多层钢结构模块与钢框架复合建筑的结构设计

2023-10-09李艳爱

工程建设与设计 2023年17期

李艳爱

（山西元工电力工程设计有限公司，太原 030000）

1 引言

近年来，多层钢框架结构应用范围不断拓展，而多层钢结构中有很多重要构件，如钢桁架、钢梁、钢柱等环节，连接方式是以螺栓连接、传统焊接为主，且连接节点数量趋于多样化，工作人员每天需要完成较大工程量。同时，钢结构在不同模块单元连接时，由于模块单元连接方法过于简单，且不同大小的模块连接方法存在严重差异性，工作人员通常采用专用节点形式进行连接。在正常情况下，专用节点连接方式采用螺栓拉杆连接和插销连接方式，从而保证模块间角部连接节点的刚度能达到行业要求。基于此，本文以一栋多层钢结构模块建筑为主要研究对象，根据建筑要求和模块尺寸数据，来选择结构体系类型，提出钢框架复合结构体系和钢结构模块，合理设计所采用的构件和节点。同时，将模块建筑和传统钢框架结构进行对比后，合理应用传统钢结构设计方法，来提高建筑物整体稳定性。另外，通过利用有限元软件构建分析模型，计算在不同情况下建筑物的实际数据，并将实际数据和行业标准进行对比，确保建筑物每个指标都能满足行业规范要求[1]。

2 工程概述

某办公楼项目坐落在天津市滨海新区，西侧是中央大道旅游区，南面距离航海道2.5 km，办公楼总面积为2 536.2 m2，建筑层数为3 层，高度16.4 m，首层高度在5.4 m，标准层高度3.9 m。目前，工作人员未设计地下空间，是现代最常见的多层建筑，整体结构是由钢框架复合结构体系和钢结构模块体系组成[2]。

3 结构体系与构件、节点设计

3.1 结构体系选择

钢结构属于建筑工程中最常见的结构之一，主要分为钢板和型钢，主要有钢桁架、钢柱、钢梁等构件，这些构件通常采用焊缝、螺栓、铆钉等连接方式进行拼装，形成完整的钢结构。钢结构在绿色施工方面的优势主要体现在如下方面：首先，相比于传统混凝土结构，钢结构具有明显的实用性和绿色环保性。其抗震性能要远高于混凝土结构，当出现严重地震灾害时，由于钢结构自身承重较轻，强度指标较高，能有效缓解变形破坏程度和振动位移程度，提高建筑结构的安全性。其次，由于钢结构建筑自重较轻，其通常是以冷弯薄壁构造体系为主体，融合冷轧镀锌防腐措施，能有效避免建筑结构受到锈蚀因素影响。

通过上述分析发现，钢结构具有较好的耐久性、抗震性、抗风性等，虽然也存在很多方面的问题，但可通过利用现有技术进行解决，能充分发挥钢结构的综合性能。基于本文办公楼钢结构模块尺寸要求，钢结构模块单元要在工厂内进行加工，运输到施工现场，再让工作人员在现场进行吊装安装，严格遵循行业吊装标准。模块单元宽度为2.5 m，高度低于4.2 m。根据建筑功能要求，工作人员要将办公楼首层设置咖啡厅、模块展示区等空间，建筑高度为5.4 m，在第二层设置通往西侧工厂的天桥，所以不能全部使用纯模块体系。通过上述分析确定结构体系是复合结构体系，前3 层为传统钢框架结构，其他环节采用钢结构模块单元。

3.2 模块单元类型

钢结构模块单元总体是以钢框架结构，具体分为角部加强模块单元、普通模块单元、支撑模块单元、中柱模块单元等。普通模块单元被设置在办公室区域中；中柱模块单元是在普通模块单元基础上安装中柱，确保横向模块和中柱能相互通畅，有利于工作人员控制钢结构模块进行多点位连接，无形中提高模块建筑的整体性。同时，钢结构在不同模块单元连接时，采用专用节点形式进行连接。在正常情况下，专用节点连接方式采用螺栓拉杆连接和插销连接方式，从而保证模块间角部连接节点的刚度能达到行业要求。同时，支撑模块单元是在模块单元中设置支撑柱，进一步提高建筑刚度。而角部加强模块单元在模块建筑某个环节，主要目的是防止角部柱子过于浅薄；模块单元不同构件都被应用大量冷弯矩形钢管和冷弯方钢管，且采用工厂内焊接方式进行连接。

3.3 首层钢框架结构

首层结构形式通常是由H 形钢梁和矩形钢管柱所形成的钢框架结构。梁柱节点一般是利用隔板贯通式节点，即是利用隔板将柱子全部断开，梁柱连接时利用栓焊混接方法进行连接，其具有较强的受力性能，有利于工作人员进行安装，完全满足模块建筑快速施工要求。

3.4 构件设计

本项目所采用的钢材型号为Q345B，严格遵循行业标准进行楼板搭设，将模块次梁间距控制在2 m 范围内。同时，在模块单元设计过程中，要保证柱梁截面超过柱截面。为满足行业抗震设计要求，工作人员要在模块柱中浇筑适量混凝土，来降低轴压比，从而提高建筑物抗震系数。首层框架柱截面有3种不同类型，根据设计荷载条件对构件强度的要求，模块梁截面有不同等级，和模块柱连接的梁截面宽度为150 mm，保证梁柱连接外立面齐平，有利于模块建筑现场进行施工[3]。

4 结构计算模型的建立

4.1 结构计算参数

根据相关部门要求，建筑企业工作人员要将办公楼抗震设防烈度为8 度，基本地震加速度为0.20g，地震分组为第一组，地类别是Ⅳ类，特征周期为0.65 s，地面粗糙度为B 类。考虑到不同方面因素，如地震荷载、恒荷载、风荷载、活荷载。

4.2 节点的简化

4.2.1 节点简化模型

在简化模块连接节点过程中，要确保传力和实际节点构造基本相同，考虑到不同模块中的构件给模块柱带来的影响，工作人员要将模型中模块柱和模块梁进行相互连接，利用刚性短杆来控制日常运动。同时，利用铰接连接方法来实现平动自由度进行耦合，让短柱间拉杆的铰能在上下模块间传输弯矩，从而达到刚接效果。

4.2.2 模块连接节点简化的合理性研究

工作人员可通过ANSYS 有限元软件建立十字形节点模型（见图1），考虑到变形作用，其可绘制荷载位移骨架曲线，将其和办公楼各方面数据进行对比，从而计算出实体模型的极限荷载和极限位移，并将其和简化模型的极限荷载进行对比，发现两者数值相差较小[4]。通过将两者弹性位置进行对比，简化模型弹性刚度要低于实体模型弹性刚度，大概是实体模型刚度的81%。主要原因是在简化模型中，并未考虑到实体模型的各种构造和板材屈曲后的强度。

图1 十字形节点ANSYS 模型

4.3 构建模型

利用有限元软件进行建模，梁柱采用梁单元为主体，来支撑上下模块间的拉杆运行，水平模块间的盖板连接利用桁架单元进行设置。

5 计算结果分析

5.1 周期与振型

通过分析特征值能得到结构前12 阶振型的频率分布图，可看出前3 阶振型频率较低，低于12 阶频率变化速度较快，自振频率过于频繁，除了第12 阶、9 阶、5 阶出现顶部局部振动外，其他环节都为整体振动，这说明整体结构刚度分布具有较强的合理性，能有效提高模块建筑的整体性。同时，通过查看前3 阶周期和振型，发现在第1 阶振型属于X 向平动，周期为0.8330 s；第2 阶振型是X 向平动，周期是0.537 7 s；第3 阶振型是扭动，周期0.508 4 s，且周期比低于0.85，能满足民用建筑钢结构技术要求[5]。

5.2 顶点位移

通过分析在不同情况下的顶点位移发现，最高位移通常出现在顶层。其中，在恒荷载和风荷载组合情况下，结构顶点最高位移是5.64 mm；恒荷载和地震作用情况下，顶点最大位移为30.24 mm。经过分析发现，上述这些位移数据都低于钢结构设计规范，能满足行业如此要求[6]。

6 多层钢结构模块施工的关键技术

6.1 资质审核

施工单位要注重检查钢结构重要施工环节的实际进度，关注构件现场吊装和拼装，严格遵循行业标准来检查工程构件安装质量。同时，在该时间段，施工企业要实时查看吊装设备执行情况，采用合理方式对其进行审核，科学控制技术流程和屋架外形，保证钢结构建筑吊装方法和施工技术能符合行业标准。上述控制内容主要目的是保证施工建筑工序能完全根据行业标准来开展相关工作。另外，在审核技术资源凭证时，工作人员要注意检查施工企业焊工资格证，保证焊接方法、焊接工艺评审报告、接头方式的科学性，避免出现错漏、遗漏等问题，有效提高钢结构施工质量。

6.2 施工方法应用

在安装钢结构阶段，首先要满足钢结构施工各项施工要求，并结合现场施工实际情况，来建立健全的施工管理机制，保证各项施工操作能满足行业要求，并确保工程能在规定时间内竣工。同时，在安装钢结构过程中要注重提高建筑安全性和空间稳定性。在正式安装前要做好相关准备工作，如施工场地清理、机具吊装准备工作、运输道路修建、运输构件就位等工作。其次，在钢结构工程施工中要测量钢结构各方面数据，其数据准确性和工程质量有直接联系，且在钢结构测量中要重复测量土建工程工序交接点，保证钢柱在安装前的垂直度标准，从而合理控制沉降观测[7]。