模块化集成轻钢框架结构体系设计方法研究

2017-05-18章一萍涂远德唐丽娜

四川建筑 2017年2期

关键词：轻钢框架结构模块化

章一萍，周练，隗萍，涂远德，唐丽娜

(四川省建筑设计研究院、四川省建筑工业化工程技术研究中心，四川成都 610000)

模块化集成轻钢框架结构体系设计方法研究

章一萍，周练，隗萍，涂远德，唐丽娜

(四川省建筑设计研究院、四川省建筑工业化工程技术研究中心，四川成都 610000)

文章以“模块化集成轻钢框架结构体系”为研究对象，分析其设计要点，对保证结构竖向和水平整体工作性能两大关键技术难题进行了攻关，提出相应的简易设计方法：为了保证体系的整体工作性能，各“轻钢框架结构模块”间应设置水平和竖向连接，连接可仅设置在“轻钢框架结构模块”中的框架柱端位置；在连接安全可靠的前提下，“模块化集成轻钢框架结构体系”的结构设计采用传统的普通钢框架结构设计理论和方法，且其水平整体工作性能可等同于刚性楼板。

模块化集成；轻钢框架结构体系；轻钢框架结构模块；整体工作性能

在“以绿色建筑为宗旨，大力发展装配式建筑，逐步实现建筑工业化、住宅产业化”行业背景下，在急需化解钢铁产能过剩的市场迫切需求下，国发〔2016〕6号《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》[1]、川府发〔2016〕12号《关于推进建筑产业现代化发展的指导意见》[2]等从中央到地方的政府系列文件中都提出“与建筑产业现代化相结合，扩大钢结构应用领域，将传统钢结构进行改进升级，大力推广新型钢结构住宅的开发和应用，实现新型钢结构住宅产品标准化、工业化、系列化”的要求。

本文以“模块化集成轻钢框架结构体系”为研究对象，分析其设计要点，对其竖向整体工作性能、水平整体工作性能两大关键技术难题进行了研究分析，提出相应的简易设计方法。

1 模块化集成轻钢框架结构体系

“模块化集成轻钢框架结构体系”是指“轻钢框架结构模块”通过科学、合理的平立面组合，现场快速装配连接、集成为整体的结构体系。采用该结构体系，通常将建筑户型划分为多个具有独立完备的建筑功能的空间单元，每个建筑功能空间单元的主体结构采用轻型钢框架结构体系，即形成“轻钢框架结构模块”，“轻钢框架结构模块”与维护体系和装修可在工厂一体化生产成型，再运输至施工现场进行组合、快速装配连接、集成为整体(图1)。

图1 轻钢框架模块组合集成示意[3]

“模块化集成轻钢框架结构体系”同传统钢框架结构一致，由框架梁柱承重，维护墙体仅作为附属构件，相对于“冷弯薄壁型钢龙骨体系”具有传力路径明确、构件主次分明、结构构件和连接构造数量少、建筑门窗洞口布置不影响结构力学性能等优势[4]。结构模块内部设计同传统钢框架结构一致，可直接采用我国现行的钢结构设计理论和设计方法[5]，具有MIDAS等多种成熟的配套设计软件。但是“模块化集成轻钢框架结构体系”与传统的钢框架结构体系设计最大的不同之处在于：如何保证“轻钢框架结构模块”间竖向、水平的整体工作性能。为了保证“模块化集成轻钢框架结构体系”的整体工作性能，设计时应在“轻钢框架结构模块”上下之间、水平之间设置可靠连接，设置连接位置和数量则成为一待解决的关键技术难题。

2 竖向整体工作性能研究

为了保证“轻钢框架结构模块”内部简明的传力路径、模块装配连接最简化，本文初步设定“轻钢框架结构模块”之间竖向连接仅设置在上下结构模块的框架柱位置处。为了验证以上连接方法的可靠性，本文基于一典型的轻钢低层建筑模块化集成户型(平面布置见图2，层高3 m)，分别在Midas/Gen结构分析软件中采用传统钢框架模型A与轻钢框架模块结构模型B进行对比分析(图3、图4)。其中，两模型具有相同的外荷载、边界条件(底层柱脚采用刚接)、构件截面(根据实际工程荷载初步设计确定)；采用梁单元模拟框架梁、柱以及连接，采用厚板单元模拟楼板，厚板单元通过4个节点与梁单元连接。模型B上下结构模块之间仅在框架柱位置处采用与框架柱同截面的短柱连接，模型A中框架梁截面为模型B中框架梁截面之和。

(a) 一层平面布置

(b) 二层平面布置图2 典型的模块化集成户型

图3 传统钢框架结构模型A

图4 结构模型B

两模型的前三阶自振特性、构件内力、位移对比详见图5～图10，可得：(1)两模型的自振模态和自振周期基本一致，周期相差在5 %以内；(2)两模型的内力分布基本一致，但模型B存在小短柱导致局部构件应力集中现象，最大应力值比模型A大约10 %，而构件设计时为了安全起见，应力比往往控制在0.9左右，因此，10 %的差值处于构件设计可调控范围；(3)两模型的竖向位移和水平位移分布基本一致，最大位移数值相差在5 %左右。

综上，竖向连接仅设置在结构模块框架柱对应位置可保证“模块化集成轻钢框架结构体系”竖向整体工作性能；当各“轻钢框架结构模块”竖向连接安全可靠时，可将“模块化集成轻钢框架结构体系”竖向简化了传统普通钢框架结构体系，采用现有成熟的钢结构设计软件进行竖向整体性力学性能设计。

图5 模型A第一阶振动模态(T1=1.02s)

图6 模型B第一阶振动模态(T1=0.98s)

图7 模型A构件内力分布(最大值183.67MPa)

图8 模型B构件内力分布(最大值204.15MPa)

图9 模型A水平位移分布(最大值9.45mm)

3 水平整体工作性能研究

初步假定“轻钢框架结构模块”之间的水平连接仅发生在结构模块上下柱端。同理，基于图2户型，在Midas/Gen建立三有限元模型进行对比分析，模型如图11～图13所示，结构布置参数详见表1，水平连接采用同框架梁等截面的短梁连接。

表1 三模型结构参数

图11 模型A

图12 模型B

图13 模型C

对比自振特性(图14～图16)，可得：模型A与模型B的自振模态和自振周期基本一致，均呈现第一二阶整体平动，第三阶整体绕Z轴扭转，而模型C前三阶振型均呈现局部模块的振动，且各阶自振周期远大于模型A和模型B。对比水平位移(图17～图19)，可得：模型A与模型B水平位移分布和数值基本一致，在外部水平荷载作用下均呈现整体的平动，而模型C的最大水平位移是模型A和模型B的2倍以上，且呈现在外部水平荷载作用下局部模块平。除此之外，三模型的内力以及竖向位移分布和数值大小基本一致。