新型多高层钢结构箱式模块建筑的设计

谭晓龙

摘 要：箱式模块建筑以自动化程度高及优势突出等，受到青睐，但传统模块建筑一般使用方钢管柱，不易进行连接，所以，提出型钢模块建筑体系用作模块梁柱，能够更轻松地使用螺栓连连接模块。主要分析了新型多高层钢结构箱式模块建筑的设计，期望其更好服务相关实践工作，同时也希望本次研究具有一定的指导意义。

关键词：多高层；钢结构；箱式模块；建筑

模块建筑属于一种预制装配式建筑，具有非常高的工业化程度，这和建筑业技术进步趋势是相符的，现阶段模块建筑以低层与多层建筑中应用较广。

1 新型多高层钢结构箱式模块建筑体系的组成

模块箱体由于承载力对其进行约束，一般现有模块体系被使用到多层建筑中。为使模块建筑有更宽广的使用范围，通过冷弯厚壁槽形截面钢的使用，把其用作型钢模块建筑体系，先冷弯加工钢板，形成截面形式，使开口截面作为受力构件之一，可以很轻松地使用强度较高的螺栓进行连接，临近模块单元中的梁与柱经过组合，形成截面，让构件获得较高承载力，继而把箱式模块建筑应用于旅馆、住宅等多高层建筑当中。

对原建筑平面，建筑楼层高3 m。为让设计更易进行，着重来分析模块特点，在探索性设计中，为考虑平面内3个阳台。楼梯没采用钢框架，层数目逐步增加同时，考虑到受力情况，可实施布置支撑，先进行拆分，划分居住区为各模块单元。

1.1 新型多高层钢结构箱式模块单元及模块结构布置方案

为让结构获得综合性较高的z向侧向刚度，将支撑设置于模块1、2、5、6中的外立面窗问墙中，因为空间不大，支撑布置形状为K形。相邻模块在拼接过程中，于柱中间进行连接，生成x形支撑。在模块结构设置上，为获得最好的结构布置，且更好地进行制造与安装，模块柱布置间距有下述两种选取方案，一种是方案a，也即选取1 200 mm，另一种是方案b，也即选取2 400 mm。且两种方案的使用，用以对6、8、10及21层等的结构作出分析，同时比较钢材损耗量。

1.2 设计参数与结构模型

调整结构设计荷载中恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用等其中，风荷载中基本风压与雪荷载中基本雪压分别为0.55 kN.m-2、0.35 kN.m-2。对地震作用，在设计中，抗震烈度与基本地震加速度分别为7度、0.1g，设计地震分组第1组。从上述计算来看，模块顶梁、顶层模块顶梁分别取C12 cmx 0.6 cm×0.06 cm、C12 cm x11 cm x0.12cm。构件截面全部符合截面宽厚比的具体要求。

1.3 组合柱分析模型及组合梁的分析模型

对模块单元中的C形柱而言，背靠背在腹板位置使用螺栓来连接。对模块单元C形梁而言，上梁、下梁于翼缘中间使用螺栓来连接，左梁、右梁于腹板位置使用螺栓来连接，生成组合构件。这种强度较高的螺栓连接而成的组合构件，通过下述三种方案实施简化模拟：①使用弹性连接中的刚性将功能耦合节点连接起来；②使用桁架单元对组合构件实施模拟；③使用刚度无穷大的梁单元对高强度螺栓实施模拟。

为让模块连接不至于复杂化，将临近的模块墙柱、墙柱与钢框架柱拼接起来，使用强度较高的高强度螺栓。在具体安装过程中，将5～10 mm厚垫板设置在组合柱分肢当中用以调节模块在拼装过程中产生的误差。取系杆长10 mm，主要是为了更方便构建柱模型，且能对垫板厚度进行模拟。另外，对组合梁的分析模型，组合梁的分析模型采用系杆模拟拼接所用的强度较高的螺栓，选取系杆长10 mm。

1.4 设计结果分析

对本研究中结构进行分析及计算过程中，使用了有限元软件MIDAS/Gen。对由6层结构至15层结构做出分析，使用了第一种方案中的结构模型。结构设计满足具体的应力比、位移比及宽厚比等的需求。经过结构计算，获得地震响应与风载响应，等一些参数，同时做出对比。地震作用产生的位移结果全部符合特定的1/250层间位移角限值要求。除了6层方案B的自振周期顺序为y向平动、x向平动扭转，其他一些模型中自振周期的顺序全部是X轴及y轴分别平动、平动、，此外自振周期还顺序扭转，全部满足规范下的周期比要求。

1.5 用钢量分析

相较之下，方案b产生的应力比图形比较饱满，使用相對较少的钢量。当低层数条件下，方案b更容易节省成本，而层数逐步增加同时，承受更为突出的风荷载作用，方案b的经济性必然会遭受影响。建筑物高度逐步增加同时，风荷载产生更为明显的作用，无疑让柱子的轴力更大，且使得梁内力变大，所以，单位面积钢材耗损量无疑增加。

2 结语

本次研究中将厚壁冷弯型钢用作结构骨架，和使用冷弯薄壁型钢比起来，具有更高的承载力，更多地应用于高层建筑当中；模块建筑运用了矩形钢管，与之相比，让模块单元之间便于连接。该次研究给出的模块建筑方案能够用作超过6层的钢结构建筑，建筑达到了使用标准要求，结构设计指标均满足当前规范需求，钢材使用量均未超出范围；如果层数多，建筑高度也在逐步增加，如果建筑通常受风荷载影响，这种体系花费的成本会增加。该结构适合的最大建筑层数是15层；在层数较少条件下，柱距的增加会让结构获得良好的受力性，极大凸显构件的承载力，且结构不会花费太高成本；C形槽钢组合柱承受载荷，也需在相连螺栓协助下来对竖向变形实施传递，传递距离也即为螺栓长，为此，选取10 mm长的梁单元对实际情况做出模拟，以满足要求；槽形钢组合截面梁在模拟过程中，能够使用空腹析架模型，从计算情况看，因为空腹析架模型的应用，其得到了槽形钢组合截面梁，相比有限元分析值，其等效刚度与之较为接近。最终希望借助本次设计旨在更好地服务新型多高层钢结构箱式模块建筑研究及实践工作。

参考文献：

[1]杨晓杰，陆烨，顾超，等.新型多高层钢结构箱式模块建筑的设计[J].建筑钢结构进展，2016，18（5）：41-47，72.