对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析

对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析

于明学

黑龙江省建筑设计研究院

摘要：建筑结构建设工作是一项技术含量极高的设计工作，设计人员在确定建筑结构的时候需要对多种影响设计效果的因素进行综合考虑，以此来选择出最佳的建筑结构设计方案，对于一些建设需求相对比较特殊的建筑的基本结构进行设计的时候，设计人员可以将多种设计方法进行结合使用，本文以实际的建筑结构设计方案为案例，对一种复杂的建筑结构进行分析，在对其的设计方案进行确定的时候，设计人员需要将符合型的钢框架结构与多层式的钢结构模块设计方案进行结合使用。本文对其设计情况进行研究。

关键词：多层钢结构模块；复合式建筑结构；节点；建筑结构设计

建筑结构设计工作是建筑设计工作之中最为复杂的一项工作，设计人员不仅仅需要结构进行全面的优化设计工作，同时还需要对于其结构相关的各种数据进行计算，以便于可以能够设计出合理程度更高的结构，在面对复合式建筑这种较为特殊的建筑结构的设计需求的时候，设计人员可以将多种具有一定契合度的方法结合使用，本文借助某地区的建筑结构设计案例，对其结构设计方案进行透彻分析，主要是对多层式的钢结构模块设计方案的应用进行研究，主要展现的是这种复合式建筑的整体结构设计情况。

1工程情况分析

为了使这种借助多层钢结构模块建筑结构设计方案分析更为明确，本文借助实际的办公楼建设工程为例，先对工程具体情况进行介绍。

某公司办公楼项目位于新区旅游区，南邻航海道。总建筑面积2536.2m，建筑层数为3层，局部4层，建筑高度16.4m，其中首层层高为5.4m，标准层层高为3.9m，未设地下空问，属于多层建筑，结构形式为钢结构模块与钢框架复合结构体系。

2结构体系整体设计情况

2.1选择结构体系

确定结构体系使设计之中第一个环节中需要完成的任务，技术人员首先需要对模块单元进行加工，将其加工完成之后再运输到工程现场之中，主要选择的安装方法为吊装，安装人员要严格遵守吊装需求，将吊装的宽度确定在3m左右，避免其高度超过4米。

在对设计建筑的基本结构的时候，需要先对建筑的功能进行了解，根据功能来确定建筑结构，在建筑的首层之中需要设有咖啡厅、餐厅以及展示区等相对较大的空间，设计人员首先需要将这几方面的模块确定，在建筑的2层位置需要架设一座天桥，天桥主要是通往西侧的工厂之中，在这种复杂的复合式体系之中单纯的模块设计是难以满足模块设计需要的，因此选用了与模块设计结合使用的钢框架结构设计方法，其中2层与3层以及建筑的首层的设计工作借助钢框架结构设计方法，建筑剩余部分选用模块单元设计方法。

2.2模块类型分析

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结构构件设计分析

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节点设计情况

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。模块节点与贯通式节点要结合使用，才能确保结构的合理性，可以将垫块焊接到上部隔板的位置，将其与上部模块进行搭接，还需要将十字肋板焊接到钢柱的内部，提升腹板的稳定性。

3模型建立方案分析

3.1简化节点

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。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。传统钢框架与模块连接节点的建立如图7所示，模块单元与钢框架之间用3根刚性短杆相连。

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，给制荷载-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.Imm.面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816%。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，而且是保守的，因此节点的简化处理方式是合理的。

3.2建立模型

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

根据本次建筑结构模块设计的成果可以了解到，这种复合式建筑的结构设计过程极为复杂，设计人员必须要对其模块尺寸设置有充分地了解，对结构设计的基本需要也要有所认识，将常规的建筑图纸转变为模块设计方案，对其进行模块式划分，将建筑结构转化为具体的模块，对关键的结构构件与关键结构节点进行优化设计，设计的关键在于对节点的受力情况进行清晰地计算，同时还需要适当地简化节点，在设计过程之中还要适当地添加模型模拟活动，以此来对简化设计的合理性进行判断。设计人员的验算内容还包括地震情况验算，

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