多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与研究

2018-12-10张百振

科技创新与应用 2018年30期

关键词：模块

张百振

摘要：模块化建筑是实现工业化的一种新兴建筑结构形式。针对钢结构的模块-框架复合建筑结构，简述拟建的一栋多层钢结构模块与钢框架复合建筑的工程情况，对郑州市某拟建公寓进行模块尺寸和施工要求对拟建的多层钢结构模块与钢框架复合建筑进行结构体系构建，并对其构件和节点等进行设计。在结构体系构建中，发现由于构建和节点较多，受力效果不理想。文章以多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构入手，通过分析其结构体系、构建和节点，对其结构进行设计和研究，以期为多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计提供参考性建议。

关键词：多层钢结构；模块；钢框架；复合建筑设计

中图分类号：TU391 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0093-02

Abstract： Modular architecture is a new structural form of building to realize industrialization. In view of the modular frame composite building structure of steel structure， this paper briefly describes the engineering situation of a multistory steel structure module and steel frame composite building to be built. The module size and construction requirements of a proposed apartment building in Zhengzhou the structural system of the proposed multi-storey steel structure module and steel frame composite building is constructed and its components and joints are designed. In the construction of structural system， it is found that the stress effect is not ideal because of more construction and joints. This paper starts with the multi-story steel structure module and the steel frame compound building structure， through the analysis of its structure system， the construction and the joint， carries on the design and the research to its structure， in order to provide a reference for the design of multi-storey steel structure module and steel frame composite building structure.

Keywords： multistory steel structure； module； steel frame； composite building design

1 工程概況

郑州市拟建的某公寓楼总建筑面积1865.9m2，建筑层数为6层，建筑高度16.5m，均为标准层，层高为2.8m，设有地下停车场，高3.6m，属于多层建筑，是钢结构模块与钢框架复合结构体系结构形式。

2 结构体系的设计

对郑州市某拟建公寓楼的结构体系设计分为两方面，在该公寓楼建筑中，考虑到地下停车场空间较大，建筑高度有3.6m，且独栋公寓楼六层设计相同，因此，最终选定对楼层设计为结构体系为钢结构模块与钢框架复合结构体系；对地下车库设计为传统钢框架结构。在对该公寓结构体系进行设计的过程中，需要考虑两个方面，一是钢结构模块尺寸设计；二是钢框架结构设计。

2.1 钢结构模块尺寸设计

根据国家相关道路运输大型建材规定以及考虑到对拟建公寓楼具体施工要求，对模块单元的长度、高度进行相关限制，模块单元的宽度一般为2m-3m，高度为3m-4m。

2.2 钢框架设计

由于该公寓楼钢框架分为地面建筑和地下车库，因此钢框架设计选择上也相应分为两个部分。在对地下车库进行设计时，采用矩形钢管柱和H型钢梁组合而成的复合钢框架结构；在对地面建筑进行设计时，仅需要在首层选择矩形钢管柱和H型钢梁。

通过模拟发现，采用钢结构模块和地下一层、首层钢框架结构，受力性能较强，复合该公寓具体条件，工程难度较小，复合模块建筑高效施工的要求。

3 构件设计

在针对该公寓楼施工中，地下车库采用的钢材为Q345B钢，地面建筑采用的钢材均为Q235B钢。根据公寓楼的具体要求，在组合模块时，模块次梁间距小于1m；在模块单元中，为保证建筑的抗震能力，柱截面要大，汇交于柱的梁截面要较小，柱截面要大，是一种强柱弱梁体系，根据设计荷载条件下对构件强度与刚度的要求，模块单元梁截面为口80×50×5，柱截面为口100×60×10。通过对构件进行设计，满足该公寓西式风格的要求，方便模块单元建筑现场施工。

4 节点设计

在针对该公寓楼的节点设计时，主要考虑地下车库与地面建筑的节点设计和地面建筑之间的节点设计，钢框架之间的连接节点、钢框架与模块单元之间的连接节点、模块单元之间的连接节点三种情况。

4.1 钢框架之间的连接节点

考虑到地下车库与地面建筑的节点设计，具体做法是采用特制铆钉和螺栓拉杆连接组合连接节点的方式，保证地下车库与地面首层钢框架连接节点的强度与刚度，加强抗震、抗灾能力。该构造形式较为合理，施工难度较大，但由于通过组合连接节点，有效保证连接节点的刚度和强度，符合刚性节点的要求。

4.2 钢框架与模块单元之间的连接节点

在该公寓的地面建筑中，首层钢框架部分与地下车库钢框架部分采取强度和刚度较大的节点；在首层钢框架顶部，需要搭放模块单元。在采取连接节点时，通常采取插销连接方式，具体做法是：在进行顶部模块连接时，采取插销连接，对节点连接部分进行固定；在梁截面部分与模板连接处采取十字肋板焊接连接，进行节点加强工作。通过钢框架与末班单元之间的连接节点，有效提高公寓的稳定性，防止建筑局部出现节点连接不当的问题。

4.3 模块单元之间的连接节点

在进行模块单元之间的连接时，由于模块单元的连接较为简单，且不同大小的模块连接不同，通常采用该模块建筑公司提供的专用节点形式。一般来说，专用节点连接形式都采用插销连接、螺栓拉杆连接等组合方式，确保了模块间角部连接节点的强度与刚度。专用节点连接结构具有形式简单、合理，有效性强、稳定，便于施工等优点，普遍适用于模块单元的结构连接工作中，适用于该公寓地面六层建筑的模块连接。

5 多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构的对比

传统的钢框架结构是简单的梁柱连接体系，通过简单的连接手段将钢框架进行节点连接，由于个体较大，导致刚度和强度都较低，稳定性较差，施工难度大；而多层钢结构模块与钢框架复合结构由钢结构模块与钢框架组成的一个整体，能有效分离和组合，具有形式简单，刚度和强度都有提升，稳定性强，施工难度小，适合多种施工条件下进行施工的优点。多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构最大的区别在于多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构是一种多梁多柱体系，传统钢框架的节点连接形式主要是铰接；在多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构中，节点连接形式主要有插销连接、螺栓拉杆连接及组合连接的方式。多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构在进行模块单元节点连接时，除了对模块单元之间进行节点连接，还会针对楼板接缝处的局部不严实进行处理工作，保证楼边的稳定性，保证多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构建筑楼板的连续性。

6 结束语

本文对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构的构件、节点等进行分析研究，通过将多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构进行对比，并进行了有限元计算和分析，得到以下结论：

（1）对于多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构建筑，综合模块尺寸和建筑要求等多方面因素，对根据模块尺寸以及建筑功能等方面的要求，最终选定结构体系为多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构。

（2）在设计过程中，针对施工要求，对钢结构模块和钢框架进行选择，并在选择的基础上对构件和节点进行合理设计，为施工提供保障。

（3）通过对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构模型进行模拟，证明将节点优化，能有效提高其稳定性，优化方式合理。

（4）将多层钢结構模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构进行对比，证明多层钢结构模块与钢框架符合建筑结构具有优势。

（5）根据《建筑抗震设计规范》的要求，对结构进行了性能检测，得到的层间位移角和顶点位移均满足要求。

参考文献：

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