紀(jì)龍春

瓏圖設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 廣東 佛山 528000

引言

當(dāng)前城市化進(jìn)程不斷深入，建筑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，更具觀賞性與功能性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大難題。長(zhǎng)期以來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑中居于主體地位，與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性、安全性方面占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，模塊建筑施工時(shí)長(zhǎng)較短、質(zhì)量?jī)?yōu)良、成本投入少且經(jīng)濟(jì)環(huán)保，有助于延長(zhǎng)建筑使用壽命，推動(dòng)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

以某辦公大樓為例，該項(xiàng)目位于青島西海岸經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，總占地面積2536.1m2，主體為6層，局部7層，總高度26.5m，首層高度為6.5m，其余層高4.0m；地下1層為車庫(kù)；該建筑為多層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部以鋼結(jié)構(gòu)模塊與框架復(fù)合結(jié)構(gòu)為主，建筑效果如圖1所示。該建筑與以往鋼結(jié)構(gòu)拆分成獨(dú)立梁柱的形式不同，是由大量三維子空間構(gòu)成，鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)應(yīng)從方案設(shè)計(jì)階段著手，立足整體進(jìn)行科學(xué)有效的規(guī)劃。從整體上看，多層鋼結(jié)構(gòu)適用于規(guī)則、重復(fù)單元的建筑，在方案設(shè)計(jì)上包含模數(shù)化選型與單元整合設(shè)計(jì)兩項(xiàng)內(nèi)容。該建筑選型思路為先要確定不同單元的基本模數(shù)，這也是模塊預(yù)制規(guī)?；幕A(chǔ)所在，對(duì)不同住宅的總尺寸進(jìn)行劃分，堅(jiān)持模數(shù)協(xié)調(diào)原則，使標(biāo)準(zhǔn)化模塊單元得以確定。結(jié)合住宅空間分區(qū)關(guān)系，與機(jī)電裝修要求相結(jié)合，將建筑平面分為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，使主要、次要與交通部分有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。在立面設(shè)計(jì)上，不但要確保結(jié)構(gòu)豎向傳力連續(xù)，還要實(shí)現(xiàn)管道上下串通，為現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接提供更多便利。

圖1 建筑效果圖

2 多層鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

2.1 模塊尺寸

在鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合建筑整體結(jié)構(gòu)明確模塊尺寸，綜合分析模塊尺寸的影響因素，如模塊承重力，當(dāng)尺寸過(guò)大時(shí)承重力便會(huì)下降；當(dāng)尺寸過(guò)小時(shí)會(huì)增加施工成本。此外，當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)模塊由預(yù)制場(chǎng)提前預(yù)制，再運(yùn)送到施工所在地，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)運(yùn)輸尺寸也有相應(yīng)的要求，同樣需要模塊設(shè)計(jì)者加以重視。在該建筑中，將鋼結(jié)構(gòu)模塊參數(shù)確定為：長(zhǎng)3.0m～3.5m之間、寬1.0m～2.5m之間、高2.5m～3.5m之間。在模塊單元?jiǎng)澐种?，除西南角鋼框架之外，整棟建筑共可分?0個(gè)模塊單元，且模塊長(zhǎng)度在7.7～8.1m之間。在模塊類型方面，以鋼框架結(jié)構(gòu)為主，可分為普通單元、中柱單元、支撐單元、角部加強(qiáng)單元，如圖2所示。在普通單元中，由模塊柱、次梁、天花板梁與地板梁組成，處于開(kāi)放辦公區(qū)域內(nèi)；在中柱單元中，可以普通單元為基礎(chǔ)設(shè)置中柱，將其放入橫向模塊中，中柱上下串通起來(lái)，使橫縱模塊多個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，提高建筑整體穩(wěn)定性；在支撐單元中，可將其設(shè)置在模塊單元內(nèi)部，促進(jìn)建筑抗側(cè)剛度提升，適用于建筑四周與樓梯燈處；角部強(qiáng)化單元適用于建筑角部，單元中的構(gòu)件利用冷彎矩形鋼管、方鋼管等，在工廠內(nèi)部完成焊接[1]。

圖2 模塊類型

2.2 鋼框架構(gòu)建

該建筑首層與標(biāo)準(zhǔn)層的高度不盡相同，鋼框架也應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，因首層承載力較大，可采用矩形鋼管柱與H型鋼梁結(jié)合法；常規(guī)層可利用矩形鋼管柱連接；梁柱節(jié)點(diǎn)用隔板貫通，因節(jié)點(diǎn)所處位置有所區(qū)別，可利用不同方式固定，如焊接、插銷連接等等，此舉不但可使節(jié)點(diǎn)更加牢靠，還可為施工提供更多便利。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件方面，該建筑利用Q345B鋼材，模塊單元中的梁柱為矩形鋼管，天花板梁荷載較小，模塊柱與天花板梁截面規(guī)格基本相同，與模塊相連位置的梁截面寬度約為150mm，在模塊柱與梁柱相連之處，應(yīng)確保梁柱齊平，便于后續(xù)施工。在構(gòu)件設(shè)計(jì)方面，根據(jù)本項(xiàng)目樓板搭放要求，模塊次梁的間距應(yīng)控制在2m以內(nèi)。在模塊單元內(nèi)，柱的梁截面與柱截面相比較大，這屬于強(qiáng)梁弱柱的代表。為滿足抗震規(guī)定，在第二層模塊柱中澆筑混凝土，使軸壓比不超過(guò)0.4，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40。在首層框架柱截面內(nèi)，包含三種類型。在滿足設(shè)計(jì)荷載的情況下，對(duì)鋼框架的剛度與強(qiáng)度提出嚴(yán)格要求，梁截面為100×50×5mm到300×150×10mm之間。

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該建筑節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)地下車庫(kù)與地上建筑間的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)綜合考慮，以鋼框架、鋼框架與模塊單元、模塊單元之間的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)方法如下。

2.3.1 鋼框架間的節(jié)點(diǎn)。重點(diǎn)對(duì)車庫(kù)與地上建筑間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，可利用特制鉚釘與螺栓拉桿相連的方式，確保地上與地下首層鋼框架間節(jié)點(diǎn)性質(zhì)，如剛度、強(qiáng)度等，由此增強(qiáng)抗震、抗災(zāi)的效能。此類構(gòu)造形式科學(xué)可行，但施工難度較大，可采用組合連接節(jié)點(diǎn)的方式，使節(jié)點(diǎn)剛度、強(qiáng)度與設(shè)計(jì)要求充分符合。

2.3.2 鋼框架與模塊間的節(jié)點(diǎn)。該項(xiàng)目的地上建筑中，首層與地下車庫(kù)之間的節(jié)點(diǎn)要求擁有較大的強(qiáng)度與剛度。在首層鋼框架頂部，應(yīng)搭放模塊單元。在連接節(jié)點(diǎn)過(guò)程中，可通過(guò)插銷方式完成，操作方法為：在頂部模塊連接中，利用插銷方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)固定，利用十字肋板對(duì)梁截面、模板銜接之處進(jìn)行焊接，可使節(jié)點(diǎn)性能得以強(qiáng)化、將鋼框架與模板相連，這一節(jié)點(diǎn)可使建筑更加穩(wěn)固牢靠，避免局部節(jié)點(diǎn)連接錯(cuò)誤等問(wèn)題產(chǎn)生[2]。

2.3.3 模塊間的節(jié)點(diǎn)。在模塊間連接時(shí)，與上兩種節(jié)點(diǎn)相比，模塊連接較為簡(jiǎn)單，且不同模塊的連接方式有所區(qū)別，多為模塊建筑企業(yè)提供的專用節(jié)點(diǎn)形式。通常情況下，專用節(jié)點(diǎn)利用插銷連接、螺栓拉桿連接法，可使模塊間角位置的節(jié)點(diǎn)性能增強(qiáng)。連接結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、形式科學(xué)簡(jiǎn)易、施工較為簡(jiǎn)便，在模塊間連接中廣泛應(yīng)用。

在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)完畢后，還應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目情況與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。利用ANSYS軟件創(chuàng)建十字形模型，采用Beam189單元對(duì)梁、柱與短柱進(jìn)行模擬，拉桿采用Link8單元模擬。將數(shù)據(jù)輸入軟件中生成荷載與位移骨架曲線，將其與約束條件、加載形式相同的模型對(duì)比，得出模型極限荷載為86kN，與之相對(duì)的極限位移為134.2mm，簡(jiǎn)化后模型極限荷載在77kN左右，位移最大值為114.6mm，二者相差較小，且彈性位移均為50mm，在彈性區(qū)間的剛度差異不顯著，簡(jiǎn)化后的彈性剛度與實(shí)體模型剛度相比較小，為81.6%左右。主要因模型簡(jiǎn)化期間沒(méi)有將實(shí)體模型中的構(gòu)造綜合分析，且簡(jiǎn)化后忽視板件屈曲強(qiáng)度所致。

2.4 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目利用MIDAS/Gen軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中角部與大開(kāi)間仍沿用傳統(tǒng)鋼框架，底部要考慮到剛接，剩余采用模塊單元，底部采用鉸接方式，單元頂部與鋼框架均利用短梁模擬水平相連。以Q345型鋼為主材，模塊單元、框架柱等均要利用矩形方鋼管，框架梁利用焊接H型鋼。模塊單元中柱為φ200×8，根據(jù)荷載不同，在主梁位置劃分成4個(gè)截面，次梁位置劃分為φ100×6兩種截面。根據(jù)實(shí)際荷載條件不同進(jìn)行分析驗(yàn)算，其中不同構(gòu)件最大應(yīng)力比值為0.882，且許多低于0.85，基本與構(gòu)件承載力要求相符。在風(fēng)荷載影響下，結(jié)構(gòu)層間位移角為1/401，x軸位置受地震影響時(shí)，應(yīng)與抗震規(guī)定的低于1/250數(shù)值要求相符合。在彈塑性時(shí)程分析中，X軸方向?qū)娱g位移角的最大值為1/53，Y軸最大值為1/107，能夠與地震影響下低于1/50的要求相符合?？梢?jiàn)，該建筑采用的新型節(jié)點(diǎn)連接與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式更加安全、合理，可有效提取短柱的內(nèi)力，適用于連接件抗拉與抗剪承載力的校驗(yàn)。

3 多層鋼結(jié)構(gòu)建筑與傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.1 相同之處

以往鋼框架為簡(jiǎn)易的梁柱體系，但鋼結(jié)構(gòu)模塊卻是由多個(gè)框架構(gòu)成的整體，通過(guò)搭積木的方式拼成的牢固體系。雖然兩種體系看似不盡相同，但卻存在一定的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。將二層模塊等效為模塊間有1根剛性桿的方式，剛性桿彎矩用M表示，拉桿軸力分別為F1與F2，二者間的關(guān)系可用以下公式表示為：

式中，d代表的是F1與F2間的距離；M代表的是剛性桿彎矩；F1與F2均為拉桿軸力。將等效模型看成是三層框架結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件創(chuàng)建T形節(jié)點(diǎn)，將其與模型T形節(jié)點(diǎn)骨架曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者基本重合。由此可見(jiàn)，模塊結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，將其應(yīng)用到模塊建筑中可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加規(guī)范科學(xué)[3]。

3.2 異同之處

與傳統(tǒng)鋼框架相比，鋼結(jié)構(gòu)模塊的區(qū)別主要表現(xiàn)為此類建筑中的梁柱數(shù)量較多，在本文研究的建筑中，梁柱匯合位置最多有8根柱、16根梁。與以往鋼框架節(jié)點(diǎn)相比，在建筑內(nèi)部梁柱相交位置采用插銷、螺栓拉桿進(jìn)行連接。此外，以往建筑結(jié)構(gòu)中的樓板具有連續(xù)性，平面內(nèi)為剛性，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中可進(jìn)行剛性樓板假定，但是建筑樓板要事先在廠內(nèi)安裝，在建造結(jié)束后，樓板變得更為零散。但是，在模塊單元相連時(shí)，模塊梁間會(huì)采用螺栓蓋板連接的方式，樓板接縫位置也會(huì)得到有效處理，使樓板不會(huì)出現(xiàn)互相搓動(dòng)、擠壓、分離等情況，樓板更加連續(xù)可靠，在平面內(nèi)部還可看成是剛性的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也可對(duì)其進(jìn)行假定。對(duì)于相同的模塊來(lái)說(shuō)，可在天花板梁、地板梁間形成一個(gè)夾層，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間將夾層單獨(dú)分為一層，可為板層間的剛性樓板假定提供便利。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代建筑中，多層鋼結(jié)構(gòu)模塊得到廣泛應(yīng)用，此類建筑結(jié)構(gòu)不但可提高整體質(zhì)量、縮短建造時(shí)長(zhǎng)，還與綠色建筑要求充分符合。根據(jù)本文研究可知，結(jié)合建筑項(xiàng)目實(shí)際情況，采用有限元分析方式，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模塊與傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)相比，將節(jié)點(diǎn)合理簡(jiǎn)化后更易提高穩(wěn)定性，使優(yōu)化方式更加科學(xué)，層間位移角與頂點(diǎn)位移均可得到充分滿足，極大地提高了建筑實(shí)用性與安全性，推動(dòng)建筑行業(yè)穩(wěn)健長(zhǎng)久發(fā)展。