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摘要：在工业建筑中，模块化建筑是在近几年新兴的结构形式。针对钢结构的模块-框架复合建筑结构，简述拟建的一栋多层钢结构模块与钢框架复合建筑的工程情况，对某市某拟建公寓进行模块尺寸和施工要求对拟建的多层钢结构模块与钢框架复合建筑进行结构体系构建，并对其构件和节点等进行设计。
关键词：多层钢结构模块；钢框架复合建筑；结构设计
引言
多层钢结构的设计是建立一个框架，建立建筑结构体系，各模块之间的连接是用插销螺栓，而其设计也遵循了传力路径一致的原则，给出简化方案，对结果给出科学的分析，可以利用多层钢结构的优势，简化设计，而借由力学的分析，可证明简化的科学性。
1工程概况
某市拟建的某公寓楼总建筑面积1865.9m2，建筑层数为6层，建筑高度16.5m，均为标准层，层高2.8m，设有地下停车场，高3.6m，属于多层建筑，是钢结构模块与钢框架复合结构体系结构形式。
2结构体系的设计
对该拟建公寓楼的结构体系设计分为两方面，在该公寓楼建筑中，考虑到地下停车场空间较大，建筑高度有3.6m，且独栋公寓楼六层设计相同，因此，最终选定对楼层设计为结构体系为钢结构模块与钢框架复合结构体系；对地下车库设计为传统钢框架结构。在对该公寓结构体系进行设计的过程中，需要考虑两个方面，一是钢结构模块尺寸设计；二是钢框架结构设计。
2.1钢结构模块尺寸设计
根据国家相关道路运输大型建材规定以及考虑到对拟建公寓楼具体施工要求，对模块单元的长度、高度进行相关限制，模块单元的宽度一般为2m-3m，高度为3m-4m。
2.2钢框架设计
由于该公寓楼钢框架分为地面建筑和地下车库，因此钢框架设计选择上也相应分为两个部分。在对地下车库进行设计时，采用矩形钢管柱和H型钢梁组合而成的复合钢框架结构；在对地面建筑进行设计时，仅需要在首层选择矩形钢管柱和H型钢梁。
3构件设计
在针对该公寓楼施工中，地下车库采用的钢材为Q345B钢，地面建筑采用的钢材均为Q235B钢。根据公寓楼的要求，在组合模块时，模块次梁间距小于1m；在模块单元中，为保证建筑的抗震能力，柱截面要大，汇交于柱的梁截面要小，柱截面要大，是一种强柱弱梁体系，根据设计荷载条件下对构件强度与刚度的要求，模块单元梁截面为口80×50×5，柱截面为口100×60×10。通过对构件进行设计，满足该公寓西式风格的要求，方便模块单元建筑现场施工。
4节点设计
4.1模块单元之间的连接节点
模块单元之间的连接采用该模块建筑公司专用节点形式。该节点采用插销连接、螺栓拉杆连接、特质铆钉连接等组合方式，确保了模块间角部连接节点的强度与刚度。该构造形式合理、传力可靠以及施工方便，且符合刚性节点的要求。该节点体系将模块单元分离的结构连接成具有整体刚度的结构体系，可应用在多层的钢结构模块建筑中。
4.2传统钢框架与模块单元之间的连接节点
首层钢框架部分上部要搭放模块单元，因此将隔板贯通式节点与模块节点相结合，具体做法是：将上隔板改造成与模块节点类似的插销连接件形式；上隔板端部焊接一垫块，用以搭接上部模块梁；钢柱打断部分内部焊接十字肋板，加强节点区域；对应的垫块下部中间部位，腹板两侧各焊接一块加劲肋，防止腹板局部失稳。
5结构计算模型的建立
5.1结构计算参数
根据抗规及相关地质资料，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，丙类建筑，场地类别为Ⅳ类，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《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012），考虑恒荷载、活荷载、风荷载和地震作用四种工况以及相应的工况组合。
5.2节点的简化与简化的合理性
5.2.1节点的简化模型及其在模型中的实现
模块连接节点的简化要做到传力与实际的节点构造一致，具体简化方式为：考虑到上下模块之间各构件对模块柱的约束，模型中模块柱与模块梁连接点到上下模块间柱头节点间用刚性短杆表示；上下模块间柱头柱脚节点为铰接连接，且铰接节点之间进行平动自由度耦合；上下模块梁的拉杆用杆单元模拟。这样的连接方式使短柱之间的铰与拉杆可以在上下模块间传递弯矩，达到了刚接效果。
5.2.2模块连接节点简化的合理性研究
运用ANSYS有限元软件建立简化的十字形节点模型，其中，梁、柱以及短柱用Beam189单元模拟，拉杆用Link8单元模拟。对其柱顶施加位移约束，考虑大变形，绘制荷载-位移骨架曲线，将其与模型尺寸、约束条件以及加载方式均相同的实体模型的骨架曲线进行对比，得到实体模型的极限荷载约为86kN，对应的极限位移为134.1mm，而简化模型的极限荷载约为77kN，对应的极限位移为114.1mm，二者相差不大。对比二者的弹性位移，均约为50mm，且弹性范围内刚度差别不大：简化模型的弹性刚度小于实体模型的弹性刚度，约为实体模型刚度的81.6%。究其原因应该是在简化模型中未考虑实体模型的各种构造，且未考虑板件屈曲后的强度。由于设计中要求材料处于弹性阶段，所以这样的简化对设计来说是可以接受的，而且是保守的，因此节点的简化处理方式是合理的。
5.3模型的建立
采用有限元软件MIDAS/Gen821建模，整体模型如图1所示。梁柱采用梁单元建立；支撑、上下模块之间的拉杆、水平模块之间的盖板连接采用桁架单元建立。
图1MIDAS/Gen821整体模型
6多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构的对比
传统的钢框架结构是简单的梁柱连接体系，由于个体较大，导致刚度和强度都较低，施工难度大；而多层钢结构模块与钢框架复合结构由钢结构模块与钢框架组成的一个整体，能有效分离和组合，具有形式简单，刚度和强度都有提升，稳定性强，施工难度小，适合多种施工条件下进行施工的优点。多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构最大的区别在于多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构是一种多梁多柱体系，传统钢框架的节点连接形式主要是铰接；在多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构中，节点连接形式主要有插销连接、螺栓拉杆连接及组合连接的方式。多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构在进行模块单元节点连接时，除了对模块单元之间进行节点连接，还会针对楼板接缝处的局部不严实进行处理工作，保证多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构建筑楼板的连续性。
结语
本文对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构的构件、节点等进行分析研究，通过将多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构进行对比，并进行了有限元计算和分析，得到以下结论：对于多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构建筑，综合模块尺寸和建筑要求等多方面因素，对根据模块尺寸以及建筑功能等方面的要求，最终选定结构体系为多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构。
参考文献：
[1]陈鹏.多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析[J].中国房地产业，2018（8）：179-180.
论文作者:刘艳新,邢海霖
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第7期
论文发表时间:2019/5/6
标签：模块论文; 钢结构论文; 节点论文; 框架论文; 多层论文; 建筑论文; 建筑结构论文; 《建筑模拟》2019年第7期论文;