多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计分析

2022-11-08李欣俊

中国建筑金属结构 2022年10期

李欣俊

0 引言

在建筑工程实施过程中，多层钢结构模块应用范围十分广泛，由于钢结构中部比较重要的零部件数量较多，包含：钢梁、钢柱、钢桁架等，连接方式为传统的零部件焊接以及螺栓连接模式，加上连接节点数量较多，工程建设量极大，因此多层钢结构模块实际进行单元连接时，模块单元连接模式十分简单，并且不同模块连接模式各不相同，因此一般需要使用建筑企业所提供的专用节点形式。

建筑专用节点连接形式一般需要使用螺栓拉杆等方式，以此保证模块之间角度连接间的刚度和稳定性，由于专用节点连接结构普遍具有外部形式简单、稳定性强、施工简单等优势，因此该施工模式普遍适用于模块单元的连接。

1 建筑案例

本文以某商业建筑作为实际案例，通过设计人员详细分析建筑内部结构信息数据、模块建筑以及传统钢框架施工结构之间的区别，让设计人员了解多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计优势和特点，从根本上提高施工水平和层次，推进建筑行业的全面发展和进步。为此设计人员应详细分析多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计要求以及应用策略。

建筑项目属于办公公寓，其施工面积一般为3 100 m，整个建筑一共4 层，总体高度为15m，其中第一层高度为1.5m，其他楼层为3.3m，所以建筑工程需要使用多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构体系。

2 钢框架施工特点

钢框架在施工过程中，主要应用于大型且简单的施工结构，比如：车库、农业建筑工程以及高层商用建筑。

2.1 施工强度

由于钢框架在基础建设环节上，其内部零部件比木质材料或者混凝土材料重量更轻，结构强度更高，其中基础钢框结构承重相比木结构，建筑质量至少轻30%～50%左右，并且钢框结构相比传统框架更坚固、更耐用。

2.2 制造简单

钢框架复合建筑实施过程中，钢材质螺栓生产过程中，尺寸参数种类较多，能够按照订单设计实际情况进行生产和制造，此种施工现状意味着此种施工模式能够定制出不同建筑类型、尺寸大小的建筑荷载。

2.3 耐火性

由于现代化钢框架施工结构具有极高的防火性能，能够减少建筑物产生的火灾风险，能够在火灾产生时阻止火势蔓延。

2.4 耐潮性

钢框架在实施环节上，具有良好的防潮应用性能，其性能取决于钢材质基础碳物质基础含量，为了保证钢框架施工效果和质量水平，需要使用可以防锈的热量锌镀层，以此保证钢结构零部件不会受到水资源的腐蚀和影响。

3 多层钢结构施工要点

3.1 工厂制作

多层钢结构施工过程中，应经过厂家生产和制作两个阶段，完成施工现场和安装，要保证多层钢结构施工顺利开展，实际开展钢结构模块与钢框架复合建筑设计以及工程制作时应对钢结构制作以及安装生产能力进行详细的考察，对于增强多层钢结构施工质量和发展进程具有重要意义。针对此种现状，多层钢结构施工需要针对工厂生产和制作各个流程与环节开展合理的方案设计，如：核心零部件加工技术方式、零部件生产工艺、加工流程以及生产工艺设备等。

3.2 钢结构预制

首先钢结构生产和H 型钢焊接完成之后，应按照钢结构安装流程和工艺需求在钢平台上进行钢结构预制和结构安装，以此确保钢结构焊接和制作质量水平。其中钢材拼接间距和腹板连接缝隙焊接间距应大于200 mm，而钢结构双翼边缘板材拼接长度则不能小于板材宽度的2 倍左右。

为了板材安装便捷，确保板材安装安全性，板材进行结构焊接时，应尽可能确保焊接质量水平，并且在板材上将立柱、横梁上的强化钢筋结构板、连接结构板以及衡量等结构按照施工图纸和方案设计进行小组对比与结构焊接。

在钢平台上预制生产的钢结构零部件除了需要按照施工图纸和设计规范以外，还需要充分考虑施工现场安装工艺性和零部件尺寸变化。

4 多层钢结构模块与钢框架复合建筑设计方案

4.1 结构体系选择

多层钢结构模块在实际生产过程中，各个单元需要在工厂内进行加工和制作，经过道路运输之后，在施工现场进行结构安装，根据我国对于大型钢结构建筑运输规定和安装水平要求，模块单元安装宽度通常为2.5～3.5 m 左右，并且安装高度不超过4.2m。对于建筑工程应用来说，该工程在首层建筑需要设置模块展示区域、商业经营区域等，整体建筑高度为5.4 m，而建筑工程2 层应设定通往西侧建筑的连通桥梁，所以该工程不能使用模块管理结构体系。

根据建筑工程项目建筑实际情况，确定房屋建筑施工结构体系为钢结构施工和管理模块，符合建筑结构设计要求。其中建筑工程第一层以及局部位置的第二层结构一般为传统钢结构施工模式，而其他施工结构一般为多层钢结构施工。

4.2 首层钢框架结构

在建筑工程实施过程中。第一层的建筑内部结构通常需要使用矩形的钢管结构、立桩性钢管结构以及H 型钢管结构所构成的钢材质框架结构，因此钢结构横梁立柱连接节点需要利用隔板式的贯通式方案设计，有效保证隔板将立柱结构进行分割，而横梁立柱连接需要使用栓焊混接施工技术，基础受力性能较高，并且安装十分便利，能够符合现代化施工基础需求。

4.3 结构件方案设计

由于本建筑项目使用型号为Q345B 钢材，因此根据建筑工程各个楼板之间的安装需求，确保横梁间距均小于2 m。而模块单元设计时，交汇立柱的横梁横截面相比普通横截面大，所以此种设计模式属于强梁弱立柱等结构体系。为了满足建筑基础抗震方案设计文件标准规定，工程项目实际开展第二层混凝土材料浇筑时，需要尽可能降低中轴压力参数，确保其压力参数控制在0.4。

根据方案设计和基础荷载条件进行详细分析，由于施工结构件强度与刚度具有显著特点，模块单元横梁与模块立柱相连的横截面宽度为150 mm，以此保证横梁立柱外部连接面具有基础的整齐性，以此方便模块建筑能够在现场施工。

4.4 结构连接设计

4.4.1 单元模块连接点设计

由于多层钢结构模块与钢框架复合建筑各个模块之间的连接需要使用建筑模式专用的节点施工形式，加上该节点使用螺栓拉杆连接以及特殊铆钉连接等相结合的设计模式，能够从根本上保证各个模块之间的角度连接点的结构强度和刚度。同时该节点结构体系将模块单元结构有效分离，确保其结构连接成一个整体结构体系，所以单元模块连接点应使用在多层钢结构模块施工环节上。

4.4.2 钢框架与模块单元连接点设计

建筑工程实施过程中，首层钢结构外部框架施工时应根据实际施工条件和要求安装各个施工模块，并且利用建筑隔板结构联通各个模块节点，积极改造上层隔板结构。其中上层隔板的其中一个区域需要安装一块垫块，钢柱施工部分需要使用焊接板材进行工程连接，以此不断强化节点施工区域，防止腹板局部失稳。

4.5 模型建立

4.5.1 结构参数计算

在模型建立环节上，其参数计算应根据抗压参数和地质资料，将抗震程度设定为8°，而基础地震加速度设定为0.2g，地震小组划分为第一组，丙类建筑模式，建筑工程基础风压为0.55kN/m，建筑工程地面粗糙程度为B类，工程抗震等级为3级。如表1 所示，钢材强度参数计算。

表1 钢材强度参数计算

4.5.2 节点简化模型

为了保证建筑工程施工效果和质量水平，模块连接节点的简化需要实现力量传输与实际节点结构相互结合，考虑到建筑工程上、下模块之间零部件对模块立柱的约束性，模型参数的设定中，模型模块立柱以及横梁连接位置点至上、下模块之间节点需要使用刚性短杆进一步表示。其中上、下管理模块立柱节点需要使用铰链进行结构连接，并且铰链连接节点之间应保证自由度耦合，而此种连接模式致使立柱之间的铰链与拉杆能够在上、下模块之间传输弯矩，以此达到刚接效果。

4.5.3 模块连接节点合理性设计

在模型建立环节上，需要使用ANSYS 有限元软件设置建筑工程项目，有效简化十字形节点信息数据模型，在内部模型中横梁、立柱等环节需要利用Beam189 进行单元模拟操作，有效绘制出模型内部曲线结构，最终将内部模型尺寸数据、约束条件以及数据荷载方式等方面均相同的参数模型骨架曲线进行详细对比，最终得到实体参数模型的极限荷载参数为86kN，相对应的极限位移距离为134 m。经过技术优化的信息模型极限荷载参数为77kN，所对应的极限位移参数为114m，由此可见，两个参数之间相差不大。

简化模型所产生的弹性刚度明显小于实体模型参数的弹性刚度，深入探索其主要原因，由于简化信息模型中没有充分考虑实体模型的内部结构，并且简化模型在实际建设环节上不能充分考虑板材屈伸后的结构强度。由于方案设计中对于材料的要求较高，其参数设定具备一定弹性，因此此种简化模型对于方案设计来说能够进一步接受，由此可见，简化模型处理具有一定合理性。

4.6 计算结果分析

4.6.1 计算周期

由特点数值进行详细分析，最终得到建筑工程结构属于12阶频率分布，其中前3 阶所产生的振动频率还较低，而4～12阶振动频率变化速度较快，所以从总体来说，参数自振频率产生比较密集，除了产生局部振动以外，其他振动均属于整体振动。由此可见，多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构刚度分布相对比较合理，使用模块建筑自身具备一定整体性，所以详细对比模块建筑内部结构中的参数计算，最终发现建筑模块角部的安装有效提升建筑周围刚度参数，有效防止建筑内部结构产生明显扭转。

4.6.2 定点位移

详细查看核定荷载参数可知，目前多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构所产生的最大位移位置一般在建筑工程的顶层位置，其中在标准工作状态和组合下，建筑工程结构顶点参数最大位移数据为4.5 mm，能够进一步满足顶点标准参数需求。

4.6.3 楼层位移角度占比

详细察看建筑工程实施过程中，其风量荷载与地震作用工作状况下，各个结构层之间位移角度与占比计算结果可知，建筑工程使用多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构时，最大建筑层间位移角度主要在地震作用下2 层高度，以此满足建筑工程抗规中对钢框架层间位移角度的极限参数要求，而最大位移占比为1.34，进一步满足钢材标准施工位移比例参数需求，同时参数均小于1.2。

4.6.4 钢构件钢材量设定

在钢结构件材料参数设定环节上，其结构零部件应力参数比例需小于1，并且大多数在0.85 以下，所产生的最大应力比例为0.87。钢筋混凝土结构件应力比例均小于1，并且大多数应力参数均在0.85 以下，最大应力参数为0.95。经过一系列参数计算和设定，建筑内部结构总体钢材适用数量为210 000kg，平均每平方米钢材使用数量为85kg/m。在建筑工程实施过程中，虽然钢材材料使用数量和范围明显大于传统的钢材质框架施工结构，但是现代化流水线施工作业以及建设过程中绿色、环保等技术优势可以有效解决传统钢材基础使用总量等缺点和问题。特别在现阶段钢材使用较低大环境下，该施工模式能够通过对模块建筑开展方案完善和优化设计，达到减少钢材使用数量的最终目的。

4.6.5 弹性时程参数分析

根据建筑抗压标准文件中标准规定，建筑结构在方案设计上，项目建设环节上还需要充分结合地震环境作用下内部应力以及形变参数的详细分析和深度探索，以此保证房屋建筑内部结构和零部件始终处于基础的弹性工作与运作模式，所以专业技术人员实际开展弹性参数分析与计算式，应使用有限元件的MIDAS/Gen821 系统，针对信息模型管理地震背景与环境下，将弹性参数和数据分析模式作为技术补充分析，从而选择ElCentro 参数模型，并且设定最大加速度为0.07g。而在此种模型参数作用下，最大层间位移角度一般在建筑高度的2 层，确保其最大定点位移参数发生在X 向，进而满足钢框架施工需求。

4.7 钢框架与传统框架对比

4.7.1 相同

其中无论是传统钢结构施工框架，还是目前多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构，都需要利用钢材自身施工特点开展方案设计，加上两种建筑结构都需要使用可拆卸的钢结构零部件，所以此种施工模式对于建筑钢结构品质需求相对较高，对于质量监督管理工作的核心要求同样较高。

4.7.2 区别

多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构实施过程中，此种施工模式需要在传统钢框架施工模式的基础条件上开展建筑方案设计和施工，随后结合全新建筑技术研发出新型建筑施工方案，最终有效规划出施工结果。现阶段多层钢材施工结构以及建筑模块与传统施工模块相比较，具有的明显区别与不同是使用预制式施工技术手段，针对此现状，技术人员实际进行方案设计时，应提前规划方案设计并且针对建筑工程项目建设和施工进行信息模拟，长此以往，多层钢结构模块不仅可以有效增强自身工作效果，一定程度上还可以增加钢结构建筑质量和效果。除此之外，多层钢结构模块相对于钢框架施工结构来说，在节点设计方面更加复杂、多变，因此设计者需重视相关节点设计工作。