多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計與分析

陳鵬

摘要：作為房屋建筑中的重要形式和組成內(nèi)容，多層鋼結構與鋼框架復合建筑在房屋建筑中的應用十分廣泛，故而對其進行分析和研究有著十分重要的現(xiàn)實意義。本文針對多層鋼結構模塊和鋼框架復合建筑結構的設計進行分析與分析，以期能夠對其發(fā)展應用能夠有所幫助。

關鍵詞：多層鋼結構模塊；鋼框架結構；特點；分析研究

隨著我國經(jīng)濟化和社會的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，房屋建筑成為人們一直關注的焦點。不同的房屋建筑結構，其各自的設計要求和施工特點也時不同的。在房屋建筑中時是選用鋼結構還是鋼框架或者時二者兼具的復合結構，要根據(jù)實際需求來定。在此形勢下，本文針對多層鋼結構與鋼框架復合建筑的結構進行設計和分析以期能夠對其應用和發(fā)展有所助益。

1、鋼結構模塊與鋼框架結構概述

多層鋼結構應用較廣，其主要由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構件組成，采用焊縫、螺栓或鉚釘連接的方式連接各個構件。鋼結構自重較輕，且施工簡便，故而應用十分廣泛。而鋼框架結構則是由鋼梁和鋼柱所組成的能承受垂直和水平荷載的結構。鋼框架結構的桿件一般采用實腹式或構件式。鋼桿件的連接一般用焊接，也可用高強螺栓或鉚接。房屋建筑的實際過程中要結合實際需求，結合兩種結構都有其各自的特點，選擇使用哪一種結構，當然也可以采用兼具兩種方式的復合結構。

2、多層鋼與鋼框架復合建筑結構的設計及要求

2.1總體設計

本文將對首層有大空間，二層有天橋的建筑進行分析和設計，所以不采用單獨的鋼結構或鋼框架純，而是結合建筑的功能需求，采用為鋼結構模塊與鋼框架復合結構體系，即首層和二層和三層采用鋼框架結構，其他模塊則采用鋼結構模塊。

2.2建筑結構模塊單元的劃分

建筑平面圖以及模塊劃分圖如圖1和圖2所示，在建筑的西南角采用鋼框架結構，其余采用鋼結構和鋼框架的復合結構，并根據(jù)實際將其分析若干個小模塊。每個模塊其長度大約為8米，寬度約為3.5m，高度約為 3.6m，其具體尺寸根據(jù)實際情況可以進行大致調(diào)整。

在確定了劃分了建筑的結構模塊以后便確定其模塊類型，這些模塊在總體上采用傳統(tǒng)的鋼框架結構，然后再根據(jù)其具體的結構形勢將其分為普通模塊單元、中柱模塊單元、支撐模塊單元以及角部加強模塊單元等。普通模塊主要由四根模塊柱、地板梁、天花板梁和次梁；中柱模塊則是再普通模塊的基礎之上加入中柱，以提升建筑的整體性；支撐模塊單元則是通過在模塊單元內(nèi)設置支撐，用以提升建筑的抗側剛度；為了避免角部單柱過于薄弱，在角部模塊模塊的實際結構構成中，其構件均采用焊接的方式，將冷彎方鋼管和冷彎矩形鋼管連接再一起[1]。

2.3結構體系設計

對于建筑的結構體系設計，首層建筑選擇鋼框架結構，其框架皆由長方形鋼管樁和H型鋼梁組成。對于梁柱的節(jié)點則采用隔板貫通式節(jié)點，以便滿足快速施工的需求。對于建筑中所使用到的鋼材皆采用Q345B鋼，而所設計的建筑模塊的次梁間距小于2米，以滿足樓板的搭方要求。

2.3.1模塊單元的構件設計

對于模塊單元的采用強梁弱柱的構造體系，使得與柱交匯的梁截面比柱截面大，以滿足抗震設計的相關要求。在建筑二層模塊中澆筑強度等級為C40的混凝土，以便將軸壓比控制在0.4以內(nèi)。模塊的柱截面根據(jù)實際需求選擇符合要求的規(guī)格，而相應的梁截面寬度選擇為150mm。

2.3.2模塊單元的節(jié)點設計

模塊單元之間的節(jié)點連接可根據(jù)實際情況，在確保模塊間角部連接節(jié)點的強度與剛度的原則下，選擇插銷連接、螺栓拉桿連接、特質(zhì)鉚釘連接等組合方式。該節(jié)點體系將模塊單元分離的結構連接成具有整體剛度的結構體系，可應用在多層的鋼結構模塊建筑中。本次所設計的復合建筑的結構，需要在首層鋼框架的部分上部進行模塊單元的搭放，所以可以將模塊節(jié)點與隔板貫通式節(jié)點隔板貫通式節(jié)點相結合，其連接方式如圖4所示，即對鋼框架上部隔板進行改造，使其具有插銷連接件的形式，并在其端部焊接一墊塊并搭接模塊梁；將鋼柱打斷，并對其部分內(nèi)部進行十字肋板的焊接，從而加強節(jié)點區(qū)域的連接；此外，還要在對應墊塊下部的中間部位，腹板兩側各焊接一塊加勁肋，防止腹板局部失穩(wěn)[2]。

3、結構設計的相關計算

3.1結構計算參數(shù)

在對多鋼板和鋼框架復合建筑進行結構設計時，要根據(jù)相關防震的要求和地質(zhì)資料，對其進行抗震分析。假設抗震設防烈度為八度，基本地震加速度為重力加速的20%，其地震分鐘為第一組，丙類建筑，特征周期為0.65s，基本風壓為0.55kN/m2，地面粗糙度為B類，抗震等級為三級。在對其進行分析計算時，要結合恒載恒、活載荷、風載荷以及地震作用等工況[3]。

3.2節(jié)點簡化分析

為了進行抗震分析，需要對這些節(jié)點進行簡化，并借助相關的軟件建立起簡化模型。其簡化節(jié)點如圖5。這樣的模型及其連接方式，可以使得短柱之間的鉸與拉桿可以傳遞彎矩，實現(xiàn)剛接的效果。

3.3借助建模軟件建立結構模型

本文選自使用ANSYS有限元軟件建立簡化的十字節(jié)點模型，并以此展開其相關模型模擬，由于其實際過程相對復雜，本文就不再一一贅述。從模擬實驗的結果來看，這樣的簡化設計時合理的，其模型模擬的結果也復合相關的抗震要求。

4、計算結果與分析

通過借助軟件建立的相關模型，并以此展開計算。由于其計算極其復雜以及本文受到篇幅限制，就不再詳細描述。從對模型進行分析和計算的結果來看，就總體而言，從所設計建筑的模型結構的周期與振型、模塊結構頂點的位移、各樓層的層間位移角和位移比、結構的應力和相關的用鋼量以及模型的彈性時程等方面進行相關的分析和計算，可以得出相關的計算結果符合相關的抗震要求。故而改設計時符合建筑設計要求的。

小結：

結合多層鋼模塊結構和傳統(tǒng)鋼框架各自的特點，本文對二者的復合式結構建筑進行相關的設計和分析，并通過利用相關軟件建模和計算，確定該設計符合相關的設計要求。

參考文獻：

[1]張鵬飛，張錫治，劉佳迪，陳志華.多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計與分析[J].建筑結構，2016，46（10）：95-100.

[2]張鵬飛.多層鋼結構模塊結構設計與力學性能研究[D].天津大學，2016.

[3]劉強.基于FCM算法的多層鋼框架模糊優(yōu)化設計[D].山東建筑大學，2011.