì)具體簡化到上下模塊之間的各構(gòu)建模塊進(jìn)行約束時(shí)，對(duì)模型中的模塊柱和模塊梁連接點(diǎn)用鋼性短桿表示，能夠更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的自由度耦合需求。其次，在模塊連接點(diǎn)之間的簡化合理性研究中，運(yùn)用ANSYS有限元軟件模型，能夠?qū)χ斒┘幼銐虻奈灰萍s束。在設(shè)計(jì)中要求材料處于彈性階段，這樣的簡化對(duì)設(shè)計(jì)是可以接受的，因此節(jié)點(diǎn)的簡化處理方式是比較合理的[6]。

3.3 建立模型

在模型建立中采用有限元軟件MIDAS/Gen821進(jìn)行建模，梁柱通常采用梁單元建立，同時(shí)支撐上下模塊之間的拉桿和水平模塊之間的蓋板，并對(duì)連接采用桁架單元進(jìn)行建立。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 對(duì)周期和振幅的計(jì)算分析

在特征值分析中得到結(jié)構(gòu)前的12振型評(píng)論分布圖，并從相關(guān)圖中得出前3階段的振型頻率。通常前3階段的振型頻率較低，只有第4～12階段的頻率變化比較快且比較密集。

4.2 頂點(diǎn)位移

在四種工況組合下的頂點(diǎn)位移中，通常最大的位移發(fā)生在頂層，X風(fēng)荷載工況組合下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大位移是5.64 mm，Y向風(fēng)荷載工況組合下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大位移是6.28 mm，X向地震作用工況組合下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大位移是30.24 mm，Y向地震作用工況組合下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大位移是20.34 mm。由于這四種工況組合下的頂點(diǎn)位移都小于BG 50017—2003的標(biāo)準(zhǔn)要求，所以對(duì)框架結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移的限制要求計(jì)算后，得出最終的限制是32.8 mm。

4.3 應(yīng)力比與用鋼量

鋼構(gòu)件應(yīng)力比中，應(yīng)力比均小于1，且大部分應(yīng)力比在0.85以下，最大的應(yīng)力比也只有0.878。鋼管混凝土構(gòu)件的應(yīng)力比最大值為0.952，所以經(jīng)過計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)的總用鋼量和平均每平米用鋼量進(jìn)行計(jì)算，可以得出每平米的用鋼量是85.59。然而在綠色環(huán)保施工中，只有更好地節(jié)約人力和物力資源，才能有效地彌補(bǔ)用鋼量，比對(duì)模塊建筑的用鋼量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用鋼量的需求大幅度降低。

5 結(jié)語

在辦公樓的建筑設(shè)計(jì)中，根據(jù)模塊尺寸和建筑功能的需求，選擇結(jié)構(gòu)體為剛模塊與鋼框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)，所以在實(shí)際的節(jié)點(diǎn)受力中，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡化。同時(shí)運(yùn)用ANSYS有限元軟件和MIDAS/Gen821軟件，可以對(duì)模型進(jìn)行簡化并構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，最終滿足多層鋼結(jié)構(gòu)模塊和鋼框復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。