李航
精工工业建筑系统有限公司 浙江省绍兴市 312000
【摘要】：多层模块建筑结构的稳定性和单元的质量、数量以及结构连接方式有关，采用钢结构复合模型可以增加整个建筑结构模块的稳定性，并针对受力节点简化结构，最终实现科学的复合式建筑设计目标。本文针对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构的设计进行了研究分析，并通过相应的案例研究，设计出了科学的连接方式，保证结构的安全性能。
【关键词】：多层钢结构模块；钢框架；建筑结构；设计?
作为一种新型的建筑体系，模块建筑概念为预制组合拼装形成建筑。通过科学的装配式钢结构梁柱内套管螺栓连接、模块化装配式斜支撑节点等方式都可以提升整个模块建筑的稳定性，耐久性和实用性。本文采用案例分析的方式，针对A宿舍进行模块单元的综合研究分析，内容如下。
1.简述工程概况
A宿舍地上五层，3m/层，局部六层（4.5m），主体高度为16.45m，整体建筑面积为4500㎡。
2.建筑模块单元设计和结构体系分析
2.1结构体系分析
针对建筑模块的尺寸、建筑功能以及结构设计的三方面需求来看，建筑结构图体系要符合建筑模块的基础尺寸以及建筑功能和结构需求。模块尺寸确定后要将制作完成的模块运送到施工现场，并做好吊装，一般模块尺寸为3-4m，≤4.5m。
针对宿舍功能性要求，需要建筑中间设置门厅，也要在首层和第二层的连接处设置开间，建筑要有楼梯和电梯。
而建筑结构的单元不建议采用整体支撑，可以采用钢结构框架，以此来便于布置支撑，提升整个钢结构的整体性和抗侧刚度。
经过综合设计研究后，现确定采用钢模块和钢框架复合结构体系，因为增加电梯，要在这些特殊部位采用钢框架结构，其余部分都采用钢结构模块单元拼接。
2.2模块单元设计
模块单元设计主要采用钢框架结构，模块有底、顶、主次量构成，外侧墙体有波纹板，且模块单元要采用三种尺寸的模块单元，分别是
（1）8500mm*3000mm*3000mm；（2）6500mm*3000mm*3000mm；（3）6500mm*3000mm*4000mm三种尺寸，预估需要150-160个模块。
3.建筑单元节点设计
3.1模块单元节点设计
本次设计要结合施工现场的安全性，因为建设环境有限，要保证现场减少焊接施工，也可以采用类似集装箱的角件结构，进而减少弯矩和剪力；针对本次设计特殊性采用模块单元的角件螺旋式连接节点方式，其中包含了单元角件和连接件两个内容。
角件的功能和集装箱的角部的功能类似，但是其标准尺寸以及开口有差异，角件的上下插入口和出入口有限定，侧口还有一个开洞，一共有三个开洞。而模块的单元连接件有四个部分，其为连接板、上旋配件和下旋转配件以及螺母，每个连接板的作用都是连接上下模块单元的角件，中间承受水平剪力，而凹槽可以固定连接件的旋转部分，在坡度角的位置可以连接多个连接板，连接的水平方向和相邻的模块单元也可能有所差异。下旋转件的作用在于利用机械键带动下旋转，让其联动运动，下旋转件可抗压、抗剪、抗拉，上下旋转件都是通过螺母而连接在一起。
这种连接方式可以具有连接简单、便捷、快捷等特点，能够有效地抵抗水平的剪力和竖向的拉力，运用效果显著，能够综合解决模块建筑的单元部件连接问题，实用价值显著。
3.2模块单元和钢框架、基础的连接
为了保证模块单元和基础的连接稳定性，A 宿舍施工采用了角件固定的方法，如让角件的高度高于模块单元的高度，模块单元和钢框架之间是通过焊接方式连接在一起。
4.结构设计的关键技术研究
4.1节点优化分析
在建筑模块的每一层楼都设计上层模块单元梁和下层模块单元顶梁，针对节点的不同，其受力情况也有差异，并可以通过向上延伸、向下延伸的方式来模拟连接件，可以设置两个连接点的交点承载角度为研究点，设计中，模块单元和钢框架是通过焊接在一起的，后采用有限元分析的方式来模拟其受力，分析其结构稳定性。
因为基础连接方式和模块单元的连接方式类似，也可以将其归为铰链连接的方法，姑且将基础连接方式和钢框架连接当做刚性连接。这两种连接方式可以获得层间位移角分析，结果表示两种节点的简化方式差异不大，而考虑节点连接的实践操作可行性，对点连接的方式更为简练。
4.2模块的柱的计算长度系数研究
柱的计算长度系数对整个框架柱的稳定承载力有一定的影响，如在实际的模块建筑建设中，模块的柱上下不连接，且模块在同一层中也存在定梁和定梁，有别于传统的建筑结构，因此有限元软件分析的结果可能存在精度问题，导致设计的柱长会消耗大量的钢材，影响设计结果。
在实际的模块建筑设计中，模块柱和模块梁都是焊接在角件上的，可见其当做刚性连接，整体的约束力强，但是现有的规定中没有针对计算长度系数以及计算方法进行分析，因此本项目的柱两端的约束和平衡存在问题，若忽略相邻的模块单元模块柱约束，整个结构的模块梁、柱也可能存在问题。
4.3结构计算模型确定
本次研究采用 MIDAS/Gen 进行有限元模拟分析，采用桁架单元、板单元、梁单元分别进行支撑、楼板、梁模拟，按照上文的节点控制处理方法和措施，构建钢材为Q345，框架柱为矩形方钢管，采样焊接H型钢，后按照不同的荷载情况采用不同的截面。
5.结果分析
5.1应力比分析
各构件的应力比均小于1，且大部分在0.85以下，最大应力比为0.882。模块柱轴压比最大值为0.46，绝大部分在0.40以下。满足构件应力比均小于1的要求。
5.2弹性时程分析
采用软件MIDAS/Gen对模型进行弹性时程分析作为补充，选取场地特征周期为0.55s的一条人工地震波和两条天然地震波，周期折减系数为0.8。计算得出，基底剪力均大于反应谱基底剪力的65%，基底剪力平均值大于反应谱基底剪力的80%，满足抗规要求。
5.3抗震分析
连接件的设计满足承载力要求，连接件可以做到在多遇地震下保持弹性，在罕遇地震作用下不屈服，后续会进行更深入的实体有限元分析和试验分析，以考察连接件的性能。
6.结论
综上所述，本次研究采用案例分析法，针对某建筑项目的多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构进行了综合设计分析研究得出，模块尺寸以及建筑功能影响下，钢模块和钢框架复合结构设计的可行性，并针对连接构件提出了节点连接简化的措施建议，后期经过MIDAD/Gen系统建立了结构整体模型，并在荷载和工况的组合结构下进行了计算分析，所得到的结果均满足现有的设计规范和要求，表示结构设计科学后，后通过层间位移角。基底剪力等因素分析了解到了结构的整体稳定性好，符合生产运行要求，针对建筑结构的抗震性要求进行分析，对连接件进行模拟计算，可知在地震影响下建筑结构可以保证稳定性，保证建筑安全性和稳定性。
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