陈良君
浙江欣捷建设有限公司
【摘要】：随着科学技术的发展，建筑水平不断提高，建筑结构形式也更加多种多样，而模块化建筑就是其中之一。本文以多层钢结构模块化、框架符合建筑结构，对建筑钢结构的设计、选型、体系等进行概述。并根据实际情况，对受力的节点进行简化研究，对设计的可能性进行论证，对建筑构建的节点进行设计，为模块化框架的广泛应用积累宝贵和丰富的经验，
【关键词】：多层钢结构；钢框架；节点；复合建筑设计
引言
在设计阶段的钢框架和多层钢结构建筑，利用电脑软件对建筑的构件、节点和结构体系等重点设计，为日后结构的节点受力关系、构建连接和钢材选定都可以提供宝贵的参考意见。本文首先对某一个建筑工程建筑钢结构的各个部分设计内容进行简单的概述，然后利用建筑结构的计算模型，对结果进行模拟论证，找到可能性。最后，为积累钢模块框架的丰富的经验和广泛应用，对比了两项钢结构的异同点。分别是传统和结构模块建筑。
1、工程概况
以拟建某公司办公大楼为例，建筑工程总面积2763.1㎡，建筑层高3层，局部4层。其中地面高度17.1米，首层高度为5.9米，其他层高度平均3.73米，考虑到地下停车场空间较大，停车场高度设定为3.6米。该办公楼属于多层建筑，地面建筑使用结构形式为钢结构模块与钢框架复合结构体系，地下停车场采用传统的钢架结构。对该办公楼的结构体系进行设计时，要考虑钢框架结构的设计和钢结构模块尺寸的设计。
2、结构体系与节点和构件设计
2.1钢结构模块尺寸
考虑到建筑整体结构、运输、现场安装和国家道路运输规定等因素，对钢结构模块单元的设计尺寸宽度不应超过2.5米-3.5米，高度不应超过4.2米。建筑要求有功能区域，其中包括休闲区、展示区、大厅，建筑高度为5.9米。二层有通往另外一栋建筑的天桥，所以不采用纯模块化体系。
2.2模块单元
整栋建筑分为51个模块单元，除去东北角的传统钢框架部分外，其他模块长度为7.5米-8.0米，宽为2.5米-4.6米，高度暂定3.8米。地下部分高度为3.6米，长宽不变。
2.3模块类型
钢结构模块类型具体分为四类，包括支撑模块单元、角部加强模块单元、中柱模块单元和普通模块单元，模块单元采用钢框架结构。支撑模块单元主要布置在建筑周围和建筑的楼梯，在单元内不但可以设置支撑，还能增加建筑的侧面钢度抗性。位于建筑角部的模块单元是为了避免角部单柱太过单薄所设定的。在普通模块单元的基础上还要增加中柱模块单元，中柱上下贯通，设置在横向模块中，让模块建筑的整体性有所提升。组成普通模块单元的，有次梁、天花板、四根模块柱和底板梁这四个部分。各个模块单元的连接方式为工厂内焊接的冷弯方钢管和矩形钢管。
2.4设计钢框架
办公楼分为地上和地下两个部分，所以钢框架也要分为两个部分设计，地上的钢框架设计必须在首层选用H型钢梁和矩形钢管。地下部分要采用H型钢梁和矩形钢管组合的复合钢框架结构，梁柱节点需要用贯通式隔板节点，因安装方便且承受力良好，所以连接方式可以用柱焊混接。经计算，采用首层钢框架结构和钢结构模块，可以有效的提高效率，降低工程难度，且承受力强，符合该办公楼的建筑要求。
3、结构设计
3.1节点设计
该建筑的主要考虑的是地下建筑和地上建筑之间的节点设计、模块单元之间的连接节点、钢框架之间的连接节点，钢框架与模块单元之间的节点几种情况。钢框架之间的节点连接要考虑到地下与地面节点连接的特殊性，顾采用定制的螺栓拉杆连接、插销连接和特种铆钉组合连接方式，既加强抗震抗灾能力，还保证了首层钢框架和地下车库连接点的刚性和强度，也非常符合本建筑的要求。
因为用该方式连接将分离结构和模块单元连接成整体刚度体系，所以也可用在地上建筑中，首层钢框架的顶端要搭建模块单元，所以采用了插销的节点连接方式。在连接顶部模块时，插销连接的方法可以固定连接节点。用强化十字肋板焊接的方式连接梁截面部分。通过这种连接节点的方式，有效的防止了建筑局部连接不当，提高了办公楼的稳定性。建筑公司提供的专用节点连接方式，可以用在简单的模块单元之间连接。因为插销连接和螺栓拉杆的组合方式可以全包模块之间的强度和刚度，而且简单合理、高效稳定、便于施工，使用与该办公楼的地上建筑的模块连接。
3.2构件设计
根据办公楼的设计要求，模块次梁的间隙小于1.5米，所以钢材要分为地上和地下两个部分采购，其中地上部分要用Q345B钢，而地下需要采用Q235B钢。模块单元的柱面口为100*65*15，梁截面口为85*45*5。汇交预祝的截面要大于普通截面，这种体系叫做强梁弱柱。为满足《建筑抗震设计规范》( GB50011-2010)中8.2.5条的规定，在二层模块柱中浇筑混凝土，减小轴压比并将其控制在0.35 以下，要用C40等级的混凝土。
3.3对比传统钢框架和多层钢结构模块与钢框架复合结构的区别
多层钢结构模块与钢框架复合结构由钢框架和结构模块组成，可以高效的组合和分离，拥有施工难度小、稳定性强、形式简单和强度高等优点。而传统的钢框架结构是梁柱连接体系，连接手段简单，只需将钢框架进行连接即可。导致结构比较大，强度不高，稳定性较低和强度较差等缺点。钢结构模块建筑与传统钢框架结构的相同点就是两种类型的结构都对钢材的质量要求很高，在整个建筑过程中，都要对钢材的质量和具体参数进行多次检查，也可以使用相同的设计规范进行审核，还都充分的利用了钢材的三大特点，即寿命长、强度大和重量轻。而不同点在于钢结构模块是在传统的框架结构的基础上改良而来，它是一种多柱多梁体系，八根柱子和十六根梁可同时存在于交汇处，采用预先制作的方式，也是钢结构模块和传统钢框架结构的最大区别。传统的钢框架结构对比采用插销连接和螺栓拉杆连接的形式不同，多层钢结构模块对焊接方式，节点设计等都有更高更严格的要求。
3.4建立结构模型
设计人员应该根据GB5011-2010《建筑抗震设计规范》（2016年版），相关的地质资料，既抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.20个重力加速度，地震分组为第一组，丙类建筑，郁类场地，特征周期为0.65s，基本风压为0.55kN/m2，地面粗糙度为B类，本工程抗震等级为三级。根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，加上四种工况（地震、风荷载、恒荷载和活荷载），汇总在一个文件夹里，运用模型对比参数，确定参数的合理性。
3.5节点简化的研究
简化的节点模型可以用ANSYS软件，Beam189单元可以模拟短柱、柱和梁，模拟拉杆可以用Link8单元，用实体骨架曲线模型对比绘制的荷载骨架曲线，会等到实体模型极限荷载值86kN和极限移位值134.1mm的数值，而简化模型的移位置和荷载约为114.1mm和77kN。二者间的弹性移位小于50mm。简化模型数值小于实体模型属于的原因，是因为简化模型没有考虑实体模型的构造，所以数值基本真实。
4、结束语
多层钢结构模块与钢框架复合建筑不仅在用材成本上有所优势，在施工质量和操作上，也变现出比较明显的优势，而且有效的控制了环境污染，实现了真正意义上的绿色建筑。在越来越多的使用多层钢结构模块与钢框架复合建筑的同时，做好充分科学的设计，确保工程质量和建筑施工的安全。为后期的施工提供实际的指导。
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