多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析
发表时间：2018-05-28T11:29:11.480Z 来源：《基层建设》2018年第3期作者：赵阳
[导读] 摘要：随着建筑的使用功能被扩展，很多城市建筑都有多种功能设置需求，为了满足建筑的功能设计，设计人员在会通过将常规建筑结构改造为符合建筑结构，进一步对复合式的建筑进行设计。
黑龙江省纺织工业设计院
摘要：随着建筑的使用功能被扩展，很多城市建筑都有多种功能设置需求，为了满足建筑的功能设计，设计人员在会通过将常规建筑结构改造为符合建筑结构，进一步对复合式的建筑进行设计。
而在搭建这种具有复合型结构的建筑时，设计人员需要结合应用多种设计方法，将钢框架设计法与多层钢结构模块设计法结合应用。
使结构设计工作更具合理性，本文以实际的建筑设计案例为参考，对其该类建筑的结构设计方法进行研究。
关键词：多层钢结构模块；钢框架；复合建筑结构；设计方法
随着城市的现代化程度增强，很多复合式建筑出现在城市之中，虽然复合式建筑可以满足多种建筑应用需求，但是其结构设计工作却比一般的建筑的结构设计更为艰难，设计者需要对建筑的各个部分进行协调，避免建筑的不同部位出现冲突的情况。
在设计复合式建筑的结构时，设计者常常会选择构建出钢框架与多层钢结构模块的复杂结构形式，本文对其设计状况进行分析。
1 案例情况分析
由于复合式结构建筑的设计工作难度系数高，本文将结构设计方法带入到实际的建筑结构设计工作之中，进行具体化分析，本文先对工程概况进行研究。
案例之中建筑属于办公楼，其位于城市新区之中，周围具有极为丰富的旅游资源，周边环境极好，与航海道相连，建筑的总体面积为2536.3m2，建筑总体层数为3层，局部位置为4层，建筑的整体高度为16.4m，建筑标准层的高度为3.9m，首层高度为5.4m，该建筑并没有地下空间，从其层数特点来看，可以被划分到多层建筑范围之中，选用的结构模式为复合式钢框架结构系统为钢结构模块。
2 设计概况
2.1 设计结构系统
在为该建筑提供结构设计时，需要做好模块单元的处理工作，在其他结构设计工作开始之前，先加工好结构单元，再将已经完成加工的结构单元运送到建筑现场，通过吊装的方法来安装模块单元，负责安装结构单元的工作人员需要事先了解吊装规范，按照规范完成安装模块单元，吊装的宽度大约为3m，高度不能超过4m。
建筑的结构设计工作需要以建筑的使用功能为参照，确保结构设计是符合建筑的功能设定的。
由于该建筑为办公楼，因此其内部空间设计极为丰富，在首层位置有展示区、餐厅以及咖啡厅的设置需求，因此需要在首层预先留出比较大的空间，设计人员要将模块设置到相应的位置上。
在该建筑的二层位置，需要搭建天桥，使建筑之中的人可以通过天桥达到西侧工厂之中，如果只使用单一化的控制方法，设计人员是难以完成多种建筑结构设计工作的，因此本文将框架设计法与模块设计法两种设计方法加以结合，在内部结构较为复杂的首层、二层以及三层应用框架设计法，而在对其他建筑空间结构进行设计时，应用单元模块设计法。
2.2 确定模块类型
在这种模块设计系统之中，可选用的设计方法有很多中，包括中柱单元、普通单元、支撑单元等。
四种单元设计情况如图1所示。
图1 模块类型
2.3 设计结构构件
在对钢框架结构进行设计的时候，可以将H型钢梁与矩形钢管柱进行结合使用，在对梁柱的节点进行设计的使用，可以选用隔板贯通型的新型节点，借助隔板来打断梁柱没在连接梁柱的时候，采用焊栓混合连接的方法进行连接。
这种结构连接方法具有受力性能比较好，安装工作也比一般的设工作更为便捷。
2.4 设计结构节点
节点设计也是初期结构设计环节之中的一个重点设计任务，在对连接方式进行选择的时候，可以选择螺栓拉杆、插销、特制铆钉电能几种连接方法，在开展连接节点这项工作的时候，不仅需要确保节点的刚度符合要求，同时还要对节点的强度进行测量，这种节点设计的优势在于，其传力系统较为可靠，在进行施工建设的时候也能降低施工难度。
3 模块设计情况分析
3.1 对节点进行简化
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；上下模块间柱头柱牌节点为铰接连接，且饺接节点之间进行平动自由度耦合；上下模块梁的拉杆用样单元模拟。
运用ANSYS有服元软件建立简化的十字形节点模型，其中，梁、杜以及短杜用Bean189 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。
对比者的弹性位移，均约为50mm，且弹性花围内刚度差别不大：简化模型的弹性刚度小于实体模型的弹性闸度，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，且简化模型中未考虑板件展曲后的强度。
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。
3.2 创建模型
采用有限元软件MIDAS/Gen821建模，整体模型如图2所示。
梁杜采用梁单元建立；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2 模型设计
4 结束语
本文以实际的复合式建筑为研究对象，对这一类建筑设计方法进行了简要介绍，设计人员除了需要做好建筑体系的整体构建工作之外，还需要对复杂结构的特殊位置加以细化处理。
明确了建筑的结构形式之后，设计者需要将各个结构模块完整地划分出来，应用模块设计法可以简化结构设计工作，设计人员把握好节点的受力状况就可以提升建筑结构的整体合理性，在计算节点受力数据时，需要对影响节点的因素加以考虑，在对数据进行验算时，不能遗漏地震情况，使复合式建筑结构更为安全。
参考文献：
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